Development of downscaling multiscale analysis system by finite element method for peri-implant bone considering collagen fibers using micro-CT and SHG images

Bone is an anisotropic material with a hierarchical structure, which consists of mineralized collagen fibers with biological apatite (BAp), water and protein at the nano-scale. A system of downscaling multiscale analysis by finite element method (FEM) based on micro-CT and second harmonic generation (SHG) images has been developed to study the strain distribution considering the collagen fiber in the human mandible near the dental implant under different loading conditions. Models in three scale are created. Macroscopic model is constructed based on the micro-CT images and two types of Dirichlet loading conditions are imposed to macroscopic model. Mesoscopic model is also based on micro-CT images to bridge the large gap in mesh size between macroscopic model and microscopic model. To maintain the continuity of problem setting, the collagen fibers are filled in the vacant space of the bone in the mesoscopic model. The microscopic models of collagen fiber structure as well as bone are based on SHG images. This is so far the first attempt to create a FEM model based on a combination of both micro-CT and SHG images. The microscopic results indicate that the high strain level occurs in the collagen-rich regions and the strain level is relatively lower in the fibrous region. Under two loading conditions, the compression direction is almost parallel to fiber orientation in ROI 3 in the fibrous region. However the connection between fiber orientation and loading direction is not clearly observed in the fibrous region in ROI 1 and ROI 2. Besides, the nonlinear analysis indicates that the geometrical nonlinear effects can be neglected.

Il tessuto osseo è un materiale anisotropo caratterizzato da una struttura gerarchica che consiste in fibre di collagene mineralizzate che su scala nanometrica sono composte da Apatite Biologica (BAp o idrossiapatite), acqua e proteine. Il lavoro si concentra sulla realizzazione di un modello che consenta di studiare la distribuzione delle deformazioni in una mandibola umana, sottoposta a diverse condizioni di carico, nella zona prossima a un impianto dentale. A questo proposito è stato sviluppato un codice che consenta una simulazione agli elementi finiti (FEM) delle deformazioni tramite un’analisi multi-scala del tessuto osseo che viene ricostruito basandosi su immagini micro-CT e SHG. Il modello è composto di tre diversi livelli. Il modello macroscopico è costruito sulla base di immagini micro-CT ed è sottoposto a due tipologie di condizioni di carico di Dirichlet. Il modello mesoscopico è anch’esso costruito sulla base di immagini micro-CT e, per mantenere la continuità delle condizioni del problema, è caratterizzato dal riempimento delle vacanze del tessuto osseo, artefatti derivanti dalle immagini, tramite fibre di collagene. Il modello microscopico della struttura delle fibre di collagene e dell’osso è basato su immagini SHG. Questo è il primo tentativo di creare un modello FEM bastato sulla combinazione di immagini micro-CT e SHG. I risultati microscopici indicano che elevati livelli di sforzo si concentrano delle zone ricche di collagene, mentre in quelle di matrice fibrosa presentano sforzi relativamente più bassi. Sottoposto a due condizioni di carico, il modello rivela una direzione di compressione quasi parallela all’orientamento delle fibre nella zona fibrosa ROI3, mentre nelle zone fibrose ROI1 e ROI2 non è chiaramente osservabile una connessione tra l’orientamento delle fibre e la direzione di carico. Inoltre, l’analisi non lineare mostra che gli effetti geometrici non lineari sono trascurabili.