Multimodal and multiscale modeling of bone microstructure

Present knowledge regarding bone's microstructure is still limited and not complete. Examples are the collagen fiber orientation (CFO) patterns in different bones lamellar structures and the reason why Nature uses specific osteon morphotypes (OMs) in dissimilar stress regions. In the last few years many significant results have been discovered, as the presence of common CFO patterns in osteons between different animal species and heterogeneous distributions of the OMs in structural long bones. However, a causal explanation for relationship between the OMs spatial distribution and the local loading states encountered is still absent. This research aims to shed light on the latter, considering the micromechanical properties of bone tissue from different OMs, by analyzing the impact of their CFO. This is possible with the aid of Polarized Raman Spectroscopy (PRS) measurements performed on stressed samples, highlighting a possible buckling-induced failure of collagen fibers. Moreover, the development of finite element models, simulating compressive and tensile loads, contributed to the identification of stress-optimized OMs. Lastly, mechanical testing of different OMs-inspired 3D-printed samples, differing by the spatial disposition of their fibers following Nature's indications, were operated. The outcome of this novel approach, combining PRS and mechanical testing, finite element analysis (FEA), and bioinspired multi-material 3D printing, contributes to elucidate the reasons why, in cortical bone, regions under compression show a larger presence of the twisted OM (TOM), while those that are mainly subjected to tensile stresses preferentially show the vertical OM (VOM) pattern. In addition, the numerical model could provide the basis for the design of stress-optimized bioinspired composites.

Al giorno d’oggi le informazioni relative alla microstruttura ossea sono limitate e incomplete. Alcuni esempi sono la distribuzione dell'orientamento delle fibre di collagene (CFO) in differenti strutture ossee lamellari e la ragione per cui la Na-tura impieghi specifici morfotipi di osteoni (OMs) in regioni che differiscono per il tipo di stress a cui sono soggette. Negli ultimi anni le scoperte sono state significative, come la presenza di pattern di CFO negli osteoni condivisi tra specie animali differenti e distribuzioni eterogenee di OMs nelle ossa lunghe. Nonostante ciò, in letteratura risulta essere assente una spiegazione causale per la relazione tra la distribuzione spaziale degli OMs e gli stati di stress locali presentati. Questa ricerca desidera chiarire la relazione tra le proprietà micromeccaniche del tessuto osseo date dai differenti OMs, analizzando l'impatto della loro CFO. Questo è stato ottenuto con l'aiuto di misurazioni tramite Spettroscopia Raman Polarizzata (PRS) operata su campioni compressi, evidenziando un possibile fe-nomeno di buckling nelle fibre di collagene. In seguito, lo sviluppo di un modello agli elementi finiti capace di simulare carichi di compressione e trazione, ha contribuito all’identificazione di OMs ottimizzati per specifici stati di stress. Per ul-timo sono stati testati meccanicamente campioni stampati 3D ispirati ai diversi morfotipi di osteoni, che differiscono nella disposizione delle loro fibre secondo le indicazioni della Natura. Il risultato di questo nuovo approccio, il quale combina PRS e analisi meccanica, Analisi agli Elementi Finiti (FEA) e stampa 3D multi-materiale bio-inspirata, ha contribuito ad identificare le ragioni per cui nelle zone del tessuto osseo corticale soggette a compressione si possa trovare una concentrazione superiore del twisted OM (TOM) mentre in quelle a trazione del vertical OM (VOM). In aggiunta, il modello numerico potrebbe essere impiegato per definire i parametri e le condizioni specifiche per il design di compositi bio-inspirati ottimizzati in base alla tipologia di stress locale.