Role of the polymer phase in the mechanics of a xenohybrid bone graft

The study carried out during this thesis is part of a computational project applied to the biomechanical field of engineering and it is aimed at studying and modeling how a commercial bone substitute, called SmartBone®, behave after the application of an external load. The results obtained are provided by a mechanical analysis, for the first time at the microscale, of the displacements and strains of the bone substitute. The first step consisted in analyzing a 21 ESEM images array. The objective of the analysis was to identify the percentage contribution of the different surfaces (pores, bone and polymer) that characterize each image. Some specific parameters have been evaluated to have a punctual characterization of each image, such as the trabecular dimension for both bone and polymeric coating and Feret’s diameter for the pores. After this analysis, a new image, in line with the parameters previously described, has been created and treated as a representative image of all the 21 ones. This one, has been imported into Comsol Multiphysics to create the model. The model needed to be set up: after image’s selection, it was necessary to define the physical properties of the components. They vary indeed following on the two different constitutive materials of the system, namely decellularized and deproteinized cancellous bovine bone and poly(L-lactide-co-ε-caprolactone). The physics of the system has been assigned describing each component with a proper set of equations. Results of the simulation enabled to observe the von Mises stresses distribution all over the SmartBone® slab. As a matter of fact, the polymer phase considerably reduces the amount of stress in the surrounding of the pores, where they are generally maximum in the bare cancellous bone matrix. This way, the reinforcing role of the polymer is identified in the mechanism of action of the composite material under consideration.

Questo lavoro di tesi si è inserito all’interno di un progetto computazionale applicato al settore biomeccanico dell’ingegneria e ha avuto lo scopo di studiare e modellare come un sostituto osseo commerciale, chiamato SmartBone®, potesse rispondere all’applicazione di un carico esterno. I risultati che si sono ottenuti, quindi, sono derivati da un’analisi meccanica, per la prima volta alla microscala, del campo di deformazioni, spostamenti e sforzi. Si è partiti quindi dall’analisi di un array di 21 immagini ESEM ottenute sperimentalmente con lo scopo di identificare i contributi percentuali delle superfici ossee, porose e polimeriche rappresentate in ciascuna di esse. Al fine di avere una caratterizzazione puntuale di ciascun contributo, si è deciso di procedere con la determinazione di parametri caratteristici di ogni superficie, come ad esempio il diametro di Feret per quella porosa, le dimensioni trabecolari per quella ossea e polimerica. Lo step successivo è stato quindi l’ottenimento di una nuova immagine che tenesse conto dei parametri precedentemente citati cosicché possa essere considerata come rappresentativa di tutte le 21 immagini di partenza. Una volta ottenuta, la si è importata nel software di modellazione Comsol Multiphysics. Per quanto riguarda la costruzione del modello, si è definita la geometria e, quindi, si è proceduto con l’identificazione delle differenti superfici in modo tale da poter assegnare le proprietà fisiche di ciascuna di esse. A questo punto si definito per ciascuna componente il pacchetto di equazioni caratteristiche in modo da poter effettuare la simulazione. I risultati che il modello ha fornito riguardano la distribuzione degli sforzi di von Mises su tutta l’intera lastra di SmartBone®. Per quanto gli sforzi maggiori siano concentrati nei domini ossei nell’intorno dei pori, la presenza della componente polimerica riduce in maniera chiara la sollecitazione. Questo spiega il comportamento del materiale anche alla macroscala e giustifica la sua elevata resistenza meccanica.