Zlomenina biologických materiálů - Fracture of biological materials - Wikipedia

Zlomenina biologických materiálů se mohou objevit v biologických tkáních tvořících muskuloskeletální systém, běžně nazývaných ortopedické tkáně: kost, chrupavka, vazy, a šlachy. Kosti a chrupavka jako nosné biologické materiály jsou zajímavé jak pro lékařské, tak pro akademické prostředí pro jejich sklon ke zlomeninám. Například velkým problémem v oblasti zdraví je prevence zlomenin kostí u stárnoucí populace, zejména proto, že riziko zlomenin se stárnutím zvyšuje desetkrát.^[1] Může přispět k poškození a zlomenině chrupavky artróza, onemocnění kloubů, které má za následek ztuhlost kloubů a snížený rozsah pohybu.

Biologické materiály, zejména ortopedické materiály, mají specifické materiálové vlastnosti, které jim umožňují odolávat poškození a zlomeninám po delší dobu. Akutní poškození nebo trvalé opotřebení po celou dobu používání může nicméně přispět k rozpadu biologických materiálů. Studium kostí a chrupavek může motivovat návrh pružných syntetických materiálů, které by mohly pomoci při náhradách kloubů. Podobně i studium zlomenina polymeru a zlomenina měkkého materiálu může pomoci pochopit zlomeninu biologického materiálu.

Analýza lomu v biologických materiálech je komplikována mnoha faktory, jako je anizotropie, podmínky komplexního zatížení a biologická remodelační odpověď a zánětlivá odpověď.

Zlomenina kosti

Z lékařského hlediska viz zlomenina kosti.

Zlomenina kosti může nastat v důsledku akutního poranění (monotónní zátěž) nebo únavy (cyklická zátěž). Kost obecně vydrží fyziologické podmínky zatížení, ale stárnutí a nemoci, jako je osteoporóza, které ji ohrožují hierarchická struktura kosti může přispět k poškození kostí. Kromě toho je analýza zlomeniny kostí komplikována reakcí remodelace kostí, kde existuje konkurence mezi akumulací mikrotrhlin a rychlostí remodelace. Pokud je rychlost remodelace pomalejší než rychlost akumulace mikrotrhlin, může dojít ke zlomenině kosti.

Dále záleží na orientaci a umístění trhliny, protože kost je anizotropní.^[2]

Charakterizace kostí

Hierarchická struktura kosti jí poskytuje houževnatost, schopnost odolat iniciaci trhlin, šíření a lomu, stejně jako pevnost, odolnost proti nepružné deformaci.^[3] Včasná analýza vlastností kostního materiálu, konkrétně odolnosti proti růstu trhlin, se soustředila na získání jediné hodnoty pro kritický faktor intenzity stresu, ${ displaystyle K_ {c}}$a rychlost uvolňování kritické deformační energie, ${ displaystyle G_ {c}}$. I když tato metoda přinesla důležité poznatky o chování kostí, neposkytla informace o šíření trhlin jako křivka odporu.^[4]

Křivka odporu síly protažení trhliny versus prodloužení trhliny pro křehký a tvárný materiál, zobrazeno ${ displaystyle G_ {c}}$, rychlost uvolňování energie kritického napětí.

The křivka odporu (R-křivka) se používá ke studiu šíření trhlin a vývoje houževnatosti materiálu vynesením síly protažení trhliny proti prodloužení trhliny. V literatuře o kostech se říká, že křivka R charakterizuje chování „lomové houževnatosti“, ale tento termín není v technické literatuře upřednostňován a místo toho se používá termín „odolnost proti praskání“. Tento termín se používá k zdůraznění chování materiálu při změně délky trhliny.^[5] Přístup R-křivky lineární elastické lomové mechaniky umožnil vědcům získat přehled o dvou konkurenčních mechanismech, které přispívají k houževnatosti kostí. Bone zobrazuje stoupající R-křivku, která svědčí o houževnatosti materiálu a stabilním šíření trhlin.^[5]

Existují dva typy mechanismů, které mohou bránit šíření trhlin a přispívat k houževnatosti, vnitřní a vnější mechanismy. Vnitřní mechanismy vytvářejí odpor před trhlinou a vnější mechanismy vytvářejí odpor za hrotem trhliny v brázdě trhliny. O vnějších mechanismech se říká, že přispívají ke stínění špičky trhliny, což snižuje lokální intenzitu napětí, které trhlina prochází. Důležitým rozdílem je, že vnitřní mechanismy mohou bránit iniciaci a šíření trhlin, zatímco vnější mechanismy mohou pouze bránit šíření trhlin.^[3]

Vnitřní mechanismy

Vnitřní mechanismy zpevňování nejsou tak dobře definovány jako vnější mechanismy, protože fungují v menším rozsahu délky než vnější mechanismy (obvykle ~ 1 μm). Plastickost je obvykle spojena s „měkkými“ materiály, jako jsou polymery a chrupavka, ale u kostí dochází také k plastické deformaci. Jedním z příkladů vnějšího mechanismu jsou fibrily (délková stupnice ~ 10 nm), které se k sobě posouvají, roztahují, deformují a / nebo lámou. Tento pohyb fibril způsobuje plastickou deformaci vedoucí k otupení špičky trhliny.

Vnější mechanismy

Vnější mechanismy přispívající k odolnosti vůči zlomeninám v kortikální kosti přemostěním trhlin a odklonem trhlin. Převzato od Zimmermann et al.^[6] zobrazování A přemostění trhlin kolagenovými vlákny, B - přemostění trhlin neprasknutými vazy a - C průhyb trhliny osteony.

Mechanismy vnějšího zpevnění jsou lépe objasněny než vnitřní mechanismy. Zatímco měřítko délky vnitřních mechanismů je v nanometrech, měřítko délky vnějších mechanismů je v měřítku mikron / mikrometr. Snímky kostí skenovací elektronovou mikroskopií (SEM) umožnily zobrazování vnějších mechanismů, jako je přemostění trhlin (kolagenovými vlákny nebo netrhlinovými „vazy“), vychýlení trhlin a mikrotrhliny. Přemostění trhlin pomocí neprasklých vazů a vychýlení trhlin jsou hlavními přispěvateli ke krytí trhlin, zatímco přemostění trhlin kolagenovými vlákny a mikrotrhlinami jsou malými přispěvateli ke krytí trhlin.^[7]

Přemostění trhlin

Vnější mechanismus přemostění trhlin je, když se materiál rozprostírá v trhlině za probuzením a snižuje faktor intenzity napětí. Intenzita stresu na špičce trhliny, ${ displaystyle K_ {tip}}$, je snížena intenzitou stresu přemostění, ${ displaystyle K_ {br}}$.

${ displaystyle K_ {tip} = K_ {app} -K_ {br}}$

kde ${ displaystyle K_ {aplikace}}$je aplikovaný faktor intenzity stresu.

Přemostění trhlin může nastat dvěma mechanismy různých délkových měřítek.

• Přemostění trhlin kolagenovými vlákny

Crack přemostění Kolagen typu I. vlákna, jinak známá jako přemostění kolagen-fibril, je v menší délce než přemostění nesledovaného vazu. Struktura kolagenu je sama o sobě hierarchická, sestává ze tří alfa řetězců zabalených dohromady za vzniku pro-kolagenu, který prochází zpracováním a sestavuje se do fibril a vláken. Průměr molekuly kolagenu je přibližně 1,5 nanometru,^[8] a kolagenové vlákno je přibližně 10krát větší než průměr kolagenu (~ 10 nm).^[3]

Proces přemostění trhlin je analogický se způsobem, jakým polymery procházejí šílenství. Polymery se plasticky deformují díky šíření, kde molekulární řetězce přemosťují trhlinu a snižují intenzitu napětí na špičce trhliny. Stejně jako Dugdale model se používá k předpovědi faktoru intenzity stresu během šíření, lze model Dugdaleovy zóny s jednotnou trakcí použít k odhadu snížení faktoru intenzity stresu v důsledku přemostění trhlin, ${ displaystyle K_ {b} ^ {f}}$.

${ displaystyle K_ {b} ^ {f} = 2 sigma _ {b} f_ {f} { bigg (} { sqrt { frac {2l_ {f}} { pi}}} { bigg) }}$

kde normální přemosťující napětí na vláknech je označeno ${ displaystyle sigma _ {b}}$, je efektivní plošný podíl kolagenových vláken označen ${ displaystyle f_ {f}}$, a délka přemosťovací zóny je označena ${ displaystyle l_ {f}}$.

• Nepraskané přemostění vazu

Poznámka: Vazba odkazuje na vzhled vnějšího mechanismu při zobrazování, nikoli na ortopedický vaz.

Nepřasknuté vazové můstky jsou jedním z největších přispěvatelů k ochraně proti prasklinám, protože „vazy“ jsou v rozsahu stovek mikrometrů^[4] na rozdíl od desítek nanometrů. Tvorba těchto vazů se připisuje nerovnoměrnému postupu čela trhliny nebo několika mikrotrhlinám, které jsou částečně spojeny dohromady a vytvářejí můstky z nepraskaného materiálu.

Průhyb trhliny

Průhyb trhliny a zkroucení nastává kvůli osteony, strukturální jednotka kortikální kosti. Osteony mají válcovitou strukturu a mají průměr přibližně 0,2 mm. Jakmile špička trhliny dosáhne osteonu, šíření trhliny je vychýleno podél bočního povrchu osteonu zpomalujícího růst trhliny. Protože jsou osteony většího rozsahu než kolagenová vlákna a nepraskané „vazy“, je průhyb trhliny prostřednictvím osteonů jedním z hlavních mechanismů tvrzení kostí.

Schéma šíření trhlin v kortikální kosti, když dojde k mikrotrhnutí. Převzato z Vashishth et al.^[9] A Tvorba mikrotrhlin před špičkou trhliny B Crack zrychluje na neprasknutý materiál před zónou mikrotrhlin (fáze I) C Růst trhlin se zpomaluje, jak se mikrotrhliny stále tvoří (fáze II) D Pokračování růstu trhlin (fáze I)

Mikrotrhlina

Jak název napovídá, mikropraskání je tvorba trhlin v mikronové škále různých orientací a velikostí. Tvorba mikrotrhlin před a v důsledku špičky trhliny může zpomalit šíření trhliny. Protože kost často remodeluje jak trabekulární, tak kortikální strukturu, aby se optimalizovala pevnost v podélném směru, tvorba mikrotrhlin v lidské kosti se také vytváří podélně. Toto směrování v lidské kosti kontrastuje s náhodnější orientací v bovinní kosti a u lidí poskytuje podélnou kostní houževnatost.^[10]

Stejně jako u ostatních mechanismů stínění trhlin lze křivku odporu (křivku R) použít ke studiu odolnosti kortikální kosti (trabekulární kost je před experimenty odstraněna) a zlomena. Vashishth a kolegové navrhli obecně přijímaný model šíření trhlin při tvorbě mikrotrhlin.^[10] Studovali rychlost šíření trhliny, jak trhlina rostla, a identifikovali dva stupně růstu trhliny, které se při postupu trhliny střídají

• Fáze I: Jakmile je vzorek načten, vytvoří se čelní procesní zóna, což je zóna mikrotrhlin před špičkou hlavní trhliny. Trhlina zrychluje touto zónou, dokud není špička trhliny před vytvořenými mikrotrhlinami. Šíření trhlin se zpomaluje, když je hrot trhliny před zónou mikrotrhlin, kde oblast mikrotrhlin vyvíjí tlakové napětí na špičku trhliny.^[4]

• Fáze II: Mikrotrhliny se nadále tvoří kolem a před špičkou trhliny, zatímco trhlina pomalu postupuje. Když se vytvoří dostatek mikrotrhlin, trhlina se vrátí zpět do fáze I.

Zlomenina chrupavky

Studovat chrupavka poškození a zlomenina z mechanického hlediska mohou lékařům poskytnout pohled na léčbu nemocí postihujících chrupavku. Chrupavka je velmi složitý materiál s hloubkovou variací biologických vlastností, což vede k rozdílům v mechanických vlastnostech. Chrupavka dále přispívá k vysokému obsahu vody a obsahu kolagenu poroelastický a viskoelastický účinky.

Experimentálně lze provést nárazové testy vzorků chrupavky, které simulují fyziologický náraz s vysokou intenzitou. Běžným typem experimentů jsou zkoušky pádové věže, kyvadlové zkoušky a pružinové systémy.^[11] Tyto nárazové testy slouží ke zjednodušení způsobu, jakým je materiál analyzován z poroelastického na elastický, protože při krátkodobých nárazech s vysokou rychlostí tekutina nemá čas vytéct ze vzorku chrupavky.

Viz také

• Zlomenina měkkých materiálů
• Zlomenina v polymerech
• Křivka odolnosti proti praskání
• Kost
• Chrupavka

Reference