Understanding the role of lacunar morphology in different bone pathologies

Bone is a complex hierarchical structure, characterized by a macroscale, a mesoscale, i.e. trabecular and cortical bone, and a microscale, meaning lacunae and osteocytes. At the macroscale, there are medical routine examinations, such as Dual-energy X-ray Absorptiometry (DXA), which allow detecting certain bone pathologies, such as Osteoporosis, but not all of them can be detected. Bone damage is not yet completely explained, and this is particularly true at the microscale, where there are two hypotheses concerning the role of lacunae in damage initiation and propagation: they could act as stress raisers, decreasing the strength of the structure, or they could deviate the crack path, beneficially influencing the toughness. What happens at the lower scales, such as the microscale, influences what happens at the higher scales, and many bone pathologies have an effect precisely at the microscale, leading to different pathological lacunar morphologies. Some of these pathologies are diffused, such as Osteopenia and Osteoarthritis, whereas some are rarer, like Osteopetrosis. They have differences in terms of symptoms and severity, but they all have an economic and social impact on society. It is complicated to study these pathologies directly because it involves using human samples, therefore there are issues related to the ethical committee as well as to the variability inter-patients. The purpose of this work is to overcome these difficulties by using metal replicas, in addition to computational models, which together can simplify studying and understanding the role of lacunae in bone damage, by isolating the morphological aspect. The metal replicas used in this work, therefore, resemble the pathological lacunar morphologies, based on Osteopenia, Osteoarthritis, and Osteopetrosis. The materials and methods are divided into two main sections: computational and experimental. In the experimental section, results on the experimental static and fatigue tests conducted on the previously 3D printed lacunar Ti6Al4V specimens are shown, as well as the generation of the new replicas resembling the pathological lacunar morphologies, which will be then 3D printed in AISI 316L. The computational section is about the simulations conducted on the Ti6Al4V, whose results are then compared with the experimental outputs, and on the simulations performed on the new specimens in AISI 316L, the ones resembling the pathologies. The types of computational simulations performed are static, conducted through Abaqus, and fatigue ones, conducted through Fe-Safe and XFEM, in order to study both crack initiation and propagation. From these analyses, it can be concluded that the lacuna acts as a stress raiser and, when there is only one, the crack starts from it, whereas when there are more, it starts from the lacuna closest to the external surface of the specimen. By isolating the morphological aspects, and specifically the size influence, it can instead be concluded that, when there are smaller lacunae, the specimen resists more, compared to when there are bigger lacunae, and the same can be concluded when there are few lacunae present, compared to when there are more. In the case of the alignment influence, another concept was introduced, i.e. the aspect ratio, that is the ratio between the two most significant dimensions of the lacuna. When this value is close to one, it is observed that misaligned lacunae make the specimen resist less, but only in the fatigue tests, whereas when it is two or more, then the same result can be seen in both static and fatigue outputs. Future insights should focus on improving the XFEM model and applying it to all the specimens, and on including the experimental simulations on the AISI 316L lacunar specimens, in order to validate the results obtained in the computational part. Also, new morphological aspects could be considered, as well as other bone pathologies.

L’Osso è una struttura gerarchica complessa, caratterizzata da una macroscala, una mesoscala, composta a sua volta da osso trabecolare e corticale, e una microscala, costituita da lacune e osteociti. Alla macroscala vi sono test medici, come la Assorbimetria a raggi X a Doppia energia (DXA), che permettono di rilevare alcune patologie ossee, come l’Osteoporosi, ma non tutte possono essere riconosciute. Il danneggiamento osseo non è completamente chiarito, in particolar modo alla microscala, dove vi sono due ipotesi sul ruolo delle lacune nell’inizio e propagazione del danneggiamento: potrebbero comportarsi da intensificatori dello sforzo, diminuendo la resistenza della struttura, oppure potrebbero deviare il percorso della cricca, influenzando la resistenza positivamente. Quello che succede alle scale inferiori influenza ciò che succede alle scale maggiori e molte patologie ossee hanno effetto proprio a livello della microscala, portando a morfologie lacunari patologiche differenti nei vari casi. Alcune di queste patologie sono più diffuse, come l’Osteopenia e l’Osteoartrite, mentre altre sono più rare, come l’Osteopetrosi. Sono differenti in termini di sintomi e gravità, ma hanno tutte un grande impatto sociale ed economico sulla società. È complicato studiarle direttamente, perché vorrebbe dire utilizzare campioni umani, il che rappresenterebbe un problema per quanto riguarda il comitato etico e per la variabilità inter-pazienti. Lo scopo di questo lavoro è di superare questi limiti utilizzando delle repliche in metallo, in aggiunta a dei modelli computazionali, che insieme possano semplificare lo studio e la comprensione del ruolo delle lacune nel danneggiamento osseo, isolando il fattore morfologico. Le repliche in metallo utilizzate in questo lavoro, quindi, rappresentano le morfologie lacunari patologiche, basate su Osteopenia, Osteoartrite e Osteopetrosi. I materiali e metodi sono divisi in due sezioni principali: computazionale e sperimentale. Nella sezione sperimentale, i risultati delle prove sperimentali statiche e a fatica condotte su provini lacunari in Ti6Al4V precedentemente stampati sono mostrati, come anche il processo di produzione delle nuove repliche sulle morfologie patologiche, che verranno stampate in AISI 316L. La sezione computazionale riguarda le simulazioni condotte sui provini in Ti6Al4V, i cui risultati sono poi paragonati con quelli sperimentali, e le simulazioni sui nuovi provini in AISI 316L riguardanti le patologie. Le simulazioni computazionali condotte sono di due tipi: statiche e a fatica. Le prime sono state effettuate tramite Abaqus, mentre le seconde tramite Fe-Safe e XFEM per studiare l'inizio e la propagazione della cricca. Da queste analisi si può concludere che la lacuna si comporta come un intensificatore dello sforzo e, che quando ve ne è solamente una, la cricca parte da essa, mentre quando ve ne sono di più, la cricca parte dalla lacuna più vicina alla superficie esterna del provino. Isolando gli aspetti morfologici e in modo specifico la dimensione della lacuna, si può invece concludere che, quando vi sono lacune più piccole, il provino resiste maggiormente, paragonato a quando vi sono lacune più grandi, e lo stesso si può concludere quando le lacune sono in numero inferiore rispetto ad un numero maggiore. Per quanto riguarda l’influenza dell’allineamento, un altro concetto è stato introdotto, ovvero il rapporto a/b, che rappresenta il rapporto tra le due dimensioni più significative della lacuna. Quando questo valore è vicino a uno, lacune disallineate fanno sì che il provino resista meno, ma solamente nelle prove a fatica, mentre quando è pari a due o maggiore di due, allora questo risultato si può osservare anche nelle prove statiche. Sviluppi futuri dovrebbero focalizzarsi sul miglioramento del modello XFEM, in modo da poterlo applicare a tutti i provini, e dovrebbero includere prove sperimentali sui provini in AISI 316L, in modo da validare i risultati ottenuti nella parte computazionale. Inoltre, si potrebbero anche considerare ulteriori aspetti morfologici e altre patologie ossee.