In this research, electrochemical methods are used to synthesize the inorganic fraction of bone, hydroxyapatite, for application in biological implants and as a calibration material for elemental analysis in human bone. Optimal conditions of electrochemically deposited uniform apatite coatings on stainless steel were investigated. Apatite is a ceramic with many different phases and compositions that have beneficial characteristics for biomedical applications. Of those phases hydroxyapatite (HA) is the most biocompatible and is the primary constituent of the inorganic material in bones. HA coatings on metals and metal alloys have the ability to bridge the growth between human tissues and implant interface, where the metal provides the strength and HA provides the needed bioactivity. The calcium apatites were electrochemically deposited using a modified simulated body fluid adjusted to pH 4-10, for 1-3 hours at varying temperature of 25-65°C while maintaining cathodic potentials of -1.0 to -1.5V. It was observed that the composition and morphology of HA coatings change during deposition by the concentration of counter ions in solution, pH, temperature, applied potential, and post-sintering. The coatings were characterized by powder x-ray diffraction, Fourier transform infrared spectroscopy, and scanning electron microscopy. The precipitated powders from the experiment were also characterized, with results showing similarities to biological apatite. There is a need for quantitative elemental analysis of calcified biological matrices such as bone and teeth; however there are no suitable calibration materials commercially available for quantitative analysis. Matrix-matched standards are electrochemically synthesized for LA-ICP-MS analysis of human bone. The synthetic bioapatite is produced via a hydrothermal electrochemical process using a simulated body fluid solution to form hydroxyapatite. Additional bioapatite standards are synthesized containing trace amounts of metals. The x-ray diffraction of the synthesized standards shows an increase in cell volume for the crystal structure from 0.534 to 0.542 nm3 with the substitution of metals into the crystal structure. The analyte concentration and recoveries for the synthesized standards and reference materials were determined by ICP-MS with % RSD below 6.3% and limits of detection below 1.2 ng/mL for trace metals. The electrochemically synthesized bioapatite was also compared to standard reference materials with X-ray diffraction, FTIR, and Raman spectroscopy. Optimum laser ablation parameters were determined for the standards and human bone. The synthesized standards were homogeneous and the reproducibility for the isotope concentrations determined by LA-ICP-MS was between 3-10 % compared to 10-35% for SRM 1486 Bone Meal and SRM 1486 Bone Ash. A quantitative method has been developed for 2D mapping using LA-ICP-MS and the matrix-matched standards of metal-doped biopaptite to characterize metal concentrations in human bone. Laser ablation parameters for the method are refined resulting in concentration (ug/g) contour map measurements for each isotope measured in the human bone. Essential and non-essential metals, Al, Ca, Cu, Fe, Pb, and Zn are quantitatively mapped using these parameters. Limit of detection for the metals in the bone range from 0.001 to 0.08 ug/g. The LA-ICP-MS analysis method developed proves to be a straightforward and simple method for quantitative analysis of human bone.

Το οστό είναι ένα βιογενές υλικό, το οποίο συνίσταται από μια ανόργανη φάση, το βιοαπατίτη (~70%) και την οργανική φάση (~30%). Η οργανική φάση αποτελείται από ίνες κολλαγόνου τύπου Ι (οι οποίες αποτελούν το 90% της ολικής πρωτεΐνης του οστού) και πολυάριθμες μη κολλαγονούχες πρωτεΐνες (οι οποίες αποτελούν το υπόλοιπο 10% της ολικής πρωτεΐνης του οστού). Το κολλαγόνο τύπου Ι είναι μια εξαιρετικά ινώδης πρωτεΐνη με σταυροδεσμούς, που προσδίδει στο οστό μηχανικές και βιοχημικές ιδιότητες. Οι κρύσταλλοι του βιοαπατίτη, ενός μη στοιχειομετρικού αναλόγου του υδροξυαπατίτη [Ca10(PO4)6(OH)2], βρίσκονται πάνω και μέσα στις ίνες του κολλαγόνου και τείνουν να είναι προσανατολισμένοι στην ίδια κατεύθυνση με αυτές. Ο όρος «ποιότητα οστού» αναφέρεται στο σύνολο των συνθετικών και αρχιτεκτονικών ιδιοτήτων του οστέινου ιστού που καθορίζουν τις ιδιότητες του υλικού και την ικανότητά του να εκτελεί μηχανικές λειτουργίες. Οι μη-επεμβατικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της Οστικής Πυκνότητας (Bone Mineral Density) παρουσιάζουν εγγενή προβλήματα, καθώς η απορρόφηση ακτίνων Χ στις οποίες βασίζονται, είναι ευαίσθητη μόνο στο ανοργανο συστατικό του οστού (βιοαπατίτη) χωρίς να λαμβάνουν υπόψη το οργανικό (κολλαγόνο τύπου Ι). Έτσι, υπάρχει η ανάγκη για ανάπτυξη νέων τεχνικών, όπως η φασματοσκοπία Raman, με την οποία μπορεί να αξιολογηθεί η ποιότητα ενός οστού χρησιμοποιώντας πληροφορίες όπως είναι η ποσότητα και το είδος των σταυροδεσμών του, ο λόγος ανόργανης προς οργανική φάση, η κρυσταλλικότητα του οστού (λόγος ανθρακικών προς φωσφορικά), κ.ά. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε λοιπόν η ποιότητα ανθρώπινων γνάθων με χρήση φασματοσκοπίας Raman. Από τα φάσματα Raman που καταγράφηκαν επελέγησαν οι κορυφές που οφείλονται στο βιοαπατίτη και στο κολλαγόνο. Χρησιμοποιήθηκαν δυο δείκτες, ο λόγος βιοαπατίτη προς κολλαγόνο (Mineral to Matrix Ratio) και ο λόγος των μη αναγώγιμων σταυροδεσμών του κολλαγόνου προς τους αναγώγιμους σταυροδεσμούς του. Στην πρώτη περίπτωση, χρησιμοποιήθηκε ο λόγος των κορυφών στους 960 cm-1 για το βιοαπατίτη και το άθροισμα των κορυφών στους 855, 875 και 920 cm-1 για το κολλαγόνο, οι οποίες αποδίδονται στα αμινοξέα προλίνη και υδροξυπρολίνη του κολλαγόνου [960 cm-1 / (855 cm-1 + 875 cm-1 + 920 cm-1)]. Στην περίπτωση του λόγου των σταυροδεσμών του κολλαγόνου, χρησιμοποιήθηκε η περιοχή του αμιδίου Ι, και συγκεκριμένα οι δονήσεις στους 1658 και 1668 cm-1 για τους μη αναγώγιμους σταυροδεσμούς και οι δονήσεις στους 1680 και 1690 cm-1 για τους αναγώγιμους σταυροδεσμούς του κολλαγόνου [(1658 cm-1 + 1668 cm-1) / (1680 cm-1 + 1690 cm-1)]. Χρησιμοποιώντας αυτούς του δείκτες κατασκευάστηκαν διαγράμματα για την εκτίμηση της ποιότητας των οστών ανά σημείο ή/και ανά περιοχή των γνάθων. Από τη μελέτη προέκυψε ότι κάθε οστό έχει διαφορετικές μηχανικές ιδιότητες οι οποίες ποικίλουν είτε από πλευρά σε πλευρά της γνάθου ή σημειακά. Οι διαφοροποιήσεις αυτές πιθανόν σχετίζονται με τις συνήθειες του ανθρώπου, όπως π.χ. η μάσηση. Επίσης, έγινε προσπάθεια σύγκρισης των αποτελεσμάτων της φασματοσκοπίας Raman με την εγκαθιδρυμένη τεχνική DEXA η οποία αποτελεί το golden standard. Οι τιμές BMD (Bone Mineral Density) που συνελλέγησαν με την DEXA, συγκρίθηκαν με τις τιμές του MMR. Παρόλο που οι δυο τεχνικές αξιολογούν διαφορετικά στοιχεία, φάνηκε ότι υπάρχει συσχέτιση αποτελεσμάτων, καθώς περιοχές υψηλής και χαμηλής οστικής πυκνότητας αντιστοιχούν σε υψηλές και χαμηλές τιμές του MMR, αντίστοιχα. Επιπλέον, μελετήθηκαν και οι μεταβολές που προκλήθηκαν στο κολλαγόνο του οστού λόγω της μη συντήρησης του υλικού. Φάσματα Raman καταγράφηκαν σε τμήμα οστού της ανθρώπινης γνάθου πριν και μετά την ενυδάτωση με ρυθμιστικό διάλυμα PBS (Phosphate Buffer Solution). Οι κορυφές της περιοχής του αμιδίου Ι, χρησιμοποιηθήκαν για τον υπολογισμό των εξής λόγων: 1660 cm-1 / 1690 cm-1, 1658 cm-1 / 1660 cm-1 και (1658 cm-1 + 1668 cm-1) / 1690 cm-1. Από τους παραπάνω λόγους, φαίνεται ότι η κορυφή στα 1658 cm-1 μπορεί να αποδοθεί στην αφυδατωμένη μορφή του κολλαγόνου. Η χρήση του ρυθμιστικού διαλύματος PBS βοηθά στη συντήρηση των οστών χωρίς να επηρεάζει τη δευτεροταγή δομή του κολλαγόνου τους. / Bone is a biogenic material which is distinguished from other forms of connective tissues by the fact that it becomes extremely hard. It consists of an inorganic phase, the bioapatite (~70%), and an organic matrix (~30%). Bone matrix is formed by type I collagen fibers (which make up 90% of the total protein of bone) and numerous non-collagenous proteins. Type I collagen is a highly cross-linked fibrillar protein which enhances the mechanical and biochemical properties of bone. On the other hand, crystals of bioapatite, a non-stoichiometric analogous of hydroxyapatite [Ca10(PO4)6(OH)2] are found on and within the collagen fibers and they tend to be oriented in the same direction as the collagen fibers. The term "bone quality" refers to the ensemble of composition and architectural properties of bone tissue that together determine its material properties and its ability to perform mechanical functions. Non invasive techniques are used to measure Bone Mineral Density (BMD) but they have the disadvantage that they emit X rays and that they are able to account just the mineral matrix of bone (bioapatite) without considering the organic which also contributes to the bone strength. These reasons reinforce the need for finding new methods as Raman spectroscopy, which may be used for the estimation of numerous indicators associated with bone strength, such as the amount and the kind of collagen fibers, the ratio of inorganic/organic phase, crystallinity, bone aging, etc. In this work, Raman spectroscopy was used for the study of the quality of human mandibles. Raman spectra were recorded and the bands attributed to bioapatite and collagen were analyzed. The ratio of bioapatite to collagen (Mineral to Matrix Ratio) and the ratio of non-reducible to reducible collagen cross-links were determined. In the first case, the Mineral to Matrix ratio (MMR) was calculated using the intensities of the bands at 960 cm-1 for bioapatite and 855 cm-1, 875 cm-1 and 920 cm-1 for proline and hydroxyproline, [I (960 cm-1 / (855 cm-1 + 875 cm-1 + 920 cm-1)], while the ratio of collagen cross-links was calculated using the amide I envelope, and specifically, using the intensities of the bands at 1658, 1668 cm-1 for non-reducible cross-links and 1680, 1690 cm-1 for reducible collagen cross-links [I (1658 cm-1 + 1668 cm-1) / (1680 cm-1 + 1690 cm-1)]. These indicators were applied for the construction of diagrams showing the changes of bone quality within the same mandible. It was shown that each bone has different mechanical properties which vary spatially. These variations are possibly related to human habits such as chewing. Comparison of Raman spectroscopy (MMR) results against dual-energy X-ray absorptiometry BMD measurements was also attempted and similarity in their trends was noticed. Finally, the Raman spectral changes induced to mandible collagen due to different storage conditions, such as dehydration, were studied. Raman spectra were recorded from a sample of an as received human mandible and after immersion in PBS (Phosphate Buffer Solution). Sub-bands of amide I envelope were used for the calculation of the ratios 1660 cm-1 / 1690 cm-1, 1658 cm-1 / 1660 cm-1 and (1658 cm-1 + 1668 cm-1) / 1690 cm-1. From these ratios it was found that the presence of the band at 1658 cm-1 was due to dehydration and that immersion in PBS solution can, at least partially, rehydrate the collagen. At the same time, no collagen cross-linking changes were observed.

Το οστό αποτελεί ένα σύνθετο υλικό, χαρακτηριζόμενο από μια πολύπλοκη ιεραρχική δομή. Συνίσταται από τρεις φάσεις, μια ανόργανη, μια οργανική και μια υδατική. Το ανόργανο μέρος του, το οποίο αντιστοιχεί περίπου σε 60-65% της κατά βάρος περιεκτικότητάς του, αποτελείται από ένα χημικό και δομικό ανάλογο του φωσφορικού άλατος υδροξυαπατίτης [Ca10(PO4)6(OH)2], το οποίο γι’ αυτό το λόγο καλείται βιοαπατίτης ή βιολογικός απατίτης. Το οργανικό μέρος αποτελεί περίπου το 30% της κ.β. περιεκτικότητάς του και κυριαρχείται από την παρουσία της πρωτεΐνης κολλαγόνο (τύπου Ι), το ποσοστό της οποίας ανέρχεται σε 90% περίπου της οργανικής φάσης. Το υπόλοιπο τμήμα αυτής καταλαμβάνεται από ένα πλήθος άλλων πρωτεϊνών, οργανικών ενώσεων και κυττάρων. Το εναπομένον 5-10% της μάζας του οστού αποτελείται από νερό. Η σύσταση του οστού και πιο συγκεκριμένα η περιεκτικότητά του σε βιοαπατίτη και κολλαγόνο (των οποίων η συνολική % κ.β. περιεκτικότητα ανέρχεται σε πάνω από 95% επί ξηρού οστού) διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στις μηχανικές ιδιότητές του, όπως είναι η αντοχή σε θραύση, η ακαμψία και η ελαστικότητα. Οι μεταβολές των μηχανικών ιδιοτήτων σχετίζονται με παθολογικές καταστάσεις των οστών κατά τις οποίες είναι πολύ πιθανή η εμφάνιση κατάγματος, όπως είναι η οστεοπόρωση –από την οποία πάσχει ένα σημαντικό μέρος του πληθυσμού– αλλά και άλλες λιγότερο συνηθισμένες παθήσεις όπως η οστεομαλακία και η ατελής οστεογένεση. Οι παραπάνω ασθένειες και κυρίως η οστεοπόρωση, διαγιγνώσκονται μέχρι σήμερα με μέτρηση της οστικής πυκνότητας (Bone Mineral Density, BMD). Η συγκεκριμένη όμως παράμετρος υστερεί στην αξιόπιστη πρόβλεψη του κινδύνου εμφάνισης καταγμάτων. Για το λόγο αυτό, η νέα προσέγγιση στο συγκεκριμένο ζήτημα απαιτεί ως διαγνωστικό εργαλείο τη γνώση παραμέτρων που σχετίζονται άμεσα με τις μηχανικές ιδιότητες, ανάγοντας έτσι και τη σύσταση των οστών ως ένα πιθανό αξιόπιστο παράγοντα εκτίμησης του κινδύνου εμφάνισης κατάγματος. Αν και η σύσταση του οστού μπορεί να υπολογιστεί με διάφορες αναλυτικές τεχνικές, η χρήση της φασματοσκοπίας Raman (RS) αποτελεί μια προσέγγιση στο συγκεκριμένο ζήτημα η οποία παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα, όπως είναι η δυνατότητα ταυτόχρονου προσδιορισμού της περιεκτικότητας σε βιοαπατίτη και κολλαγόνο, η ελάχιστη επεξεργασία του προς ανάλυση δείγματος ενώ ήδη έχουν αρχίσει να γίνονται προσπάθειες και για την ανάπτυξη μεθόδου για την in vivo ανάλυση των οστών. Λαμβάνοντας επομένως υπόψη τα σημαντικά πλεονεκτήματά της φασματοσκοπίας Raman και τη σπουδαιότητα της σύστασης στον καθορισμό της ποιότητας του οστού, επιχειρήθηκε η ανάπτυξη μεθοδολογίας για την ποσοτική ανάλυση της περιεκτικότητας των οστών σε βιοαπατίτη και κολλαγόνο με τη βοήθεια της φασματοσκοπίας Raman. Για το σκοπό αυτό, συλλέχθηκαν δείγματα βόειων οστών (από το συμπαγές και το σπογγώδες τμήμα) και αφού πραγματοποιήθηκε χημικός καθαρισμός τους από ξένες οργανικές ενώσεις (λιπίδια, μυελός, κύτταρα), ορισμένα δοκίμια χρησιμοποιήθηκαν για την απομόνωση του κολλαγόνου –κατόπιν διάλυσης του βιοαπατίτη με EDTA– ενώ κάποια άλλα δοκίμια χρησιμοποιήθηκαν για την απομόνωση του βιοαπατίτη –με διάλυση του κολλαγόνου σε υδραζίνη. Στα πλαίσια χαρακτηρισμού των δοκιμίων, μελετήθηκαν οι επιδράσεις που επάγουν η διαδικασία του χημικού καθαρισμού και το πρωτόκολλο απομόνωσης κολλαγόνου στην κρυσταλλική δομή του βιοαπατίτη. Μετρήσεις με τη βοήθεια της περίθλασης ακτίνων Χ (XRD), αποκάλυψαν ότι ενώ ο χημικός καθαρισμός δεν επηρεάζει τη δομή των δοκιμίων ωστόσο, το πρωτόκολλο απομάκρυνσης του κολλαγόνου με υδραζίνη έχει ως συνέπεια την αύξηση της κρυσταλλικότητας και του μεγέθους των κρυσταλλιτών του βιοαπατίτη σε σημαντικό βαθμό. Επιπλέον, από μελέτες με φασματοσκοπία υπερύθρου και XRD προέκυψε ότι η μεταβολή των παραπάνω παραμέτρων οφείλεται στην απομάκρυνση των ιόντων CO32- και HPO42- από τους κρυσταλλίτες του βιοαπατίτη, η οποία προκαλείται από χρήση της υδραζίνης. Μάλιστα προέκυψε ότι όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία της χρησιμοποιούμενης υδραζίνης τόσο μεγαλύτερη είναι η κινητική των μεταβολών που επάγονται στις κρυσταλλογραφικές παραμέτρους του βιοαπατίτη. Αναμιγνύοντας καθορισμένες ποσότητες βιοαπατίτη και κολλαγόνου, παρασκευάστηκαν πρότυπα μίγματα που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή ευθειών αναφοράς, για τον προσδιορισμό της σύστασης του οστού ως προς αυτά τα συστατικά. Από τα φάσματα Raman του οστού επιλέχθηκε η ν1 δόνηση των ΡΟ43- του βιοαπατίτη που εμφανίζεται ως μια κορυφή στα 960 cm-1 ως δείκτης της ποσότητάς του ενώ για το κολλαγόνο δοκιμάστηκαν δύο κορυφές, μια στα 1667 cm-1 που ανήκει στη δόνηση του αμιδίου Ι και άλλη μια στα 2941 cm-1 που αποδίδεται στην C-H2 δόνηση. Κατά την ανάλυση που ακολούθησε, χρησιμοποιήθηκαν τόσο τα ύψη όσο και τα εμβαδά κάτω από τις αντίστοιχες κορυφές. Οι λόγοι εντάσεων (εκφραζόμενές από τα ύψη ή τα εμβαδά των κορυφών) των δονήσεων 960 cm-1/1667 cm-1 και 960 cm-1/2941 cm-1 είναι ανάλογοι του λόγου περιεκτικοτήτων σε βιοαπατίτη και κολλαγόνο. Προέκυψαν επομένως τέσσερεις ευθείες αναφοράς. Από αξιολόγηση των συγκεκριμένων ευθειών αναφοράς προέκυψε ότι μεγαλύτερη ακρίβεια στον υπολογισμό του λόγου περιεκτικοτήτων βιοαπατίτη και κολλαγόνου παρουσιάζει αυτή που χρησιμοποιεί το λόγο υψών των κορυφών 960 cm-1/1667 cm-1. Επιπλέον, επιχειρήθηκε η ανάπτυξη ενός νέου μοντέλου βαθμονόμησης με τη χρήση χημειομετρικών μεθόδων και πιο συγκεκριμένα εφαρμόζοντας τον αλγόριθμο PLS, ο οποίος έχει εφαρμοστεί με σημαντική επιτυχία τα τελευταία χρόνια στην ανάλυση φασματοσκοπικών δεδομένων. Επειδή για την ανάπτυξη του νέου μοντέλου χρησιμοποιήθηκε μια μεγάλη περιοχή του φάσματος (από 366 cm-1 ως 1800 cm-1) και όχι μεμονωμένες δονήσεις, αναμένετο μεγαλύτερη ακρίβεια στον υπολογισμό της σύστασης των αγνώστων δειγμάτων. Από τους διάφορους τρόπους κατασκευής μοντέλων ποσοτικής ανάλυσης βιοαπατίτη και κολλαγόνου που αναπτύχθηκαν, αυτό που επέδειξε τα καλύτερα χαρακτηριστικά ήταν εκείνο που τα πειραματικά δεδομένα, πριν την επεξεργασία τους με τον αλγόριθμο PLS, υποβλήθηκαν στον SNV (Standard Normal Variate) μετασχηματισμό. Μετά την επιλογή των βέλτιστων για κάθε μέθοδο μοντέλων, ακολούθησε η αξιολόγησή τους με άλλες τεχνικές. Αρχικά, ποσοτικοποιήθηκε η περιεκτικότητά σε βιοαπατίτη και κολλαγόνο μεγάλου αριθμού δοκιμίων οστών, με τις παραπάνω μεθόδους που βασίζονται στη φασματοσκοπία Raman. Ακολούθως, τα ίδια οστά αναλύθηκαν με τις τεχνικές της φασματομετρίας ατομικής απορρόφησης (AAS) και της θερμοσταθμικής ανάλυσης (TGA) ως προς την περιεκτικότητά τους σε ανόργανη και οργανική φάση. Σύγκριση των αποτελεσμάτων από αυτές τις τεχνικές με τα αντίστοιχα που προέκυψαν από την ανάλυση με φασματοσκοπία Raman, κατέδειξαν μειωμένη ικανότητα πρόβλεψης της περιεκτικότητας σε βιοαπατίτη και κολλαγόνο και για τα δύο μοντέλα που είχαν αναπτυχθεί με βάση τη φασματοσκοπία Raman. Θεωρώντας ως ένα από τους λόγους αποτυχίας των παραπάνω μοντέλων ποσοτικής ανάλυσης την επιλογή της δόνησης του αμιδίου Ι στα 1667 cm-1 ως δείκτη της ποσότητας του κολλαγόνου, επιχειρήθηκε η κατασκευή ενός νέου μοντέλου ποσοτικής ανάλυσης, με την επιλογή διαφορετικών δονήσεων για την ποσοτικοποίηση του κολλαγόνου. Οι κορυφές που χρησιμοποιήθηκαν ήταν αυτές στα 855 και 878 cm-1 οι οποίες ανήκουν σε δονήσεις των αμινοξέων προλίνη και υδροξυπρολίνη αντίστοιχα ενώ, για το βιοαπατίτη χρησιμοποιήθηκε και η κορυφή στα 960 cm-1. Και πάλι αναπτύχθηκαν μοντέλα λαμβάνοντας υπόψη τα ύψη και τα εμβαδά των παραπάνω κορυφών. Τελικά, προέκυψε ότι το βέλτιστο μοντέλο ήταν αυτό στο οποίο ως δείκτης της ποσότητας του κολλαγόνου χρησιμοποιήθηκε το άθροισμα των υψών των κορυφών στα 855 και 878 cm-1. Αξιολόγηση του συγκεκριμένου μοντέλου μέσω της σύγκρισης με τα αποτελέσματα που εξήχθησαν από τις ποσοτικές αναλύσεις με την ατομική απορρόφηση και τη θερμοσταθμική ανάλυση, κατέδειξε ιδιαίτερα ικανοποιητική σύγκλιση των τιμών περιεκτικότητας σε βιοαπατίτη και κολλαγόνο από τις τρεις τεχνικές. Ως εκ’ τούτου, κατέστη δυνατή η δημιουργία ενός μοντέλου ακριβούς πρόβλεψης της σύστασης των οστών ως προς την ανόργανη και την οργανική φάση. Η εξίσωση της καμπύλης αναφοράς που προτείνεται για το σκοπό αυτό είναι η: όπου: Ηi είναι το ύψος της κορυφής του φάσματος Raman στον κυματάριθμο i και ΧΒ, ΧC οι % κ.β. περιεκτικότητες των οστών σε βιοαπατίτη και κολλαγόνο αντίστοιχα / Bone is a composite material characterized by a complicated hierarchical structure. It consists of three phases: inorganic, organic and aqueous. The inorganic is the dominant part accounting 60-65% w/w of bone and is a chemical and structural analogue of the mineral hydroxyapatite [Ca10(PO4)6(OH)2]. It is exactly for this reason that it is called bioapatite or biological apatite. The organic part constitutes about 30% of the weight of bone and its principal component is collagen (type I), which accounts for more than 90% of the weight of the organic phase. Non-collagenous proteins, lipids, cells and other organic substances are also included in the organic part of bone. The remaining 5-10% w/w of bone is water. The composition of bone and particularly the concentrations of bioapatite and collagen (which together exceed 95% w/w of dry bone) play a crucial role in its mechanical properties, including resistance to fracture, stiffness and elasticity. These properties relate to various pathological situations of bone which may cause fractures like osteoporosis –the most frequent metabolic bone disease– osteomalacia, osteogenesis imperfecta and others. For the diagnosis of the above diseases and especially of osteoporosis, measurements of BMD (Bone Mineral Density) is the gold standard. However, nowadays it is a common belief that BMD alone cannot reliably predict the risk of bone fracture. For this reason, a new approach is followed according to which the study of factors that influence the mechanical properties of bone is suggested for diagnostic purposes. Inarguably, the composition of bone appears to be a key factor for the evaluation of risk fracture. Despite the fact that composition of bone has been determined by various analytical techniques, the use of Raman spectroscopy (RS) for this purpose, has been inadequately exploited. The simultaneous analysis of inorganic and organic phase, the minimal or even none requirements for sample preparation and the promising ongoing efforts for the in vivo analysis of tissues, rendered this technique a powerful tool for the study of bones. Taking into account the important advantages of RS and the role of bone composition as a diagnostic parameter, it was attempted to develop a method, based on RS, of quantitative analysis of the composition of bioapatite and collagen in bone. A large number of bovine bone specimens (cortical and trabecular) was collected. Lipids, marrow and the non-collagenous proteins were removed by chemical methods. Some of the specimens were treated with EDTA solutions for the separation of collagen. A second batch of bone specimens was subjected to the removal of organic phase by hydrazine. Afterwards, the effect of chemical purification and of hydrazine treatment on the crystal structure of bioapatite was investigated. X-Ray Diffraction (XRD) measurements revealed that although chemical purification does not have any significant effect, hydrazine treatment induces noteworthy changes of the crystal size and crystallinity of the mineral phase. Further XRD measurements and investigation of bone specimens with infrared spectroscopy unveiled that the observed changes were temperature depended and were due to the removal of CO32- and HPO42- ions from the crystal lattice of bioapatite, caused by hydrazine. A series of standard mixtures was prepared by mixing carefully weighted amounts of the purified bone components and the corresponding calibration curves were constructed. These calibration lines could be used for the quantitative analysis of bone specimens with respect to its content in bioapatite and collagen. The peak at 960 cm-1 of the Raman spectrum of bone was selected as marker of bioapatite (ν1 vibration of ΡΟ43-¬). For collagen two peaks were tested, at 1667 cm-1 (vibration of amide I) and at 2941 cm-1 (vibration of C-H2). For these two peaks both, the height and the integrated areas were used for the construction of the respective calibration curves. Height and area ratios of 960 cm-1/1667 cm-1 and 960 cm-1/2941 cm-1 peaks are proportional to the ratio of mass fraction of bioapatite to collagen. For the models developed, the most accurate was proved to be this one that used the height ratio of 960 cm-1/1667 cm-1 peaks. For comparison reasons, new models were developed based on chemometrics and in particular by using the PLS algorithm. PLS has been proved a powerful method for the analysis of multivariate problems and during the last years there is a growing number of applications in spectroscopy. A broad region of the Raman spectrum was used from 366 cm-1 to 1800 cm-1 and various spectral filters were tested. The best results were obtained for the SNV spectral filter. Following the selection of the optimum model for each of the two different methods of calibration, they were evaluated with the results from other analytical techniques. Various bone specimens were quantified for bioapatite and collagen with the implementation of the developed models and their results were compared with the corresponding results of two other analytical techniques, Atomic Absorption Spectroscopy (AAS) and Thermogravimetric Analysis (TGA). Although analytical results showed good agreement between AAS and TGA, the consensus of the results obtained by RS and that of AAS and TGA was poor. This indicates that the developed methods based on RS were inappropriate. A possible reason for the failure of the above models, which based on RS, could be the selection of amide I vibration for the quantification of collagen. Thus, additional models were constructed using different peaks as collagen markers. The peaks at 855 and 878 cm-1 were selected, which are attributed to vibrations of the amino acids proline and hydroxyproline, respectively. For bioapatite the peak at 960 cm-1 was used. The quantitative analysis was developed using heights and integrated areas of the selected peaks. Comparison between the models showed that the best results were obtained by the model that takes into account the sum of the heights at 855 cm-1 and 878 cm-1. Comparison of this model with the results obtained from AAS and TGA showed excellent agreement with respect to the content of bone specimens in bioapatite and collagen. The calibration equation derived for this model is: where: Hi is the height of the peak at the i wavenumber of the Raman spectrum and ΧΒ, ΧC are the % mass content of bioapatite and collagen in the bone specimens respectively

Several aspects of fracture nucleation and growth in brittle porous ceramics and in thin films are investigated, through analytical, numerical modelling, and experimental validation. A mechanical experimental characterization has been developed for a porous ceramic, namely, a 3D apatite, characterised by an oriented porosity and used for biomedical applications. The ceramic is produced from wood, so that the resulting porosity evidences a multi-scale nature, a feature determining peculiar failure mechanisms and an unprecedented porosity/strength ratio. In particular, the material exhibits an exfoliation-type failure, resulting in a progressive loss in mechanical properties, occurring for compression tests parallel to the grains and for highly slender specimens. Similar cohesive-brittle behaviour is also found when the compression is applied in the direction orthogonal to the porous channels, regardless of the shape ratio of the specimen. An in-depth analysis of this response is performed by means of a phase-field model. After calibrating the model, stress-strain curves and fracturing patterns are accurately reproduced. Furthermore, the effects of multi-scale porosity on mechanical behaviour are determined. Various strategies available in the literature for evaluating the properties of porous materials are compared to the proposed phase-field approach. The results open new possibilities for the prediction and characterization of complex fracturing phenomena occurring in highly porous ceramics, so to facilitate medical applications as structural bone repair. An application of the peridynamic theory of continuum mechanics is developed to obtain a dimensional reduced formulation for the characterisation of through-thickness delamination of plates. The kinematic of the plate is carefully chosen to be composed of an absolutely continuous part and a zone where jumps in the displacements are allowed; in this way, the reduced form of the elastic bond-based peridynamic energy and the reduced Lagrangian are explicitly retrieved in a closed-form. The reduction generates a hierarchy of terms, characterizing the energy stored inside the plane element. A semi-analytical solution, obtained by means of a minimization procedure, is obtained for a test case and compared with finite element simulations. Despite the fact that the numerical model is fully three-dimensional (in other words, it is not reduced), this model leads to the same moment-curvature diagrams and nucleation/growth of the delamination surface found with the reduced formulation. Finally, the convergence of the proposed reduced model to local elastic theory at vanishing internal length is determined, so that a reduced-localized cohesive model for fracture is retrieved.