Πειραματική και αριθμητική διερεύνηση της επιφανειακής παραμόρφωσης σε φυσικό σπογγώδες οστό και 3Δ εκτυπωμένα αντίγραφά του για την μελέτη της οστεοπόρωσης
Authors: Τσιριγώτης Αθανάσιος 
Published: April 2024

Η παρούσα διατριβή αποτελεί μια συνεισφορά στον επιστημονικό χώρο της εμβιομηχανικής και πιο συγκεκριμένα της οστεομηχανικής. Κομμάτι του κλάδου αυτού αποτελεί η μελέτη του σπογγώδους οστού, ένα από τα δύο βασική είδη οστού που συναντώνται στους ζώντες οργανισμούς. Η ιδιαίτερη εσωτερική αρχιτεκτονική δομή που παρουσιάζει σε συνδυασμό με το φλέγον οικονομικό και ιατρικό ζήτημα της οστεοπόρωσης, την περισσότερο συνηθισμένη ασθένεια του σπογγώδους οστού, και τις μεταβολές που προκαλεί στη δομή του και κατ’ επέκταση στη μηχανική του συμπεριφορά, το καθιστά αντικείμενο έρευνας και μελέτης. Το έναυσμα για τη διατριβή δόθηκε εξαιτίας ενός ζητήματος που επικρατεί στον κλάδο της μηχανικής των οστών και αφορά δυσκολίες/περιορισμούς στο μηχανικό πείραμα της θλιπτικής καταπόνησης δοκιμίων σπογγώδους οστού και στις αλλοιώσεις που δύναται να προκληθούν στη μέτρηση των μηχανικών ιδιοτήτων (π.χ. εκτίμηση μέτρου ελαστικότητας). Ξεκινώντας από το ζήτημα αυτό, στην πορεία προέκυψαν περαιτέρω θέματα προς μελέτη, όπως τι μπορεί να προκαλεί τις μεταβολές στις μετρήσεις, γι’ αυτό και προσδιορίστηκε το πεδίο παραμορφώσεων στην επιφάνεια δοκιμίων σπογγώδους οστού κατά τη διάρκεια θλιπτικών και εφελκυστικών καταπονήσεων, μέσω οπτικής μεθόδου μέτρησης παραμορφώσεων ώστε να ελεγχθεί και η εγκυρότητα της χρήσης της ως εναλλακτικό μέσο εκτίμησης μηχανικών ιδιοτήτων καθώς και η καταγραφή υπερηχητικών σημάτων από το εσωτερικό των δοκιμίων για συσχέτιση τους με την επιφανειακή συμπεριφορά και τη μακροσκοπική διαρροή του υλικού με τη διάδοση και έναρξη μικρορωγμών.Επεκτείνοντας τη διατριβή, μελετήθηκε το ζήτημα της οστεοπόρωσης. Προσομοιώθηκαν δύο βαθμοί οστεοπόρωσης μέσω 3Δ εκτυπωμένων τεχνητών αντιγράφων φυσικών δοκιμίων σπογγώδους οστού. Στόχος ήταν η καταγραφή της μεταβολής των μηχανικών ιδιοτήτων του σπογγώδους οστού λόγω απώλειας ιστού και κατά πόσον εξαρτάται η μηχανική συμπεριφορά του από το υλικό του ιστού ή από την εσωτερική του δομή. Ολοκληρώνοντας τη διατριβή, πραγματοποιήθηκαν αριθμητικές αναλύσεις των αντίστοιχων μηχανικών πειραμάτων θλιπτικής καταπόνησης στα ψηφιακά μοντέλα των φυσικών δοκιμίων σπογγώδους οστού. Σκοπός ήταν η περαιτέρω διερεύνηση της κατανομής πεδίου επιφανειακών παραμορφώσεων και η μελέτη των μορφών καταπόνησης των στοιχείων (προσομοίωση δοκίδων) για τη σύγκριση και επαλήθευση των δεδομένων των αρχικών μηχανικών πειραμάτων και των αιτιών αλλοίωσης των μηχανικών ιδιοτήτων. Παράλληλοι στόχοι ήταν η επιβεβαίωση των υπολογιστικών αναλύσεων μέσω της ΑΕ με τη μέτρηση του ποσοστού των στοιχείων που ξεπερνούν το όριο διαρροής καθώς και η σύγκριση των αποτελεσμάτων των αριθμητικών προσομοιώσεων με τα αντίστοιχα ευρήματα της οπτικής μεθόδου προσδιορισμού επιφανειακών παραμορφώσεων ώστε να ελεγχθεί η εγκυρότητας της τεχνικής αυτής ως μέσο υπολογισμού μηχανικών ιδιοτήτων. Τα αποτελέσματα της διατριβής συμβάλλουν στην επέκταση του γνωστικού ορίζοντα σχετικά με την καταπόνηση των δοκίδων (βασική μονάδα του σπογγώδους οστού) και στη φύση και κατανομή των βαθμίδων παραμόρφωσης στην επιφάνεια με παράλληλη αντιστοίχησή τους με τη μηχανική συμπεριφορά δοκιμίων σπογγώδους οστού.