Estimación de propiedades elásticas y resistentes de tejido óseo cortical a partir de ensayos experimentales y modelos de elementos finitos

Abstract

[EN] In this final master thesis, the results from 3-point bending tests on cortical tissue samples of small dimensions are presented, together with its correlation modeled by finite elements. Some of the most relevant elastic and toughness material properties have been inferred from experimental tests and simulations. Further, the initiation and growth of microcracks in the tested samples is simulated by using a damage model based on the maximum principal strain. Simulations show a good correlation with the experimental results. Experimental tests have been carried out on sheep tibia cortical bone, using prepared microsamples of about 20 mm long and 1 mm thick in order to test them on 3-point bending test conditions. Microsamples have been dyed for its observation under optic microscope in order to distinguish the micro scale morphology. Experimentally, it is observed that microcracks evolve along the cement lines, through the interstitial material but without crossing osteons, as the finite elements models predicted. Sample geometries have been considered using finite elements to calibrate the elastic and toughness properties of the FE model so that its response corresponds to the force-displacement experimental results. This way, by inverse analysis, it is possible to estimate propierties poorly documented in the literature.

[ES] En la presente tesina final de máster, se presentan los resultados de ensayos a flexión en 3 puntos en muestras de tejido óseo cortical de pequeñas dimensiones, junto con su correlación modelada con elementos finitos. Algunas de las propiedades elásticas y resistentes del material han sido inferidas mediante ensayos experimentales y simulaciones. Es más, se ha simulado la iniciación y crecimiento de microgrietas en las probetas ensayadas usando un modelo de daño basado en la deformación máxima principal. Las simulaciones muestran una buena correlación con los resultados experimentales. Los ensayos experimentales se han llevado a cabo en hueso cortical de tibia de oveja, usando microprobetas preparadas de alrededor de 20 mm de largo y 1 mm de grosor con la finalidad de ensayarlas en un test a flexión en 3 puntos. Las microprobetas se han teñido para su observación con microscopio óptico para distinguir su morfología microestructural. Experimentalmente, se ha observado que las microgrietas evolucionan a lo largo de las líneas cementantes y através del material intersticial pero sin cruzar las osteonas, tal como el modelo de elementos finitos ha predicho. La geometría de las muestras se ha considerado usando elementos finitos. Se han calibrado las propiedas elásticas y resistentes del modelo numérico de manera que su respuesta se corresponda con los resultados experimentales de fuerza-desplazamiento. De la misma manera, mediante análisis inverso, es posible estimar propiedades pobremente documentadas en la literatura.

[CA] Aquesta tesina final de màster, els resultats d’un assaig a flexió en 3 punts en mostres òssies corticals de xicotetes dimensions son presentats, junt amb la seua correlació modelada amb elements finits. Algunes de les propietats elàstiques i resistents més importants han sigut inferides a partir dels assajos experimentals i les simulacions. A més, se simulen la iniciació i creixement de les microesquerdes en les mostres emprant un model de dany basat en la deformació principal máxima. Les simulacions evidencien una bona correlaciò amb els resultats experimentals. Els assajos experimentals s’han dut a terme en os cortical de tíbia d’ovella, usant micromostres de, aproximadament, 20 mm de largària i 1 mm de grosor amb la finalitat d’ensajar-los en condicions de flexiò a 3 punts. Les micromostres s’han tenyit per a la seua observació amb microscopi òptic per a distingir la morfología microestructural. Experimentalment, s’observa que que les microesquerdes evolucionen al llarg de les línies cementants i a través del material intersticial però sense creuar les osteones, tal como el model d’elements finits ha predit. La geometria de les probetes s’ha considerat usant elements finits per a calibrar les propietats elásticas i resistents del model numèric de manera que la seua resposta corresponga amb els resultats experimentals de forçadesplaçament. De la mateixa manera, per anàlisi invers, es posible estimar propietats poc documentades en la literatura.