Caratterizzazione di uno scaffold in idrossiapatite ottenuto tramite tecniche di stereolitografia

The aim of the present study is the characterization, through experimental and computational analyzes, of hydroxyapatite scaffolds for trabecular bone replacement. The samples were produced by the Politecnico di Torino using stereolithography techniques and subsequently scanned by micro-CT to obtain sequences of tomographic images of the two scaffolds. Considering first the experimental part, this concerns the study of the bulk material of hydroxyapatite, incorporated in a resin and tested with force control and variable load tests between 10 and 200 mN, using Berkovich indenter and spherical tip with radius of 10 µm. Of special interest was the research of the elastic modulus of the material, finding a value equal to 110 GPa. This result was then fundamental to obtain the correct values of the mechanical parameters of the scaffold through computational analyzes. On the other hand, computational analysis studies the mechanical properties of scaffolds through finite element analysis. Starting from the micro-tomographic images of two samples, these were processed to obtain four cubic-shaped samples, which were analyzed by studying their morphological characteristics, elastic and strength properties. All analyzes were conducted using different software, including ImageJ, Matlab and ParOsol. Regarding the morphology, the samples were studied based on porosity, the arrangement of the internal structures and the level of anisotropy. The samples have very similar characteristics to each other: the porosity is between 70 and 75%, they are characterized by internal structures with a mostly random arrangement and the level of isotropy is quite high, with a slight preferential direction along the z axis. Elastic analyzes were conducted through ParOsol and the results were subsequently analyzed through Matlab. These analyzes confirmed the slight preferential direction along the z axis; the macroscopic elastic modules were searched, obtaining an average value in the z direction greater than that obtained in the x and y direction. Similarly, the shear modulus in x direction and the Poisson modulus ν_yz, ν_zx and ν_zy were found to be greater. The level of mechanical isotropy was also evaluated, finding values tending towards isotropy, with a preferential direction also in this case along the z axis. Finally, considering the failure simulations, the maximum macroscopic stress value reached in the simulations and the macroscopic stress value reached at the first peak in the stress-strain curves have been sought. The internal regions of the most fractured samples were also investigated, identifying the zones most subject to breakage such as the necks of the internal trabeculae, the regions in which the section of the material is the thinnest. Finally, the stress values at break were used to calculate the fracture probability through the study by Tomsia et al. The results obtained from the analyzes show some good characteristics, but also limitations, which must be overcome. Moreover, further analyzes and with a larger number of samples must be conducted to obtain more complete characterization of these structures.

Lo scopo del presente studio è la caratterizzazione, tramite analisi sperimentali e computazionali, di scaffold in idrossiapatite per sostituzione di osso trabecolare. I campioni sono stati prodotti dal Politecnico di Torino tramite tecniche di stereolitografia e successivamente scansionati tramite micro-CT per ottenere le sequenze di immagini tomografiche dei due scaffold. Considerando innanzitutto la parte sperimentale, questa riguarda lo studio del materiale massivo di idrossiapatite attraverso tecniche di nanoindentazione. Campioni cilindrici di idrossiapatite sono stati inglobati in una resina e testati con prove in controllo di forza a carico variabile tra 10 e 200 mN tramite indentatore Berkovich e a punta sferica con raggio 10 µm. Di particolare interesse è stata la ricerca del modulo elastico del materiale, riscontrando un valore pari a 110 GPa. Tale risultato è stato poi fondamentale per ottenere i corretti valori dei parametri meccanici degli scaffold tramite analisi computazionali. Dall’altra parte, l’analisi computazionale studia le proprietà meccaniche degli scaffold attraverso analisi a elementi finiti. Partendo dalle immagini micro-tomografiche di due campioni, queste sono state elaborate in modo da ottenere quattro campioni di forma cubica, che sono stati analizzati studiandone le caratteristiche morfologiche, le proprietà elastiche e a rottura. Tutte le analisi sono state condotte utilizzando diversi software, tra cui ImageJ, Matlab e ParOsol. Riguardo la morfologia, si sono studiati i campioni in base alla porosità, alla disposizione delle strutture interne e al livello di isotropia. I campioni presentano caratteristiche molto simili tra loro: la porosità è compresa tra 70 e 75%, sono caratterizzati da strutture interne con disposizione perlopiù randomica e il livello di isotropia è piuttosto alto, con una leggera direzione preferenziale lungo l’asse z. Le analisi elastiche sono state condotte attraverso ParOsol e i risultati sono stati successivamente analizzati tramite Matlab. Tali analisi hanno confermato la leggera direzione preferenziale lungo l’asse z; si sono andati a ricercare i moduli elastici macroscopici, ottenendo un valor medio in direzione z maggiore rispetto a quello ottenuto in direzione x e y. Allo stesso modo è risultato maggiore il modulo a taglio in direzione x e coefficienti di Poisson ν_yz, ν_zx e ν_zy. È stato valutato anche il livello di anisotropia meccanica, riscontrando valori tendenti all’isotropia, con una direzione preferenziale anche in questo caso lungo l’asse z. Considerando infine le simulazioni a rottura, è stato ricercato il valore massimo di sforzo macroscopico raggiunto nelle simulazioni, e il valore di sforzo macroscopico raggiunto in corrispondenza del primo picco nelle curve sforzo-deformazione. Si sono inoltre indagate le regioni interne dei campioni maggiormente fratturate, riscontrando le zone più soggette a rottura quali i colli delle trabecole interne, ovvero le regioni in cui la sezione del materiale risulta più sottile. Infine, i valori di sforzo a rottura sono stati utilizzati per calcolare la probabilità di frattura attraverso lo studio di Tomsia et al. I risultati ottenuti dalle analisi effettuate hanno mostrato alcune buone caratteristiche, ma anche alcune limitazioni da ovviare. Inoltre, ulteriori analisi e con un numero maggiore di campioni devono essere condotte al fine di ottenere una più completa caratterizzazione di tali strutture.