[EN] Cortical bone tissue is the responsible of giving support and structure to vertebrates. For that reason, understanding and analyzing its behavior is needed from each different hierarchical level that composes it. The lower the structural scale is, the greater the complexity and scarcity of studies in literature. These studies are relevant for understanding, preventing and solving important health problems that affect human beings. From a mechanical point of view is interesting to evaluate and apply engineering numerical tools to analyze complex materials as biological tissues, increasing the state of the art in different disciplines that can be applied in numerous fields as material science, biomechanics, numerical methods, medicine and more. In this Thesis the mechanical behavior of cortical bone at microstructural level is analyzed, with finite element models of its basic structure, the osteon. The microstructure of osteons, composed of mineralized collagen fibrils in layers with different orientations disposed concentrically around blood vessels is considered in the models for the calculation of elastic properties and failure criteria definition. For obtaining elastic properties, the use of micromechanical finite element models is considered, with heterogeneous composition for both mineralized collagen fibrils (at nanostructural level) and lamellar level (at sub-microstructural level). The failure analysis for realistic geometries is applied after comparing different models that involve, on one hand the growth of microcracks with contact conditions and on the other, degradation of elastic material properties by user subroutines of the finite element code, the latter being the one that brings better results from a computational cost viewpoint. Therefore an interesting alternative is here presented that can be used to evaluate the damage propagation at three-dimensional level, which with other methods as X-FEM can be computationally unaffordable. Composite materials failure criteria are applied to osteon analysis and the results are related with experimental tests from bibliography, showing the relevance of shear stresses between lamellae for failure initiation and propagation. In a two-dimensional study it is also shown the important role of osteocyte lacunae in the failure initiation, what is interesting from a cellular mechanotransduction approach. / [ES] El tejido óseo cortical es el encargado de dar soporte y estructura a los vertebrados. Existe por tanto una necesidad de conocer y analizar mecánicamente su comportamiento desde los distintos niveles jerárquicos que lo componen, siendo mayor la complejidad y más escasos los estudios disponibles en la literatura cuanto más pequeña es la escala estructural que se analiza. Estos estudios son relevantes para comprender, prevenir y solucionar problemas de salud importantes que afectan al ser humano. Desde el punto de vista mecánico es interesante evaluar y aplicar herramientas numéricas ingenieriles para el análisis de materiales más complejos como son los biológicos, incrementando el estado del arte en distintas disciplinas que pueden ser aplicadas en numerosos campos como la ciencia de los materiales, la biomecánica, los métodos numéricos o la medicina, entre otras. En esta Tesis se analiza el comportamiento mecánico del hueso cortical a nivel microestructural, donde se modela mediante el método de los elementos finitos su unidad básica, la osteona. Para la obtención de las propiedades elásticas se considera en los modelos la microestructura compuesta por capas de colágeno mineralizado con diferentes orientaciones, dispuestas de manera concéntrica alrededor de los canales vasculares. Se incluye además la utilización de modelos micromecánicos de elementos finitos que tienen en cuenta la composición heterogénea tanto para el nivel del fibrilo de colágeno mineralizado (nivel nanoestructural) como para el nivel de lamela (nivel sub microestructural). El análisis del fallo para geometrías realistas se aplica tras comparar varios modelos que involucran por un lado el crecimiento de grietas mediante condiciones de contacto y por otro, degradación de las propiedades elásticas del material mediante subrutinas de usuario del código de elementos finitos, siendo este último el que mejores resultados presenta desde el punto de vista del coste computacional. De esta manera se presenta una alternativa interesante que permite evaluar la propagación del daño a nivel tridimensional, lo que con otros métodos como el X-FEM puede ser computacionalmente inabordable. Se aplican criterios de fallo utilizados para materiales compuestos en ingeniería estructural a las osteonas y los resultados se relacionan con los de los ensayos experimentales disponibles en la bibliografía, mostrando la relevancia de las tensiones de cortadura entre lamelas para la iniciación y propagación del daño. En un estudio bidimensional, también se muestra la participación importante en la fase de inicio de daño de las lagunas de osteocitos lo que es interesante desde un enfoque de mecanotransducción celular. / [CAT] El teixit ossi cortical és l'encarregat de donar suport i estructura als vertebrats. Existeix per tant una necessitat de conèixer i analitzar mecànicament el seu comportament des dels diferents nivells jeràrquics que ho componen, sent major la complexitat i més escassos els estudis disponibles en la literatura com més xicoteta és l'escala estructural que s'analitza. Aquests estudis són rellevants per a comprendre, prevenir i solucionar problemes de salut importants que afecten a l'ésser humà. Des del punt de vista mecànic és interessant avaluar i aplicar eines numèriques ingenieriles per a l'anàlisi de materials més complexos com són els biològics, incrementant l'estat de l'art en diferents disciplines que poden ser aplicades en nombrosos camps com la ciència dels materials, la biomecànica, els mètodes numèrics o la medicina, entre altres. En aquesta Tesi s'analitza el comportament mecànic de l'os cortical a nivell microestructural, on es modela mitjançant el mètode dels elements finits la seua unitat bàsica, la osteona. Per a l'obtenció de les propietats elàstiques es considera en els models la microestructura composta per capes de col·làgen mineralitzat amb diferents orientacions, disposades de manera concèntrica al voltant dels canals vasculars. S'inclou a més la utilització de models micromecànics d'elements finits que tenen en compte la composició heterogènia tant per al nivell del fibril de col·làgen mineralitzat (nivell nanoestructural) com per al nivell de lamela (nivell submicroestructural). L'anàlisi de la fallada per a geometries realistes s'aplica després de comparar diversos models que involucren d'una banda el creixement de clavills mitjançant condicions de contacte i per un altre, degradació de les propietats elàstiques del material mitjançant subrutines d'usuari del codi d'elements finits, sent aquest últim el que millors resultats presenta des del punt de vista del cost computacional. D'aquesta manera es presenta una alternativa interessant que permet avaluar la propagació del dany a nivell tridimensional, la qual cosa amb altres mètodes com el X-FEM pot ser computacionalment inabordable. S'apliquen criteris de fallada utilitzats per a materials compostos en enginyeria estructural a les osteones i els resultats es relacionen amb els de els assajos experimentals disponibles en la bibliografia, mostrant la rellevància de les tensions de cisallament entre lameles per a la iniciació i propagació del dany. En un estudi bidimensional, també es mostra la participació important en la fase d'inici de dany de les llacunes d'osteòcits el que és interessant des d'un enfocament de mecanotransducción cel·lular. / Arango Villegas, C. (2016). Study of the mechanical behavior of cortical bone microstructure by the finite element method [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/67570 / TESIS

Ce travail à pour but de déterminer le mode d’acquisition des ressources carnées par les groupes d’hominidés au cours du Paléolithique inférieur en Europe. La présence du genre Homo en Europe, antérieur à l’épisode paléomagnétique de Jaramillo est attestée dans plusieurs sites archéologiques. Cette dispersion hors d’Afrique est signalée par des industries lithiques appartenant à l’horizon culturel du Préoldowayen et par des restes squelettiques affiliés au genre Homo. Cette étude est axée sur l’analyse taphonomique et archéozoologique, de trois assemblages fauniques associés à une industrie du mode 1 (Barranco León, Fuente Nueva 3, la grotte du Vallonnet) et un assemblage associé à une industrie du mode 2 (la Caune de l’Arago). Les analyses permettent de comprendre les processus de formation de ces assemblages en contexte de plein air et en grotte et d’estimer la part des agents qui sont intervenus. L’implication des Hommes est attestée dans la modification des carcasses de grands mammifères. Des ossements présentent des stries, qui impliquent que les éclats étaient bien utilisés pour prélever la chair et une fracturation caractéristique, liée à l’éclatement des os par les outils aménagés. L’analyse des assemblages osseux révèle une variabilité des systèmes d’approvisionnement en matière carnée. La comparaison de ces accumulations formées en grotte et en plein air, apportent une meilleure compréhension des comportements de subsistances et permet de proposer un aperçu de la variabilité et de la chronologie des comportements alimentaires des Hommes en Europe méridionale pendant le Pléistocène inférieur et moyen. / The purpose of this work is determinated the mode of acquisition of the meat-based resources by the groups of hominids during the lower Palaeolithic in Europe. The presence of the genus Homo in Europe previous to the paleomagnetic Jaramillo event, is attested in several archeological sites. This dispersal outside Africa is indicated by litic industry belonging to the cultural horizon of Préoldowayen and by human fossils affiliated to genus Homo. This study is centred on taphonomical and zooarcheological analysis, of three faunal assemblages associated with a mode 1 industry (Barranco León, Fuente Nueva 3, the Vallonnet cave) and an assemblage associated with a mode 2 industry (Caune de l' Arago). Analyses allow to understand the processes formation of these assemblages in open air site and in cave, and to estimate the part of the agents who intervened. The implication of human is attested in the modification of the carcasses of big mammals. Bones present cutmarks which imply that flakes were used to discard flesh and a characteristic fracturation connected to the percussion of bones by stones tools. The analysis of the bones assemblages reveals a variability of the systems of supply in meat-based subject. The comparison of theses accumulations, bring a better understanding of the subsistences behavior and allows to propose an outline of the variability and the chronology of the eating habits of the Paleolitic People in Southern Europe during Lower and Middle Pleistocene.

Long-duration spaceflight has been shown to have significant, lasting effects on the bone strength of astronauts and to contribute to age-related complications later in life. The microgravity environment of space causes a decrease in daily mechanical loading, which signals a state of disuse to bone cells. This affects the bone remodeling process, which is responsible for maintaining bone mass, causing an increase in damage and a decrease in density. This leads to bone fragility and decreases overall strength, posing a risk for fracture. However, there is little information pertaining to the timeline of bone loss and subsequent fracture risk. This study used finite element analysis to model the human femur, the bone most adversely affected by spaceflight, and to simulate the environments of Earth preflight, a six-month mission on the International Space Station, and one year on Earth postflight. Changes in the properties of cortical and trabecular bone in the femoral neck were measured from the simulations, and used to provide evidence for high fracture risk and to predict when it is most prominent. It was found that a risk for fracture is extremely evident in the femoral neck in both cortical and trabecular bone. Cortical bone in the inferior neck exhibited high magnitudes of damage, while the superior neck suffered the greatest increases in damage that proceeded to increase upon return to Earth. The density of trabecular bone decreased the most significantly and was not fully recovered in the following year. While it is still unclear exactly when these changes cause the greatest risk for fracture, it is possible that they will add to and advance the onset of medical complications such as osteoporosis. Additionally, the results of this study support the claim that the current countermeasure of inflight exercise is insufficient in sustaining bone mass and preserving skeletal health. The effects of long-duration spaceflight on bone health should continue to be investigated especially if future missions are to last as long as one to three years.

Des méthodes micromécaniques spécifiques ont été développées pour la détermination du comportement effectif de matériaux cellulaires dotés d’une architecture discrète à l’échelle microscopique. La méthode d’homogénéisation discrète a été appliquée à des structures tissées monocouches ainsi qu’à l’os trabéculaire. La topologie discrète initiale de ces milieux est remplacée à l’échelle mésoscopique par un milieu effectif anisotrope micropolaire, qui rend compte des effets d’échelles observés. Ces méthodes d’homogénéisation permettent d’accéder à des propriétés classiques et non classiques dont la mesure expérimentale est souvent difficile. Des modèles 3D ont été développé afin de décrire la rupture fragile et ductile de l’os trabéculaire, incorporant des effets de taille des surfaces d’écoulement plastique. Nous avons construit par des analyses éléments finis de la microstructure de l’os trabéculaire un milieu de substitution 3D homogène, orthotrope de type couple de contraintes, sur la base d’une équivalence en énergie. Les tissus osseux ont la capacité d’adapter leur densité locale et leur taille et forme aux stimuli mécaniques. Nous avons développé des modèles de remodelage interne et externe dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles, aux échelles cellulaire et macroscopique. Finalement, le remodelage interne anisotrope a été couplé à l’endommagement de fatigue, dans le cadre de la théorie continue de l’endommagement / A methodology based on micromechanics has been developed to determine the effective behavior of network materials endowed with a discrete architecture at the microscopic level. It relies on the discrete homogenization method, which has been applied to textile monolayers and trabecular bones. The initially discrete topology of the considered network materials results after homogenization at the mesoscopic level in anisotropic micropolar effective continuum, which proves able to capture the observed internal scale effects. Such micromechanical methods are useful to remedy the difficulty to measure the effective mechanical properties at the intermediate mesoscopic level scale. The bending and torsion responses of vertebral trabecular bone beam specimens are formulated in both static and dynamic situations, based on the Cosserat theory. 3D models have been developed for describing the multiaxial yield and brittle fracture behavior of trabecular bone, including the analysis of size-dependent non-classical plastic yield. We have constructed by FE analyses a homogeneous, orthotropic couple-stress continuum model as a substitute of the 3D periodic heterogeneous cellular solid model of vertebral trabecular bone, based on the equivalent strain energy approach. Bone tissues are able to adapt their local density and load bearing capacities as well as their size and shape to mechanical stimuli. We have developed models for combined internal and external bone remodeling in the framework of the thermodynamics of irreversible processes, at both the cellular and macroscopic levels. We lastly combined anisotropic internal remodeling with fatigue continuum damage