Numerical and experimental design of an osteon-like structure

In an era where the demand for better materials with improved properties and innovative features is higher than ever, the inspiration for the development of innovative materials is more and more shifted towards the natural materials. What nature has achieved in thousands of years of optimization is remarkable and designers could employ similar mechanisms to improve the current materials and develop innovative ones. This approach is called biomimetics, also known as biomimicry or bionics, and it is a field of study that aims at learning concepts, models, and systems from nature and translate them to solve engineering problems. Biomimetics can be considered an interdisciplinary field, where biology and engineering are mixed together. While biology extracts the knowledge of how biological systems faced and adapted to contour obstacles, engineering has the role of interpreting this knowledge and transfer it to human applications. Of all the natural materials, in this work, we focused on bone. Bone is a hierarchical composite material, consisting of a highly controlled organization at different levels, ranging from the nanometer to the macroscopic length scale. This results in a complex architecture, which provides the material with multifunctional properties. Its impressive elastic properties and toughness are due to this complex hierarchical organization. At the micro-scale, the dominant structure of the cortical tissue is the Haversian system, which consists of repeating cylindrical structures, the osteons, made of concentric lamellae immersed in a matrix of interstitial tissue. Both the concentric and the interstitial lamellae are similar to composite laminae, having collagen fibers with different local orientations. The microstructural level is thought to have an important role in determining the fracture behavior of cortical bone, by activating different toughening mechanisms. For this reason, we decided to focus our study on the toughening mechanism acting at this structural level and involving the main feature, the osteon. This thesis project is part of a larger research study, aimed at designing and manufacturing a new composite material with enhanced fracture toughness by following a biomimetic approach. Previous studies have shown how it is possible to get an enhanced fracture toughness and an optimal balance with stiffness and strength in a bone-inspired fiber reinforced composite, by mimicking the main Haversian features and implementing the crucial toughening mechanisms. The goal is to further enhance the mechanical performance by implementing new features (e.g. lamellae) and Haversian canals, which could offer a route for material functionalization. The project is a follow up to previous collaborations between the Politecnico and the Institute of Polymer Materials and Plastics Technology, TU Clausthal, Germany. The design and production phases were developed during a period lasted 8 months spent at the aforementioned Institute, subsequently the testing part was performed at the Politecnico laboratories. The phases of the project can be briefly summarized as follows: i) study of microstructure of cortical bone; ii) design and FEM optimization of the newly proposed bioinspired structure; iii) feasibility assessment and production of the material; iv) testing of the produced material.8 After studying the natural material model and the previously developed composite solutions, a composite material inspired by the microstructure of bone was designed. To further improve the mechanical performance, reducing the weight and allowing for future material functionalization, we decided to implement new features, e.g. lamellae and Haversian canals, which were neglected in the previous design. In the new design the osteons were modelled as hollow cylinders, aimed at mimicking the Haversian canal; each cylinder is made of different layers, aimed at mimicking the circumferential lamellae. The effect of the hole was studied from a numerical point of view and compared to the previous solution, without the hole. In the design phase, an extensive numerical part was carried out to define the best material configuration, by considering different fiber orientation in the lamellae, together with the hole effect. First an optimization process was carried out to define the best stacking sequence with respect to the elastic properties and to prevent the buckling under compressive loading. Then the focus was shifted towards obtaining a laminate, which presented remarkable toughness properties and a resistance against buckling thanks to the arrangement of the fiber orientation in the interstitial matrix. Once the optimisation design part was ended, we obtained an optimum material for our requests, but the production techniques available could not support us in this part. For this reason, we decided to focus on the manufacturing of the bioinspired features with a tubular shape, i.e. the osteon-like structure. The best stacking sequence, resulting from the FE-modelling, was chosen and two different material combinations were produced and tested: one made of carbon fibers (i.e. the optimal one resulting from the numerical work) and a multimaterial combination, with the addition of glass fibers. Finally, the last phase of the project involved the testing of the materials produced in tension, compression, and bending. In order to proceed with the testing phase, a custom testing setup was developed. The obtained results, show to some grade, the ability to translate some of the mechanisms occurring in the natural structure to the designed composite material, in spite of all the simplifications adopted. This study shows promising outcome for further development of the concepts designed and exploited in this phase.

In un'epoca in cui la domanda di materiali migliori, con proprietà migliorate e caratteristiche innovative è più alta che mai, l'ispirazione per lo sviluppo di materiali innovativi è sempre più spostata verso i materiali naturali. Ciò che la natura ha raggiunto in migliaia di anni di ottimizzazione è notevole e, i progettisti possono impiegare simili meccanismi per migliorare i materiali attuali e svilupparne di innovativi. Questo approccio si chiama biomimetica, conosciuta anche come bionica, ed è un settore di studio che mira ad apprendere concetti, modelli e sistemi dalla natura e a tradurre i concetti, i modelli e i sistemi dalla natura per risolvere problemi di ingegneria. La biomimetica può essere considerata un'attività interdisciplinare, dove biologia e ingegneria si fondono insieme. La biologia estrae la conoscenza di come i sistemi biologici hanno affrontato e si adattato agli ostacoli, ingegneria ha il ruolo di interpretare queste conoscenze e di trasferirle alle applicazioni umane. In questo lavoro, ci siamo concentrati sull'osso. L'osso può esser considerato un materiale composito naturale , costituito da un'organizzazione altamente controllata a diversi livelli, che vanno dal nanometro alla scala macroscopica. Questo si traduce in una complessa architettura, che conferisce al materiale proprietà multifunzionali. La sua impressionante proprietà elastica e tenacità sono dovute a questa complessa organizzazione gerarchica. Al livello microscopico, la struttura dominante è il sistema di Havers, che consiste nella ripetizione di strutture cilindriche, gli osteoni, fatte di lamelle concentriche, immersi in una matrice di tessuto interstiziale. Sia le lamelle concentriche che interstiziali sono simili ai laminati compositi, avendo fibre di collagene con diverse orientazioni locali. Si ritiene che tale microstruttura abbia un ruolo importante nella determinazione del comportamento a frattura dell'osso corticale, attivando diversi meccanismi di tenacizzazione. Per questo motivo, abbiamo deciso di concentrare il nostro studio sul meccanismo di tenacizzazione che agisce a questo livello e che coinvolge la caratteristica principale di questa microstruttura, l'osteone. Questo progetto di tesi fa parte di un più ampio studio di ricerca, finalizzato alla progettazione e produzione di un nuovo materiale composito con una maggiore resistenza alla frattura seguendo un approccio biomimetico. Studi precedenti hanno dimostrato come sia possibile ottenere una tenacità, robustezza e un equilibrio ottimali in un composito di ispirazione ossea, imitando le principali caratteristiche del sistema di Havers e implementando i meccanismi di tenacizzazione di tale struttura. L'obiettivo è quello di migliorare ulteriormente il comportamento meccanico, grazie all'implementazione di nuove caratteristiche (ad es. lamelle) e canali Haversiani, che consentono la funzionalizzazione del materiale. Il progetto è il seguito di precedenti collaborazioni tra il Politecnico di Milano e l’Istituto di materiali polimerici e tecnologia delle materie plastiche presso l’Università di Clausthal, Germania. Il design e le fasi di produzione sono state sviluppate nel corso di un periodo di 8 mesi trascorsi presso l'università Tedesca, successivamente la parte di test è stata eseguita presso il Politecnico. Le fasi del progetto possono essere sinteticamente riassunte come segue: i) studio della microstruttura dell’osso corticale; ii) progettazione e ottimizzazione FEM del nuovo design bioinspirato; iii) valutazione di fattibilità e produzione del materiale; iv) test meccanici sul materiale prodotto. Dopo aver studiato il modello di materiale naturale e il materiale composito precedentemente sviluppato è stato progettato un materiale composito ispirato alla microstruttura ossea. Per migliorare ulteriormente le prestazioni meccaniche, riducendo il peso, abbiamo deciso di implementare nuove caratteristiche, come ad esempio lamelle e i canali Haversiani, che sono stati trascurati nel progetto precedente. Nel nuovo design gli osteoni sono stati modellati come cilindri cavi, volti a imitare la preenza del canale di Havers; ogni cilindro è costituito da diversi strati, volti a imitare la lamelle circonferenziali. L'effetto del foro è stato studiato da un punto di vista numerico e confrontato con la soluzione precedente, senza il buco. In fase di progettazione è stata eseguita un'ampia parte numerica per definire il materiale migliore, considerando il diverso orientamento delle fibre nelle lamelle. In primo luogo è stato effettuato un processo di ottimizzazione per definire la miglior sequenza di laminazione, per quanto riguarda le proprietà elastiche e per prevenire l'instabilità sotto carico compressivo. Poi l'attenzione è stata spostata verso l'ottenimento di un laminato, che presenti notevoli proprietà di tenacità e resistenza all'instabilità grazie alla disposizione dell'orientamento delle fibre nella matrice interstiziale. Una volta terminata la parte di ottimizzazione del progetto, abbiamo ottenuto un materiale ottimale, ma le tecniche di produzione disponibili non hanno potuto supportarci in questa fase. Per questo abbiamo deciso di concentrarci sulla produzione delle sole strutture bioispirate di forma tubolare, cioè una struttura che ricalca la geometria dell’osteone. E’ stata scelta la migliore sequenza di impilaggio, derivante da il modello FE e, sono state prodotte e testate due diverse combinazioni di materiali: uno realizzato in fibre di carbonio (cioè quello ottimale risultante dal lavoro numerico) e, una combinazione multimateriale, con l'aggiunta di fibre di vetro. Infine, l'ultima fase del progetto ha riguardato la caratterizzazione meccanica dei materiali prodotti, con prove di tensione, compressione e flessione. Per poter svolgere i test, è stato sviluppato un setup sperimentale customizzato. I risultati ottenuti, mostrano a un certo grado, la capacità di tradurre nel material bioispirato alcuni dei meccanismi che si verificano nella struttura naturale, nonostante tutte le semplificazioni adottate, dimostrando che questo studio è promettente per un ulteriore sviluppo dei concetti sviluppati e sfruttati in questa fase.