3D-printed trabecular bone : role of the microarchitecture on bone mechanical behaviour

This thesis aims to investigate the role of the microarchitecture on the overall mechanical properties by means of mechanical testing, image analyses and numerical simulations of 3D-printed trabecular bone replicas. The use of additive manufacturing allows to overcome the material influence, focusing only on the trabecular bone network. The 3D-printed (3DP) polymeric samples replicating trabecular porcine bone were used. A Micro-computed tomography (Micro-CT) scan was carried out in order to obtain cross-sectional images of the 3DP samples, necessary for the morphological parameters computation and for the development of finite element models (FEM). The first part of the study presents a comparison between the morphological parameters of the original and the polymeric specimens. Subsequently, static uniaxial compression tests were experimentally carried out on the samples and the apparent elastic modulus was determined. Among all the bone replicas, two samples were selected for the development of the finite element models. The FE-simulations of the samples (i.e. global model) allowed to locate the region characterized by the highest minimum principal strain (in absolute value) where failure is likely to occur. A first sub-region is selected, to develop a local model called failure band model. Then, from this region, the most critical zone is chosen to develop another sub-model, called Representative Volume Element (RVE) model. IV The latter helps to identify more accurately the most strained trabecula in the specimen.

L’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di sottolineare il ruolo della microstruttura sulle proprietà meccaniche attraverso test meccanici, analisi di immagini e simulazioni numeriche eseguite su repliche di provini di osso trabecolare, stampate mediante tecniche di 3D printing. L’utilizzo dell’additive manufacturing permette di isolare la morfologia ossea, al fine di studiarne l’influenza sul comportamento meccanico del materiale. Sono stati utilizzate delle repliche in materiale polimerico di provini di ossa trabecolari, provenienti da vertebre porcine. Una scansione dei provini 3D tramite Micro-CT permette di ottenere le informazioni necessarie per il calcolo dei parametri morfologici e per la realizzazione di modelli ad elementi finiti (FEM). La prima parte dello studio presenta un confronto tra i parametri morfologici originali e quelli dei provini stampati.. In seguito, sono stati eseguiti dei test uniassiali a compressione statica, attraverso i quali è stato calcolato il modulo elastico apparente di ciascun provino. Tra tutte le repliche stampate 3D, sono stati scelti 2 provini per lo sviluppo dei modelli ad elementi finiti. Queste simulazioni, eseguite sull’intero provino (modello globale), permettono di individuare la zona caratterizzata dal più alto valore di minima deformazione principale, in valore assoluto. Partendo dal modello globale, è stata selezionata una sotto-regione per sviluppare un modello locale definito come “failure band model”. Anche per quest’ultimo è stata individuata, la zona più critica, studiata mediante l’ausilio di un ulteriore sotto-modello, chiamato Representative Volume Element (RVE). Il RVE aiuta ad identificare più accuratamente la trabecola soggetta alla deformazione più elevata e dunque probabile sito di inizio del danneggiamento.