Nella sezione 3.1 si illustra brevemente l’inquadramento generale di questo lavoro in ambito ingegneristico e biomedicale, identificando alcune possibili applicazioni a cui questi risultati potranno condurre in futuro.
In sezione 3.2 segue invece una dettagliata analisi degli obiettivi principali perseguiti dalla campagna sperimentale condotta, mettendo in luce i differenti aspetti e fattori d’influenza osservati nei test di indentazione ciclica a carichi multipli.
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3.1 Campi di applicazione
Il presente lavoro di tesi si sviluppa nell’ambito della caratterizzazione dei tessuti biologici, in particolare del tessuto osseo corticale, con risvolti che possono avere utilità sia in un campo puramente ingegneristico come quello dell’analisi delle strutture e della meccanica del danno su scala microscopica, sia in campo medico-scientifico. Infatti, al fine di una progettazione sempre più avanzata di protesi che si interfacciano con il tessuto osseo o di scaffold per la medicina rigenerativa, può risultare utile comprendere il comportamento ed i meccanismi di danneggiamento di tale materiale a scale differenti.
In particolare la nanoindentazione, una tecnica innovativa che ha riscosso ampio successo e suscitato grandi interessi negli ultimi anni, ha permesso di indagare in maniera approfondita le proprietà meccaniche del tessuto a scale molto piccole, comparabili alla dimensione osteonale, consentendo di eseguire indentazioni limitate ad una singola lamella.
Fino ad oggi tuttavia, il metodo maggiormente utilizzato per condurre tali prove sperimentali consiste nell’applicazione di una singola indentazione, ovvero di una singola penetrazione a determinati carichi o affondamenti massimi impostati. Un’applicazione assolutamente innovativa consiste invece nell’esecuzione di indentazioni cicliche a carichi multipli. Tale protocollo sperimentale prevede affondamenti ripetuti nello stesso sito di indentazione, con carichi applicati e conseguenti penetrazioni rilevate progressivamente crescenti. Questa procedura non solo permette di effettuare un numero maggiore di indentazioni su un singolo campione, ma consente anche di valutare gli effetti del danno superficiale indotto dall’affondamento ripetuto della punta, sulle proprietà meccaniche del materiale alla scala nanometrica.
Per tali motivi in questo lavoro, presso il LaBS del Politecnico di Milano è stata svolta una campagna sperimentale di indentazioni cicliche a carichi ripetuti su tessuto osseo corticale bovino, con l’obiettivo di valutarne l’utilità, gli eventuali punti critici ed alcuni sviluppi futuri che consentano di affinare tale tecnica, data la scarsità di letteratura disponibile in proposito.
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3.2
Obiettivi specifici del lavoro
Dopo aver studiato lo stato dell’arte di questo lavoro di tesi, sono stati definiti gli obiettivi specifici che sono stati perseguiti e gli aspetti principali su cui si è voluta focalizzare l’attenzione al fine di testare le proprietà meccaniche del tessuto a vari livelli di scala.
In primo luogo sono state svolte prove sperimentali di compressione macroscopica uniassiale in direzione trasversale e longitudinale, considerando il tessuto osseo come un materiale trasversalmente isotropo, con la direzione assiale assunta come direzione preferenziale. Lo scopo di tali test alla macroscala è duplice:
· permettere un primo raffronto generale tra le proprietà del tessuto osseo corticale analizzato in questo lavoro di tesi, proveniente da diafisi tibiali di bovino di 30 mesi e i dati reperibili in letteratura, al fine di avere dei validi confronti con lo stato dell’arte; · confrontare i risultati ottenuti alla nanoscala con i risultati dei test macroscopici, al fine
di evidenziare similitudini o differenze tra le due procedure, cercando di capire e motivare le eventuali discrepanze.
Nei test svolti alla nanoscala si è voluto mettere in luce ed evidenziare differenti aspetti che possono influire sui risultati. Essendo una tipologia di prove assolutamente innovativa, infatti, alcuni fattori d’influenza possono essere non noti o avere effetti più o meno marcati rispetto ai test di indentazione singola. I principali aspetti studiati alla nanoscala sono:
· il decadimento delle proprietà meccaniche del tessuto all’aumentare della penetrazione massima raggiunta dalle prove cicliche a carichi multipli, con bassi carichi e penetrazioni in gioco;
· l’anisotropia del tessuto e le differenze di risultati al variare della direzione di prova, considerando il tessuto trasversalmente isotropo;
· gli effetti sui risultati dei test a carichi multipli, da parte del tempo di conservazione in soluzione salina in frigorifero;
· le eventuali differenze tra risultati ottenuti da indentazioni su lamelle chiare e su lamelle scure, nel caso di provini lucidati;
· le eventuali differenze delle proprietà meccaniche rilevate tra lamelle progressivamente più lontane dal centro dell’osteone.
Inoltre si è voluto valutare alcuni aspetti relativi al set-up di prova e alle procedure sperimentali di produzione dei campioni, che possono influire sui risultati dei test a carichi multipli, tra cui i due principali sono:
· l’accuratezza delle misurazioni e la determinazione qualitativa di eventuali limiti di penetrazione massima oltre i quali si ottiene l’affidabilità delle misure;
· l’adeguatezza delle rugosità ottenute sull’intera superficie analizzata e nelle immediate vicinanze di una singola indentazione, mediante la procedura di lucidatura.
Tutti questi aspetti sono stati analizzati per porre delle basi utili per eseguire nuovi test in futuro che consentano di affinare ulteriormente i vari parametri di prova da impostare, in
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modo tale da aumentare l’affidabilità delle misure. Inoltre i risultati ottenuti permettono di evidenziare le differenze tra test alla macro e alla nanoscala in modo da riconoscere quali parametri sperimentali possono contribuire a determinarle, pur tenendo conto dei differenti meccanismi che agiscono sulle due scale di osservazione.
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