Synchrotron-based damage analysis and micro-FE modelling in human trabecular bone

The investigation of bone damage process is a crucial issue to understand the mechanisms of age-related fractures, which constitute a major health concern, resulting in high economic burden, morbidity and increasing mortality. Age-related bone fractures are strongly linked to osteoporosis, a widespread and progressive pathology that induces a significant lowering in bone mass and a consequent increase in bone fragility. Osteoporotic fractures occur at older ages and more frequently in women rather than in men, with a risk from the 50th year to the remaining lifetime of respectively 50% and 20%. Intending to reduce the impact of bone fractures on health and economy, early diagnosis is the key. Nowadays, the only clinical parameter used to diagnose osteoporosis is Bone Mass Density (BMD), although it was demonstrated that it is not able to predict all the fractures alone. This project aims to investigate the apparent mechanical properties and damage mechanism at the micro-scale of human trabecular bone, to provide new tools for an early diagnosis of osteoporosis. An experimental part concerning bone mechanical testing, Synchrotron Radiation Micro-Computed Tomography (SRmicroCT) imaging and lacunar-level structure investigation, is followed by a computational one, focused on a novel micro-Finite Element (microFE) progressive damage model implemented through the linear solver ParOsol. Apparent scale mechanical properties (Young’s modulus, yield strength, ultimate strength and strain) of human female bone samples harvested from both healthy and osteoporotic femoral heads are evaluated through an axial Micro-Compression Device (MCD). The statistical analysis highlights how the ultimate strain seems to be a good predictor of the pathological bone condition. Besides, an Image-Guided Failure Assessment (IGFA) is performed, showing the influence of the Lacunar-Canalicular Network (LCN) in the micro-damage process both for crack initiation and propagation. Lacunae seem to behave as stress concentrators, attracting and deflecting the crack path and increasing the material toughness. A statistical comparison between lacunar morphological parameters is carried out, displaying a significantly higher volume, stretch and oblateness in the osteoporotic bone. A novel micro-FE computational model, based on principal strains and progressive damage is implemented, showing a more realistic crack behaviour than those in literature. It completely relies on mechanical parameters and removes the artificial constraints introduced in previous models to force crack directionality. The output seems to confirm the lacunar attractive role in the crack path development as experimentally observed. In conclusion, the following project just scratches the surface for micro-scale bone damage visualization and prediction. Several interesting considerations coming from both experimental and computational sections are highlighted but need to be strengthened with further analysis.

Lo studio del danneggiamento osseo riguarda un importante campo di ricerca per comprendere i meccanismi alla base delle fratture in età avanzata. Queste ultime sono spesso associate all’osteoporosi ed implicano un peggioramento delle condizioni di salute, con un conseguente incremento di morbilità e mortalità, nonché un aumento della spesa economica a carico dei sistemi sanitari. L’osteoporosi è una patologia sistemica diffusa in tutto il mondo che provoca una progressiva riduzione di massa ossea, con conseguente accrescimento del rischio di fratture. Queste ultime si verificano in età avanzata e colpiscono più frequentemente le donne rispetto agli uomini, con la probabilità di incorrere in una frattura nelle persone con età superiore a 50 anni che si attesta rispettivamente al 50% e 20%. Una diagnosi precoce è l'aspetto chiave nella riduzione dell'impatto sanitario ed economico della patologia. Attualmente la densità minerale ossea è l'unico parametro clinico utilizzato nella diagnosi dell’osteoporosi, sebbene sia stato dimostrato che questo indice non sia in grado di predire da solo la probabilità di fratture ossee. Il seguente progetto consiste nello studio delle proprietà meccaniche apparenti e dei meccanismi di danneggiamento alla scala micrometrica dell’osso trabecolare umano, con lo scopo di fornire nuovi metodi per una diagnosi anticipata dell’osteoporosi. Una parte sperimentale, riguardante prove meccaniche sull’osso, l’ottenimento di immagini da micro-tomografia con luce di sincrotrone e lo studio della struttura lacunare, è seguita da una parte sperimentale in cui è stato implementato un nuovo modello a danneggiamento progressivo attraverso il solutore lineare ParOsol. Le proprietà meccaniche (modulo di Young, sforzo di snervamento, carico e deformazione massima) di osso trabecolare umano femminile, ricavato da teste femorali di pazienti sani ed osteoporotici, sono valutate attraverso un macchinario a micro-compressione. L’analisi statistica evidenzia come la deformazione massima sembrerebbe essere un buon fattore predittivo dell’osteoporosi. Inoltre, il test di micro-compressione è stato combinato ad una micro-tomografia con luce di sincrotrone, evidenziando l’influenza della struttura lacunare nel processo di micro-danneggiamento, sia nella fase di iniziazione che di propagazione. Le lacune sembrano comportarsi come intensificatori di sforzo, attraendo e deviando il percorso della cricca ed aumentano, quindi, la tenacità del materiale. Un confronto statistico tra i parametri morfologici lacunari è stato effettuato, mostrando come le lacune del campione affetto da osteoporosi siano caratterizzate da un volume maggiore e risultano, inoltre, mediamente più allungate e schiacciate. Un innovativo modello computazionale di micro-danneggiamento agli elementi finiti, basato su deformazioni principali e danneggiamento progressivo, è stato implementato mostrando un comportamento della cricca più realistico di quelli presenti in letteratura. Esso è basato completamente su parametri meccanici ed elimina ogni vincolo artificiale introdotto nei modelli precedenti per indirizzare la cricca. Gli output sembrano confermare il ruolo delle lacune nell’attrarre la cricca, in accordo con evidenze sperimentali. In conclusione, questo studio si colloca in un ambito molto ampio e per alcuni aspetti ancora inesplorato. Diverse considerazioni ottenute sia dalla parte sperimentale che da quella computazionale, consolidate da successive analisi, potranno rappresentare importanti traguardi nella conoscenza dei meccanismi di danneggiamento alla microscala, permettendo di ottenere una valutazione precoce del rischio di frattura.