Experimental and computational investigation on the mechanical characteristics of a self-setting calcium phosphate bone cement intended for biomedical applications

Abstract

In this Ph.D. thesis a thorough characterization of a calcium phosphate bone cement is presented, that was fabricated from the mixture of pure α-TCP powder and Na2HPO4 aqueous solution and subsequently hardened through hydrolysis reaction. The conducted characterization covers five main sections: i) Detection of any occurred microstructural changes during hardening period, ii) Evaluation of the exhibited porosity, iii) Material’s mechanical testing, iv) Material’s absorbability in wet environment, v) The developed strains throughout characteristic phases of the material’s fabrication. Moreover two simulation models are implemented and presented, in order to describe the diffusion phenomenon in wet environments and the induced hygroscopic strains, respectively. Additionally a case study was also simulated in which the use of the studied bone cement in a real life application is investigated.

Στη παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται ένας ενδελεχής χαρακτηρισμός ενός οστικού τσιμέντου φωσφορικού ασβεστίου, το οποίο παρασκευάστηκε από την ανάμειξη καθαρής σκόνης α-TCP και υδατικού διαλύματος Na2HPO4 και εν συνεχεία σκληρύνθηκε με την αντίδραση της υδρόλυσης. Ο διεξαχθείς χαρακτηρισμός καλύπτει πέντε βασικούς τομείς: i) Ανίχνευση των όποιων μικροδομικών αλλαγών κατά τη διάρκεια της περιόδου σκλήρυνσης, ii) Αξιολόγηση του επιδεικνυόμενου πορώδους, iii) Μηχανική δοκιμή του υλικού, iv) Προσροφησιμότητα του υλικού σε υγρά περιβάλλοντα, v) Οι αναπτυχθείσες παραμορφώσεις σε χαρακτηριστικές φάσεις της παρασκευής του υλικού. Επιπλέον δύο μοντέλα προσομοίωσης δημιουργήθηκαν και παρουσιάζονται, με σκοπό την περιγραφή του φαινομένου της διάχυσης σε υγρά περιβάλλοντα και των επαγόμενων υγροσκοπικών παραμορφώσεων, αντίστοιχα. Επιπροσθέτως προσομοιώθηκε επίσης μια μελέτη περίπτωσης, στην οποία διερευνάται η χρήση του εξεταζόμενου οστικού τσιμέντου σε μια ρεαλιστική εφαρμογή του.