Citation:
Dejaco, A. (2011). Micro CT-based multiscale elasticity of double-porous hydroxyapatite granules for regenerative medicine [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/160957
-
Publication Type:
Thesis - Diplomarbeit
en
Language:
English
-
Date (published):
2011
-
Number of Pages:
144
-
Keywords:
Mikromechanik; Hydroxyapatit; Finite Elemente Methode
de
micromechanics; hydroxyapatite; finite element method
en
Abstract:
Kern dieser Diplomarbeit ist ein Artikel über die mikro- und nanomechanische Analyse von doppelt-porösen synthetischen Hydroxyapatit Kügelchen. Dieser wird in einen breiteren wissenschaftlichen Zusammenhang bezüglich der Wissensgebiete Tissue Engineering und Biomechanik gestellt.<br />Das erste Kapitel stellt eine Einführung in das Gebiet des Tissue Engineering von knochenähnlichen Biomaterialien dar und bietet einen kurzen Überblick über die Wichtigkeit von porösem Hydroxyapatit für die regenerative Medizin. Im zweiten Kapitel wird ein Artikel präsentiert, welcher die in den Jahren 2010-2011 erzielten Ergebnisse einer Zusammenarbeit mit Vladimir S. Komlev, Jakub Jaroszewicz, Wojciech Swieszkowski und Christian Hellmich dokumentiert. Er stellt den zentralen Teil dieser Diplomarbeit dar. In diesem Zusammenhang kann man im dritten Kapitel noch weitere Ergebnisse finden, welche nicht im Artikel selbst enthalten sind, und im vierten Kapitel werden potentielle weiterführende Forschungsthemen diskutiert. Die wichtigsten Quellcodes der Applikationen und Skripte für die Berechnungen, Transformationen und Analysen, in einer UNIX Programmierumgebung [Kernighan & Pike (1984)] zum Großteil in MATLAB geschrieben, sind im Anhang aufgelistet.<br />Die Probe des untersuchten Biomaterials ist ein nahezu kugelförmiges Körnchen mit einem ungefähren Durchmesser von 1,8 mm, bestehend aus Hydroxyapatit [Ca10(PO4)6(OH)2], dem häufigsten Isomorph des Apatits in mineralisiertem menschlichem Knochen, aus Luft gefüllten Poren und aus Rissen. Die Verwendung solcher Hydroxyapatit-Körnchen hat sich in der Disziplin des Tissue Engineering als erfolgreiche Strategie zur Behandlung von Knochendefekten in vivo erwiesen. Dies konnte in Studien an menschlichen Unterkiefern gezeigt werden. Eine essenzielle Eigenschaft eines solchen Biomaterials stellt die Porosität dar, denn diese Körnchen müssen einerseits ausreichend porösen Raum zur effektiven Vaskularogenese und Knochenneubildung beinhalten, gleichzeitig jedoch geeignete mechanische Eigenschaften, Steifigkeit und Festigkeit behalten, denn Knochen sind Organe, welche höchster mechanischer Beansprungung ausgesetzt sind.<br />Dies stellt in doppelter Weise eine Herausforderung dar und ist der Hauptgrund für die genauere Untersuchung der mikro- und nanomechanischen Charakteristiken solcher Globuli, mit dem Ziel, potentielle Optimierungsmöglichkeiten zu finden. Dazu wurden folgende Schritte unternommen: Zur digitalen Charakterisierung der räumlichen Röntgen-Abschwächungs-Verteilung wurde ein Körnchen mit bereits vorhandenen Rissen in einem Mikro-Computertomografen abgebildet, was zu Voxel-spezifischen Absorptionswerten in Form von 8-bit-Grauwerten führte. Diese Grauwerte wurden in Voxel-spezifische Nanoporositäten transformiert, um dann der Berechnung von Voxel-spezifischen (heterogenen) elastischen Eigenschaften durch Polykristallmikromechanik zu dienen. Die Relevanz dieser elastischen Eigenschaften und des Vorhandenseins von Rissen in der Größenordnung mehrerer hundert Mikrometer zur realistischen Abschätzung des lasttragenden Verhaltens der Globule unter einer typischen Zweipunkt-Last ("Spaltzug-Versuch"), wird an Hand der Ergebnisse von Finite Elemente Analysen gezeigt.<br />Zusätzlich werden diese Ergebnisse mit einer analytischen Lösung, welche eine ideale homogene Kugel mit symmetrischen Einzellasten an ihren Polen beschreibt, verglichen: unter Annahme von homogenen statt heterogenen elastischen Eigenschaften wird die Steifigkeit des Körnchens um ca 5% überschätzt (wobei die Berechnung der homogenen Eigenschaften mittels eines mikromechanischen Prozesses durchgeführt wird) - die Risse hingegen schwächen die Struktur um ein bis zwei Größenordnungen.<br />
de
This master's thesis is built around an article on the micro- and nanomechanical analysis of double-porous hydroxyapatite globules, and sets it within the broader scientific context of biomechanics and tissue engineering.<br />The first Chapter introduces the topic of tissue engineering of bone-like biomaterials and gives a brief overview on the importance of porous hydroxyapatite scaffolds for regenerative medicine. Chapter two, the core part of this thesis, consists of the aforementioned article, reporting the research results obtained in 2010/2011, in cooperation with Vladimir S. Komlev, Jakub Jaroszewicz, Wojciech Swieszkowski, and Christian Hellmich. Chapter three discusses additional results and Chapter four outlines potential further research. The appendix contains the application and script source codes used for the translations, calculations and analyses, written mainly in MATLAB, in a UNIX environment [Kernighan & Pike (1984)]. The biomaterial sample under investigation was a double-porous granule with an approximate diameter of 1800 microns of almost spherical shape, made of hydroxyapatite [Ca10(PO4)6(OH)2], which is the dominant and most abundant apatite- isomorph in human bone, and of air-filled pores and cracks. Such hydroxyapatite globules turned out to be a successful tissue engineering strategy for bone defects in vivo, as was shown in studies on human mandibles. A crucial characteristic of such a synthetic biomaterial is its aforementioned porosity, since these granules need to provide enough porous space for effective vasculogenesis and new bone formation/bone ingrowth. At the same time, they need to maintain sufficient mechanical competence in terms of stiffness and strength in this highly load-bearing organ. This double challenge was the motivation to scrutinize the micro and nanomechanical characteristics of such globules more deeply, as well as to identify possible optimization routes.<br />Therefore, to investigate its mechanical characteristics in detail, the following steps were taken: firstly, the X-ray attenuation-distribution was digitalized by imaging a (pre-cracked) hydroxyapatite granule in a microCT scanner. This led to voxel-specific attenuation values in terms of 8-bit grey-scaled numbers. The attenuation coefficients, in turn, were transformed into voxel-specific nanoporosities, which then were used to determine voxel-specific (heterogeneous) elastic properties via polycrystal micromechanics. The importance of the latter and of the presence of one to several hundreds of micrometers-sized cracks for realistically estimating the load-carrying behavior of the globule under a typical two-point compressive loading (as in a "splitting" test) is documented through results of large-scale Finite Element analyses. In addition, the Finite Element analyses' results were compared to analytical results for an ideal homogeneous sphere symmetrically loaded at its poles: Using homogeneous instead of heterogeneous elastic properties overestimates the structure's stiffness by 5% (when employing a micromechanics-based process as to attain homo- geneous properties); the cracks, in comparison, weaken the structure by one to two orders of magnitudes.
en
Additional information:
Zsfassung in dt. Sprache
-
Appears in Collections: