Bioinspired composite materials : from human bone to bone-like composites

Biomimetics is an engineering design approach to create new structures, by reproducing characteristics found in nature. Indeed, in nature it is possible to find many smart solutions, which can be mimicked to build new materials, with potential applications to various engineering fields. Nature is the largest producer of composite materials: wood, bone, nacre, all of them are examples of composite materials. These materials are characterized by a hierarchical structure, consisting of a highly controlled organization at different levels, with characteristic structural dimensions at each level, ranging from the nanometer to the macroscopic length scale. This results in a complex architecture, which provides the materials with multifunctional properties. Among biocomposites, an intriguing material is the human bone, a composite of collagen and hydroxyapatite (HAP). The high content of calcium-phosphate minerals (i.e. HAP) makes it hard and stiff. However, a common characteristic of bone is the incredible toughness, in spite of its brittle mineral components; in fact, bone toughness is about three to five orders of magnitude more than that of the mineral it is made of. Until now, no conventional man-made composite has reached such an amplification in toughness, compared to the raw components; for this reason bone is considered as a biomimetic model material. The reasons of the toughness and ductility of this material have to be seek in its hierarchical organization. The key mechanisms, which make it a quasi-ductile and damage-tolerant material, with an increased toughness, are different and simultaneously act at various length scales. Hence, to understand the effects of the hierarchy on the mechanical response of bone, and the structure-property relationship, it is worthwhile to use a multi-scale approach. In this work, after a study of the bone hierarchical structure, we use an atomistic approach to get an insight into the mechanical properties of the bone building blocks, the collagen organic fibers and the hydroxyapatite mineral crystals. We carry out full atomistic simulations to get information about the mechanical behavior of the bone basic components, their interactions and the size effect on their mechanical performance, and in particular on the fracture behavior of the brittle mineral components. A systematic variation of the crystal size allows us to identify a critical size, below which the material becomes flaw tolerant, approaching a constant level of strength, regardless the presence of the defect. The concept of size-driven flaw tolerance is very common for natural materials, confirming the importance of characteristic size in smart natural systems. A further study of bone nanocomposites, made of HAP crystals and collagen fibers, is carried out, by performing molecular dynamics simulations, to get an insight into the mechanical behavior and the failure mechanisms of such systems. At the meantime, we use a biomimetic approach to create a new material, with the aim of replicating some of the toughening mechanisms occurring in bone and harnessing them in engineering materials. Hence, by observing the bone structure, selected structural features of bone, the osteons, characteristic of the secondary Haversian structure of bone at the micro-scale, are implemented in a new glass-carbon/epoxy synthetic composite, which could replicate the toughening mechanisms of crack deflection and twisting. The initial design is simplified to make it feasible, with respect to the available manufacturing processes. The material, manually laminated, is characterized, by performing experimental tests, according to ASTM standards, and microscopic analyses, to get an insight into the fracture process. Moreover, in order to assess if the bio-inspired composite could really offer improved mechanical properties, compared to existing structural materials, we design a classical laminate with the same type and amount of fibers and resin of the osteon-like composite; then we test both the materials, allowing a direct comparison. The new concept of bio-inspired material is not meant to be a mere copy of what is found in nature, but instead it should provide a smart solution for engineering problems. Until now, it is only a first solution, which could be optimized in future works, by adding reinforcing nano-structural elements with proper shapes and characteristic sizes, as suggested by the results of the atomistic simulations.

La biomimetica è un approccio ingegneristico largamente utilizzato che considera la natura come modello o fonte di ispirazione per il miglioramento delle tecnologie umane. La natura infatti, è ricca di sistemi intelligenti e soluzioni funzionali, dalle quali si può trarre ispirazione per risolvere svariati problemi ingegneristici. Recenti innovazioni in campo tecnologico sono ispirate alla natura: è il caso del Velcro, di superfici autopulenti ispirate alle foglie di loto soluzioni, o di adesivi strutturali ispirati alle zampe del geco, di biocompositi ispirati all’osso o alla madre perla. La natura è anche il più grande produttore di materiali compositi, come il legno, l’osso, la madre perla. Tutti questi materiali hanno una caratteristica comune: una struttura gerarchica, altamente specializzata e organizzata su vari livelli, dalla nano alla macroscala, e caratterizzata da elementi strutturali con dimensioni caratteristiche per ogni livello. Generalmente l’organizzazione gerarchica di questi materiali garantisce una grande multifunzionalità e un’ottima combinazione di proprietà meccaniche. Tra i vari biocompositi, un materiale da sempre oggetto di studi e attualmente di grande interesse è l’osso umano, che è comunemente considerato in ambito scientifico, un composito costituito prevalentemente da una matrice di collagene e cristalli di idrossiapatite. Questi ultimi conferiscono rigidezza e durezza all’osso. Ciononostante, l’osso è notoriamente apprezzato per la sua grande tenacità, nonostante la cospicua presenza di elementi rigidi. La tenacità dell’osso è, infatti, circa tre-cinque ordini di grandezza superiore della sua componente minerale. Finora nessun composito sintetico ha raggiunto un tale incremento di tenacità rispetto ai componenti principali. Per questo motivo, l’osso è generalmente considerato, in ambito biomimetico, un modello di materiale. I motivi della sua duttilità e tenacità sono da ricondursi alla sua struttura gerarchica, e a particolari meccanismi che agiscono su vari livelli. Per capire un’idea chiara del legame esistente tra struttura Per poter riprodurre questi meccanismi è necessario capire il legame intrinseco tra struttura e proprietà di questo materiale. Per far ciò, è necessario un approccio alla multi-scala, considerando i vari livelli gerarchici e i relativi meccanismi che determinano le ben note proprietà meccaniche. In questo lavoro, dopo uno studio approfondito della struttura ossea, è stato usato un approccio atomistico per indagare le proprietà meccaniche dei principali elementi costitutivi dell’osso, le fibre di collagene e i cristalli di idrossiapatite. Mediante simulazioni atomistiche è stato possibile ottenere informazioni riguardo il comportamento meccanico degli elementi basilari dell’osso, le loro interazioni e l’effetto dimensionale sul comportamento meccanico, in particolare sul comportamento a frattura dei cristalli minerali. Variando in modo sistematico la dimensione del cristallo, è stato possibile individuare una dimensione critica, che garantisce un comportamento meccanico quasi-duttile e tollerante ai difetti. Questo concetto della tolleranza ai difetti al di sotto di una dimensione critica, tipicamente alla nanoscala, è una caratteristica comune a molti materiali biologici, ed è una ulteriore conferma dell’importanza delle dimensioni e dell’organizzazione di questi sistemi naturali. Altre simulazioni di dinamica molecolare hanno permesso di studiare le interazioni tra collagene e idrossiapatite e il comportamento meccanico del sistema composito in toto. Contemporaneamente, seguendo un approccio biomimetico, è stato progettato e realizzato un nuovo materiale composito, ispirato alla struttura ossea, con l’obiettivo di riprodurre alcuni dei meccanismi di tenacizzazione tipici dell’osso in nuovi materiali ingegneristici di tipo sintetico. Osservando la struttura ossea, si sono scelti alcuni elementi strutturali, gli osteoni, caratteristici della struttura Haversiana dell’osso alla micro-scala, e sono stati riprodotti in un materiale composito (vetro-carbonio/epossidica) di nuova concezione, con l’intento di riprodurre i meccanismi di deviazione e deflessione della cricca. Il materiale è stato prodotto per laminazione manuale, semplificando il design iniziale in modo da adattarlo ai materiali e processi produttivi scelti. Infine, il composito bio-ispirato, è stato caratterizzato sperimentalmente con test eseguiti secondo normativa ASTM, insieme ad un composito costituito dagli stessi materiali, ma con una classica sequenza di laminazione, utilizzato come termine di confronto. Il nuovo composito non è pensato per essere una mera copia della struttura ossea, ma mira a fornire una soluzione funzionale a problemi ingegneristici. Il design proposto è soltanto una soluzione iniziale, che dev’essere ottimizzata, aggiungendo elementi nanostrutturali di rinforzo con dimensioni e forma caratteristiche, come suggerito dai risultati delle simulazioni atomistiche.