Mechanical and chemical characterization of ovine cortical bone by micropillar compression and Raman spectroscopy

The present work was carried out in collaboration with the Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (Empa) with the aim of obtaining a mechanical and chemical characterization of cortical bone tissue at a micrometric level. In particular, the mechanical analysis was conducted in order to investigate the viscoelasticity in the time domain and in the frequency domain thought the micropillar compression technique (DMA, creep and stress relaxation tests). In addition to mechanical analyses, chemophysical analyses were performed through Raman spectroscopy with the purpose to assess the amount of bound and unbound water. The present study can be considered as a starting point for the development of an accurate mechanical protocol that allows to measure the viscoelastic properties of cortical bone at the microscale and to consider the influence that the hydration state and mutual interactions between various components, at different scale level, have on these properties.

Il presente lavoro di tesi è stato svolto in collaborazione con il Laboratorio Federale Svizzero per la Scienza e la Tecnologia dei materiali (Empa) di Thun, con lo scopo di ottenere una caratterizzazione meccanica e chimica del tessuto osseo corticale a livello micrometrico. Nel dettaglio, l’analisi meccanica è stata condotta per analizzare la viscoelasticità del tessuto in funzione di tempo e frequenza tramite prove di micropillar compression (DMA, creep e stress relaxation tests) mentre l’analisi chimica, avvalendosi della spettroscopia di Raman, ha l’obiettivo di analizzare una possibile influenza dell’acqua sulle proprietà viscoelastiche di interesse. Il lavoro getta le basi per lo sviluppo di un protocollo meccanico accurato che consenta di investigare le proprietà viscoelastiche dell’osso corticale alla microscala concentrandosi principalmente sulle caratteristiche tempo-dipendenti e anisotrope del tessuto e sull’influenza che stato di idratazione ed interazioni reciproche tra i vari componenti a diversi livelli di scala hanno su tali proprietà.