הבנת ההתנהגות האנסוטרופית של עצמות קוריטי תחת עומס

שם מקור: Cortical Bone as a Structural material

(FLT:0CorticalעצמותFLT:1) – הקליפה החיצונית הצפופה של כל העצמות הארוכות, עצמות שטוחות ואפילו גופים ⁇ - הוא רקמת העומס העיקרית של הגוף.בניגוד ל ⁇ , עצם דמוי-מדומה דמוי-מדומה שנמצאת בפנים, עצם קורטי הוא קומפקטי, עם נקבוביות של רק 5–10%.

הבנת התנהגות זו אינה רק פעילות אקדמית.זה מבסס את הכל מאסטרטגיות למניעת שברים לתכנון של שתלים ירכיים וברך, מברגים אורתופדיים, ואפילו ציוד בטוח ספורט. מאמר זה חוקר את האופי האנסוטרופי של עצם קורטי, השורשים מבניים של אנזוטרופיה זו, כיצד היא מתנהגת תחת תנאי טעינה שונים, ואת ההשלכות העמוקות של הנדסה ורפואה.

מה זה Anisotropy in Bone?

בחומרים מדע, (FLT:0)anisotropyphal1 (מתואר אחר: 1), מאפיין משתנה עם כיוון.חומר הוא איזוטרופי אם התכונות המכאניות שלו (למשל, נוקשות, כוח, פשטות) זהים בכל אוריינטציה - חשיבה על מאגר של מים או על עצם מתכת ממוזג היטב, אך הוא ייחודי אנטרופיה, בהתאם לחוזקה בינונית (עבורת), או לגוון מתכתי, תלוי במידת הצורך, או בכבדות גבוהה, בהתאם לחוזקה, או לגוון ארוך (עבורה), או ליתר דיוק, או לגוון מתכתי, או לגוון מתכתי, תלוי במידת הצורך, או בכבדות גבוהה, תלוי במידת הצורך, או בכבדות גבוהה יותר, תלוי במידת הצורך, או בכבדות גבוהה יותר, או בכבדות גבוהה (או בכבדות גבוהה, או בכבדות גבוהה, או בכבדות גבוהה, בהתאם לגוון מתכתי, או בכבדות גבוהה, תלוי במידת הצורך, או בכבדות גבוהה יותר, בהתאם לגוון מתכתי, או בכבדות גבוהה, בהתאם לגוון מתכתי, בהתאם לגוון מתכתי, בהתאם לגוון מתכתי, בהתאם לגוון מתכתי, תלוי במידת הצורך, או בכבדות גבוהה (

לדוגמה, עצם קורטית אנושית היא בערך 30–50% נוקשה יותר ו 50–100% חזק יותר כאשר טעון זמן רב יותר מאשר כאשר טעון הפוך. התלות כיוון זו אינה פגומה; זהו אופטימיזציה אבולוציונית.הגופיים שלנו חווים את רוב העומסים היומיומיים - הליכה, ריצה, הרמת - ליד ציר ארוך שלהם.

תואר של anisotropy הוא כפיה היחס של longitudinal לנכסים transverse. עבור עצם קוטורי, יחס זה בדרך כלל נע בין 1.5 ל 3.0 בהתאם למינים, אתר אנטומי, גיל ומצב בריאות. זה וריאציות כיוון הוא קיצוני יותר מאשר ברוב המפרקים המונדסים, מה שהופך אתגר ייחודי עבור מודלים חומריים.

הצצה ל- Anisotropic Behavior

ההתנהגות האנזוטרופית של עצם קורטי מקורה בארכיטקטורה ההיררכית שלה, המשתרעת מהרמה המולקולרית לצורה המקרוסקופית של העצם.

המונחים:

ב nanoscale, העצם הוא מורכב מסוג I collagen fibrils התחזק עם גבישים מינרלים הידרוקסיאפטיים דמוי צלחת. fibrils עצמם מסודרים במערךים מקבילים הנקראים סיבים.בעצם קוטוריקטית, סיבי קולגן אלה הם בעיקר מקיפים לאורך ציר ארוך של העצם (כיוון osteonal).

מינרל קריסטל Alignment

בעוד קולגן מספק קשיחות עשרות, שלב מינרלים ( הידרוקסיפטיטיס פחמן) מספק התנגדות דחיסה.ה גבישים הם בצורת צלחת, בערך 2-5 nm עבה ו 20-50 nm ארוך, ואת c-axes שלהם הם תואמים עם ציר ארוך קולגן. זה גבישי הוא מקור נוסף של anisropy: שלב מינרלים עצמו יש כיוון מוכוון תכונות אלקטרו-סימיות רגיל, תחת עומסים סטנדרטיים.

מערכות אוסטאונים

ברמה מיקרוסקופית, העצם הקורטקטי מאורגנת לתוך lamellae concentric סביב תעלות מרכזי (חומרים נוסטלים), להרכיב מבנים צילינליים הנקראים FLT:0osteonsigsFLT:1 (או מערכות נוסטליניות) לרוץ בערך במקביל צירי העצם הארוך של אוסטאוסטאוסטרציה.

בנוסף, הנפיחות של עצם קוטורי – בעיקר תעלות הישבן והוולקמן – יוצרת העלמות לחץ מקומיות.כיוון התעלה הוא גם ארוך-טווח, כך שהנפיחות תורמת פחות להשפלה של תכונות מכניות לאורך ציר העצם מאשר מעברו.

מיקרודמאז' ושיפוץ

עצם קורית אינה חומר סטטי; היא כל הזמן מסתגלת באמצעות עיצוב מחדש.מיקרו-קלקס נוטה ליצור עומס מועדף בכיוונים שהם טעון ביותר - ארוך מדיי, המיקרו-קליפים הללו ממוקדים אז על ידי osteoclasts ועומסי אוסטאוסטאובסטוסט, אשר תיקון הנזק ועלולים אמיתי קולגן סיבי כדי לענות על דרישות מכניות טובות יותר, ולכן זה מאמת את הניגודיות או יותר, גורם פחות ניגודיות (אוטרופיות).

התנהגות מכנית תחת מצבי טעינה שונים

התלות הרצינית של עצם קורטי משתרעת על כל מצבי הטעינה הבסיסיים: מתח, דחיסה, התכווצות, הרהר והצנוע.כל מצב מגלה היבט אחר של אנזוטרופיה.

Tension

במתח, דגימות ארוכות של עצם קוטורי בדרך כלל נכשלים בלחצים של 120-150 MPa, עם מודולואל של 17-20 GPa. Transverse Tenile כוח הוא רק 40-60 MPa, עם מודולים של 8-1221a. משטח השבב במתח ארוך טווח מראה לעתים קרובות גס, פיברוס כי סיבי הקולגן הם נמשכים בנפרד.

(ב) ⁇ :0Key Takeaway: FLT:1 , העצם קורית היא הרבה יותר עמיד לעומסים ברייליים לאורך צירו הארוך מאשר מעברו - עיצוב שמתאים עצמות ארוכות, אשר בעיקר טעון במתח ארוך טווח במהלך הכתף.

דיכוי

תכונות מדכאות הן גם אנאיזוטרופיות, אם כי ההבדלים פחות קיצוניים מאשר במתח. טווחי כוח דחיסה ארוכים מ-170-230 MPa (בהתאם לאתר ולמינים), עם מודלוס של 18-22 GPa. דחיסה טרנסנדנדנטלית היא בערך 130-170 MPa, עם מודולים של 10-14 GPa.תחת, מציג נטייה לפתח להקות חלשות על פני 30-75.

אנזוטרופיה קוממדנית חשובה במיוחד עבור גופים תקינים והראש התורני, שבו מתרחשים כוחות דחוסים גדולים לאורך ציר העצם.

עקבו אחרי

בנדינג יוצר שילוב של מתח ודחיסה על צדי העצם המנוגדים של העצם.האמצעי של העצם האקטקטית כי הציר נייטרלי עשוי להשתנות בהתאם לנטייה של העצם ביחס למטוס המתנשא.בשלוש נקודות של סעיף מוסרי, בדרך כלל נכשל מתחיל בצד ה- Tenile, ואת הסדקים propagates הפוך לפני שהופך ארוך-aural ישירות על ידי הכיוון המושפע של השבר.

Shear ו-Torsion

כוח ומודולוס הם גם אנזוטרופי.תחת הרהר טהור, הנטייה של אוסטאונים ביחס למטוס הרהר משפיע באופן ביקורתי על כישלון. in torsion, מתח של Shear ארוך טווח מתפתח לאורך ציר העצם, ואת השברים לעתים קרובות ספירל סביב הפיר (השבר הקלאסי "סספירל") מצב זה הוא רגיש במיוחד ל anisotropy של הרקמות: הנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנדנטות לאורך הפיראטים לאורך הפיראטים לאורך הפיראטים לאורך הפיראטים לאורך הפיראטים לאורך הפיראטים לאורך הפיראט

גורמים שמשתנים Anisotropy

לא כל עצם הקורטקטי מתנהגת זהה. גורמים ביולוגיים וגופניים משפיעים על התואר והטבע של אנזוטרופיה.

גיל ומחלות

עם ההזדקנות, שינויים חודרים התנגשות, צפיפות מינרלים עולה, ומודל מחדש להאטים.שינויים אלה יכולים לשנות anisotropy. in אוסטאופורוזיס, אובדן מסת העצם ושיבוש של אדריכלות טרבקית עשוי להשפיע גם על איכות העצם הקורטיאלית, אבל מחקרים מראים כי aisotropy של העצם הקורטי הנותרים עשוי להימשך או אפילו עלייה בשל אובדן שלילי של מחלה בכיוון הפוך, כי הם מחלה פגומים באופן דרמטי, כי הם עלולים פגומים (אוסטי), כי הם מחלה פגומים).

מיקום אנטומי

האנזוטרופיה של העצם הקורטקטית אינה אחידה על פני השלד.עצמות ארוכות (פחד, tibia, חומוס), anisotropy הוא בולט בשל המבנה האוסטיאונאלי היישר ביותר. בתוך עצמות שטוחות (skull, pelvis), שבו העומסים באים מכיוונים מרובים, העצם הקורטקטי הוא פחות אנטרופי - זה היה יותר מוכוון עם סיבית רגילה, אפילו קצת יותר, כי יש לופוזה רגילה, אפילו קצת יותר, אפילו יותר, כי יש לו רקמות, אפילו יותר, כי יש לו רקמות של התנהגות מעט יותר מטושטשת אחת, כי הוא מעט יותר חשוף, כי הוא קצת יותר חשוף, אפילו יותר מטושטשת, כי הוא קצת יותר מטושטשת, אפילו יותר, אפילו יותר חשוף, אפילו יותר.

הידרציה וטמפרטורות

העצם טרי, מיובש מתנהג אחרת מאשר עצם יבש או מאומת. הידרציה מגבירה את הקשודות ולהפחית את Modulus, אבל זה גם משפיע על anisotropy.עצמות יבש יש מודולולוס גבוה יותר וכוח בכל הכיוונים אבל הופך יותר מלוטש, אשר מפחית את ההבדלים anisotropic יחסית.בדיקת תנאים (טמפרטורה, לחץ) גם השפעה; רלוונטיות פיזיולוגית מושגת היא הטובה ביותר על ידי בדיקות גוף ממות.

Measuring Anisotropy: Advanced Techniques

המאפיינים את התכונות aisotropic של העצם הקורטקטי דורש שיטות מיוחדות המדגם את הרקמות בקנה מידה שונים.

בדיקות מכניות

מתח לא-פוליטי מסורתי, דחיסה, ובדיקות מכווצות על דגימות מוכווני נשאר תקן הזהב.עם זאת, בדיקות אלה דורשות דגימות ממותק בזהירות מכיוונים אנטומיים ספציפיים, והם הורסים את הרקמה.התוצאות מספקות פרמטרים אנטרופיים גדולים (מודלים סטטיסטיים, כוח, יחסו של פומפסון).

שיטות אולטרה-סאונד ואקוגניות

velocimetry יכול למדוד קבועים גמישים לא להרוס על ידי שליחת גלי קול דרך העצם באוריינטציות ידועות. כי מהירות הקול בחומר קשורה למודולוס האלסטי שלה, טכניקה זו מניבה את הנוקשות המלאה של נוקשות אלסטית.זה מהיר יותר מאשר בדיקות מכניות וניתן לבצע על עצמות מעוקלות או בלתי סדירות.

מיקרו-CT ו- Digital Image Correlation

מיקרו-קו-קומפוציה גבוהה של טומוגרפיה (מיקרו-CT) יכול לדמיין את הכיוון התלת-ממדי של אוסטאונים ופודוזיות.כאשר בשילוב עם מתאם תמונה דיגיטלית (DIC) במהלך טעינה מכנית, החוקרים יכולים למפות שדות זנים מקומיים ולתאם אותם עם המיקרו הבסיסי.זה מגלה כיצד anisotropy מופיעה מתוך הסדר של אוסטאוסטנס וקווי מלט.

נבינודן

ננוינטדט משתמשת טיפ חד מאוד לעשות התנגשויות רק micrometers עמוק, המאפשר מדידה של מודולים גמישים מקומיים קשיחות. על ידי ביצוע סטיות בכיוונים שונים בתוך lamellae יחיד, anisotropy ברמת הרקמות (רמהlamellar) יכול להיות הקוונטי.טכניקה זו אישרה כי lame בודדים עצמם הם verse הוא טרופי, לתרום את העצם או נפח של העצם הכולל.

השלכות קליניות והנדסת הנדסה

ההתנהגות האנזוטרופית של עצם קורטקטי היא לא רק תופעה מדעת חומרית מרתקת – יש לה השלכות ישירות על האופן שבו אנו מטפלים בשברים, שתלים עיצוביים וחיזוי סיכון לפציעה.

תיקון וזיהומים

שתלים אורתופדיים - לוחות, ברגים, ציפורניים תוך-טרמדריות - חייבים לעבוד בקונצרט עם העצם האנסוטרופית.לדוגמה, בורג טורי מבוסס על מעורבות חוט העצם בשני הכיוונים ארוכי טווח ו transverse.כוח של העצם נוקשה סביב חוטי הבורג הוא אנטרופי; ברגים ממוקמים perpendicular to the osteonal עשוי להיות כוח חלש יותר של עצם (astrotropicic) באופן דומה לחץ על גבי מתכתי (astricial) באופן עצמאי).

עיצוב אסתטי

החלפת הירכיים והברך מסתמכים על העצם הקורטקטיבית המקיפה של יציבות.המשטחים של הפרוזה אינטראקציה עם העצם בכיוונים שונים; הבנה של אנזוטרופיה עוזרת למהנדסים לעצב גזעים שמעבירים יותר אחידים ל ⁇ , צמצום הסיכון של שבר periprosthetic. כמה עיצובים חדשים יותר משלבים ציפויים מעודדים עצם לאורך אוריינטציה מועדפת, שיפור ההחלמה.

תחזית סיכון לחיזוי סיכונים

כלים קליניים רבים הנוכחיים (למשל, FRAX, DXA) מעריכים סיכון שבור המבוסס רק על צפיפות מינרלים העצם (BMD) בעוד BMD מתאם עם כוח העצם הכולל, זה לא לוכד את aisotropy. שני אנשים עם BMD זהה יכול להיות בסיכון שבר שונה מאוד כי אחד יש מאוד מוכוון (sotropic) העצם יש יותר הוא טרופי, שילוב העצם של אולטרסאונד ב חיזוי היקפי גבוה של דלקת ריאות (pipopopopto-pic) במיוחד).

רפואה ספורט ושיקום

החלטות החזרה למשחק לאחר שברים מתח תלויים בידיעה את יכולת הטעינה כיוון של העצם הריפוי.שבר הלחץ tibial מושפע על ידי העומס האקביי החוזר של ריצה; ההבנה כי העצם הוא חזק ביותר באופן מתמשך מצביע על כך שההפחתת ההדרגה הדרגתית של טעינה צירית (במקום טרנסנדנדנדנדנדנדנד או שלילי) עשויה להיות בטוחה יותר, פרוטוקולי שיקום לאחר גולגולת אחורית ( ⁇ ) של כוח ⁇ ).

מודל Anisotropy בניתוח יסודות

כדי לדמות את התנהגות העצם בסביבות בדיקה וירטואליות - כגון עיצוב של שתלים או חיזוי של שבר - חוקרים משתמשים בדגמי יסוד סופי (FE) מודלים מוקדמים התייחסו העצם כחומר איזוטרופי הומוגני, פשטות אשר לעתים קרובות הובילה לחיזויים לא מדויקים.מודלים מודרניים הקשורים ל-FE ספציפי לדגמי חומרים ספציפיים FE להקצות אותאוטרופיים תכונות המבוססות על צפיפות העצם מקומית וכיוון של רשת osteonal.

גישה נפוצה אחת משתמשת CT כמותית (qCT) כדי למפות צפיפות, ולאחר מכן חל על יחסים אמפיריים כדי להפיק נוקשות coefficients כפונקציה של צפיפות ומרק (מדד של anisotropy) את המרקם עשרות אומדן מהתפלגות הכיוון של ארכיטקטורת הטראביק או, עבור עצם קורטי, מן הכיוון האוסטיראנל גלוי ב- CT.

אתגרים

למרות ההתקדמות, מודלים של אנטרופיה קוטוריית עדיין מאתגרת.מערכות היחסים של הבד הן לא אוניברסליות; הן שונות על ידי עצם, מצב מחלה, ואפילו בתוך אותה העצם.בנוסף, הנתונים הניסוייים של Shear Moduli ויחסיו של Poisson בעצם הקורטי עדיין הם עבודה עתידית חסויה.

כיוונים עתידיים ומחקרים עתידיים

המחקר של אנטרופיה העצם הקורטקטי הוא רחוק מלהיות שלם.כמה אזורים מתקדמים מבטיחים להעמיק את ההבנה שלנו.

מודלים בקנה מידה גדול

החוקרים בונים מודלים "עצמות וירטואלית" שגשר בקנה מידה של מולקולות קולגן לעצמות שלמות.שימוש בדינמיקה מולקולרית ובטכניקות ההומוגניות, הם יכולים לחזות כיצד שינויים בקריסטליניות מינרלים או חיבור בין-קשרים משפיעים על אנטרופיה גדולה.מודלים כאלה יכולים לעזור לעצב חומרים חדשים של העצם או טיפולים מותאמים אישית למחלות עצם.

ב-Vvo Measurement of Anisotropy

(הטכניקות הדמיה לא פולשניות מתפתחות כדי ללכוד אנזוטרופיה בחולים חיים.לדוגמה, ספקטרום:0Raman spectroscopyofLT:1 יכול להעריך מינרלים והתנגשות דרך העור.FLT:2Ultrasound backscatter שיטות ספקטרום 3: מפותחים כדי למדוד סטיות באתרים נגישים קליניים (Roliology, אם הם יכולים להיות ניטור חזק יותר של טכניקות טיפול).

חומרים ביומטיים

מהנדסים בהשראת אדריכלות אנטרופיה של העצם כדי ליצור חומרים סינתטיים עם כוח כיוון.פחמן-פיבר מורכב, פולימרים ממודרגים פונקציונלי, ו 3D- מודפסים צמיגים מעוצבים עם תגובה אנזוטרופית מכוונת שמתאימה העצם.

מסקנה

עצם קורית היא חומר אנטרופי באדון, מותאם על ידי האבולוציה לטפל בעומסים כיווןיים של חיי היומיום. הביצועים המכניים שלה תלויים במבנה היררכי – מקולגאן ומינרלים תואמים ב nanoscale כדי להדריך את אוסטאונים במייק.זה זו באה לידי ביטוי אנזוטרופיה בכל מצבי הטעינה: מתח, מכו, מכו, מתפתל, , , , , ונק, ליסטריה, ונק, לכדי גולגולת, ובודד, הוא, הוא מהפך, הוא מהפך, הוא מהפך, הוא מהפך, וגיל, הוא מתואם, הוא מתואם, הוא מתואם, הוא מתואם, הוא מתואם, והוא מתואם, מתואם, מתואם, הוא מתואם, וגורם, ומחלה, הוא מתואם, הוא מתואם, מתואם, וגיל, הוא, הוא, והוא מתואם, מתואם, מתואם, מתואם, מתואם, מתואם, והוא מתואם, והוא מתואם, מתואם, מתואם, מתואם, הוא, מתואם, הוא, הוא, מתואם, הוא, מתואם, הוא, הוא, הוא, מתואם, מתואם, מתואם, מ

עבור רופאים, מהנדסים וחוקרים, אימוץ anisotropy במקום להתעלם ממנו מוביל להשתלים טובים יותר, הערכות מדויקות יותר של סיכונים שבר, ופרוטוקולים לשיקום בטוח יותר. כמו טכניקות מדידה לשפר מודלים רב-ממדיים בוגר, היכולת שלנו למנף ידע זה רק יגדל.הבנת התנהגות אנזוטרופית של עצם קוטרוטית תחת עומס היא לא רק סקרנות מדעית - זה הכרחי מעשי לקידום בריאות muculosal.

(ב) [[1924]]]]]] [[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]] [[1924]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[1966]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[[[1924]]]]]] [[[[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[[[[[[[1924