Strategic placement of pores as a toughening strategy for ceramic scaffolds fixation

This thesis project addresses the challenge of ceramic bone-inspired scaffold (specifically hydroxyapatite-HA-based) brittleness caused by screw insertion for bone healing augmentation. The focus is on enhancing fracture toughness in the fixation area by incorporating strategic micro-pore patterns inspired by the damage tolerance observed in biological micro-architectured materials (i.e. bone, bamboo). The stress state arising during screw tightening is thought to result in radial expansion of the anchor hole. Addressing this, a quarter of a circular crown with a notched inner surface has been subjected to radial compression, exploiting circular symmetry. Employing a phase field formulation for brittle cracking with a finite element model, scaffold notch size sensitivity is investigated compared to a plate under mode I failure, followed by analysis of strength and toughness for different scaffold designs combinations of pore shapes and location. Results highlight the intricate relationship between scaffold geometry and its attenuated notch sensitivity, attributed to non-uniform stress distribution through the scaffold thickness. Subsequently, they underline significant toughness improvements, achieved through controlled micro-pores. Specifically, circular pores deflect crack paths attracting the fracture in the center of the hole; on the contrary, elongated pores distribute the stress more evenly along their perimeter, thereby the nucleation of the cracks may occur in different points of the hole's perimeter, resulting in a radially-aligned crack pattern. As a proof-of-concept, this study also shows that the proposed strategy can enhance material toughness without significantly decreasing its fracture strength, achieving a trade-off between these typically conflicting mechanical properties. In conclusion, the exploration of bio-inspired micro-pore patterns allowed for the identification of key parameters and configurations playing a pivotal role in optimizing the mechanical reliability of ceramic-based scaffold screw fixed. These findings lay a strong groundwork for future advancements in bone tissue engineering applications.

In risposta alla sfida biomedica legata alla fragilità degli scaffold ossei ceramici (es. composti da idrossiapatite) causata dall’inserimento di viti, questa tesi propone design microporosi dello scaffold mirati a potenziare la tenacità alla frattura nell’area di ancoraggio della vite, prendendo ispirazione dalla notevole resistenza al danno osservata nei materiali biologici (i.e. ossa, bambù). Si ipotizza che lo stato di sforzo risultante dall'azione della vite causi un'espansione radiale del foro di ancoraggio. Per questo motivo, la regione dello scaffold intorno al foro di inserimento della vite, che viene modellata come un quarto di una corona circolare bidimensionale con superficie interna intagliata, viene sottoposta a compressione radiale. Utilizzando una formulazione phase field per rottura fragile combinata con un modello agli elementi finiti, lo studio esamina la sensibilità dello scaffold all’intaglio, confrontandola con quella di una piastra soggetta a rottura di tipo I, e calcola la resistenza e la tenacità per diverse combinazioni di design con forme e posizioni dei pori diverse. I risultati evidenziano un’importante interazione tra la geometria dello scaffold e la sua ridotta sensibilità all'intaglio, attribuita alla distribuzione non uniforme degli sforzi attraverso lo spessore dello scaffold. Inoltre, evidenziano significativi miglioramenti della tenacità ottenuti grazie all’introduzione di micro-pori controllati. In particolare, i pori circolari deviano i percorsi della frattura attirandola verso il proprio centro; al contrario, i pori allungati distribuiscono lo sforzo in modo più uniforme lungo il loro perimetro, consentendo così la nucleazione delle fratture in punti diversi del perimetro del foro, risultando in un pattern di fratture radialmente allineate. Inoltre, questa ricerca dimostra che la strategia proposta migliora la tenacità senza compromettere significativamente la sua resistenza, raggiungendo un equilibrio tra proprietà meccaniche spesso contrastanti. In conclusione, l’analisi dei modelli micro-porosi ispirati alla natura ha consentito l’individuazione di parametri e configurazioni fondamentali per ottimizzare l’affidabilità meccanica degli scaffold ceramici fissati con viti, fornendo così una solida base per futuri sviluppi nella guarigione del tessuto osseo.