Analisi numerica e sperimentale della tenacità del tessuto osseo corticale

Bones are the principal skeletal system components and they maintain the body shape, protect the internal organs and transmit forces. Bone integrity is essential for life and understanding the fracture behaviour is necessary for an effective trauma diagnosis and prevenction. Bone properties, such as fracture toughness, are defined by a complex hierarchical structure. At the microscale, cortical bone consists in circular fibers, the osteons, immersed in a matrix of interstitial tissue.This thesis has as main objective the evaluation of the influence of the microstructure's properties on the fracture behavior. The full set of cortical bone mechanical properties was determined by different test: (1) an analitical model was developed in order to quantify the influence of geometrical and elastic properties on the bone toughness in radial direction; (2) a numerical model was developed in order to quantify how the cement line and the Haversian canal influence the stress intensity factors; (3) experiemntal tests were conducted to quantify the tensile, compressive and flexural elastic moduli and the toughness of cortical bone in the osteon longitudinal direction; (4) a damage initiation law was implemented in a finite element model in order to recreate the anisotropic fracture behaviour of bone as seen in the experimental tests.

Le ossa sono i principali componenti strutturali dello scheletro e permettono di mantenere la forma del corpo, proteggono gli organi interni e trasmettono le forze. Il loro ruolo è fondamentale per la vita di ogni essere vivente e capirne il comportamento a frattura è necessario per diagnosticare e prevenire i traumi più gravi. Le proprietà dell'osso, in particolare la tenacità a frattura, sono dovute ad una complessa struttura gerarchica. Alla microscala, il tessuto osseo è composto da fibre a sezione circolare, gli osteoni, immersi in una matrice di tessuto interstiziale. La presente tesi ha l'obiettivo di studiare l'influenza dei parametri geometrici ed elastici della microstruttura sul comportamento a frattura. Un insieme di prove è stato eseguito per avere la completa caratterizzazione meccanica del tessuto osseo corticale: (1) un modello analitico è stato sviluppato per valutare come i moduli elastici della microstruttura influenzino il fattore di intensificazione degli sforzi di una cricca posta nella matrice interstiziale in prossimità dell'osteone; (2) un modello numerico è stato creato per superare le limitazioni del modello numerico e valutare l'influenza della linea cementizia e del canale di Havers sul fattore di intensificazione degli sforzi; (3) un serie di prove sperimentali sono state svolte per quantificare il modulo elastico a trazione, compressione e a flessione e la tenacità del tessuto corticale in direzione longitudinale agli osteoni; (4) una legge di danneggiamento è stata implementa in un modello agli elementi finiti in modo da ricreare il comportamento anisotropo a frattura osservato nelle prove sperimentali.