Giriş: Yapısal Bir Malzeme Olarak Kortical Bone
[FONT:0)Kural kemik[[Dönetici: 1) Tüm uzun kemiklerin yoğun kabuğu, düz kemik ve hatta omurgalı bedenler – vücudun birincil yük taşıma-kullanıcı bir dokuya rağmen, göz ardı edilebilir bir kemik, kortical kemik, sadece 5-10% bir porosluk ile kompakttır.
Bu davranışı anlamak sadece akademik bir egzersiz değildir. Bu makale, hip ve diz implantlarının tasarımına, ortopedik vidaların ve hatta spor güvenli ekipmanlarını araştırıyor. Bu makale, kortical kemikin anisotropic doğasını, bu anisotropyun yapısal köklerini, çeşitli yükleme koşulları altında nasıl davrandığını ve tıp ve mühendislik için derin etkileri araştırıyor.
Kemikte Anisotropy Nedir?
Malzeme bilimi, [[0)anisotropy[DÜT:1) ile değişen bir özellik açıklar. Bir malzeme mekanik özellikleri (örneğin, sertlik, güç, yüksek çözünürlük) her bir yönde aynıdır - bir su havuzu veya iyi bir karışımlı metal dökümü. Kortical, ancak ayrı ayrı bir şekilde anisotropic.
Örneğin, insan femoral kortical kemik yaklaşık 30-50% sert ve 50-% 100 yük yüklü uzun yükleri yüklendiği zaman daha güçlüdür. Bu yönsel bağımlılık bir kusur değildir; bu evrimsel bir optimizasyondur.
Anisotropy derecesi, uzun süredir mühendislikte bulunan kompozitlerin oranıyla ölçülür.Profesyonel kemik için, bu oran tipik olarak türlerin, anatomik site, yaş ve sağlık durumuna bağlı olarak 1.5 ila 3.0 arası değişir.Bu yönsel varyasyon, çoğu mühendisli kompozitlerden daha aşırıdır, kemik modelleme için eşsiz bir meydan okumadır.
Anisotropic Davranışının Yapısal Basis
Kortical kemikin anisotropic davranışı, kemikin makrooskopik şekline moleküler düzeyden gelen hiyerarşik mimariden kaynaklanır. yapısal temel, yükleme yönlerini neden bu kadar derin bir şekilde anlamanızı sağlar.
Collagen Fiber Orientasyon
Nanoscale'te, kemik, kemik tipi bir Ijeneresan fibrils ile güçlendirilmiş bir optiktir (projektif mineral kristalleri ile aynı zamanda tüm nanokompozisyonlar fiberler olarak adlandırılan fiberler ile paralel olarak yapılır.Bu kolajen kemik, yüksek çözünürlükte uzun eksen boyunca dizginlenirken, mineral kristalleri de sertleşir ve tüm nanokompozisyonlar sertleşir.
Mineral Kristali
Kolestero sertliği sağlarken, mineral aşaması (karbonat hidroxyapatite) daha sert bir direnç sağlar. Kristaller plaka şeklindedir, yaklaşık 2-5 nm kalın ve 20-50 nm uzun eksenler ve c-axlar, kolajen uzun eksen ile uyumludur. Bu kristalsel doku bir sinerjik bir şekilde yükleme aşamasının kendisi için oldukça uygun bir şekilde tasarlanmıştır.
Haversian Systems ve Osteons
Mikrobiyal düzeyde, kortical kemik, orta kanalların etrafındaki ( Haversian kanallar) konsensül yapılarda bulunur ve plywood benzeri bir yapı oluşturur.Bu osteonlar, lif-rein kuvvetli kemiklerin matrisine kadar paralel olarak çalışır.
Ek olarak, kortical kemiklerin karsiliği - çoğu zaman Haversian ve Volkmann kanalları - yerel stres yükselticileri yetiştirmek. Canal Orienti de uzun zamandır incelaldir, bu yüzden porosity kemik eksenleri boyunca daha az mekanik özellikler bozulmaya katkıda bulunur.
Mikrodamage ve Yeniden Modelleme
Kortical kemik statik bir materyal değildir; sürekli olarak yeniden modellenmesi yoluyla adapte edilir. Microcracks en ağır yüklenmiş olan yönlerde tercih edilir - bu mikrokökünler daha sonra osteoklastlar ve osteoblastlar tarafından hedeflenir, ki bu onarım ve gerçekign fiberler mekanik talepleri karşılamak için daha iyi bir şekilde çalışır.
Mekanik Davranış Çeşitli Yük Moduları altında
Kortical kemik yönü tüm temel yükleme modlarına uzanır: gerginlik, bükücü, bükme, hear ve torsion. Her mod anisotropy'nin farklı bir yönünü ortaya çıkarır.
Gerçlik
Gerçeğin uzun süreli örnekleri genellikle 120-150 MPa streslerinde başarısız olur, 17-20 GPa elastik bir modulus ile Transversen güç sadece 40-60 MPa ile, 8-12 GPa'nin bir modları ilerleyici bir kırık yüzeyle birlikte.
[FONT:0)Key takeaway:[Dönetici:[Dönetici)) Cortical kemik, uzun eksen boyunca yükleri çekmeye karşı daha dirençlidir - uzun kemikleri takımla kullanan bir tasarım, öncelikle bükme sırasında uzun süre yüklenmiştir.
Kompucu
Konsülatif özellikler de anisotropic, ancak farklar gerginlikten daha az aşırıdır. Uzunlamasına sıkıştırıcı güç, 170-230 MPa (site ve türlere bağlı), yükleme eksenlerine bağlı olarak, 18-22 GPa. Transverse sıkıştırıcı güç yaklaşık 130-170 MPa'dır, 10-14 GPa'nın bir değiştiricisi ile.
Protropy özellikle omurga vücutları ve femoral kafa için önemlidir, büyük sıkıştırıcı güçlerin kemik eksenleri boyunca meydana geldiği.
Dükme
Dükütürü, kemikten başka bir yöne doğrultmak ve baskı yapmak için bir kombinasyon oluşturur. Kortical Bone's anisotropy, nötr eksenlerin bükme düzlemine bağlı olarak geçiş yapması anlamına gelir.
Shear ve Torsion
Shear power and modulus are also anisotropic. Under saf shear, osteons relative to the shear düzlem eleştirel etkiler başarısızlık. In torsion, a longitudi shear stress, ve kırık sık sık sık sık sık sıkılır.
Modelate Anisotropy
Tüm kortal kemik aynı şekilde hareket etmiyor. Birkaç biyolojik ve fiziksel faktör anisotropy'nin derecesini ve doğasını etkiler.
Yaş ve Hastalık
Yaşlılık, kolajen değişiklikler, mineral yoğunluğu artar ve yavaşları yeniden şekillendirir. Bu değişiklikler transistotropy'nin tercih edilmesinden dolayı kemik kitlesinin kaybı ve trabecular mimarisinin bozulması da kortal kemik kalitesini etkileyebilir, ancak çalışmalar, geri kalan kortical kemikin geri kalanının kötü niyetli bir şekilde azaltılabileceğinden dolayı dramatik bir şekilde artabileceğini gösteriyor.
Anatomik Konum
Kortical kemik aminolojisi iskelet boyunca üniforma değildir. Uzun kemik (femur, tibia, humerus), anisotropy son derece uyumlu bir kemik içinde belirgindir. Düz bir kemik içinde bile, birçok yönden yükleri vardır, kortical kemik daha az anotropiktir - rastgele odaklı kolajen fiberler ile daha bükülebilir.
Hydration and Sıcaklık
Taze, hidratlanmış kemik kuru veya embalmed kemikten farklı davranır. Hydration sertliği arttırır ve modulus azaltır, ancak anisotropy'yi de etkiler. Kuru kemik tüm yönlerde daha yüksek bir modulus ve güce sahiptir, ancak göreceli anisotropik farklılıkları azaltır.
Anisotropy'yi ölçmek: Gelişmiş Teknikler
Kortical kemikin anisotropic özelliklerini karakterize etmek, çeşitli uzunluk ölçeklerdeki dokuyı örnekleyen özel yöntemler gerektirir.
Mekanik Test
Geleneksel teknöz gerilim, sıkıştırma ve yönlendirilme testleri temel ilkelerden örnekler gerektirir ve dokuyu yok ederler. Sonuçlar, aisotropik parametreler (elastic modulus, güç, Poisson’nun oranlarıdır).Inotropik kemik, ortootropik elastik sabitler (in bağımsız değerleri) insan femurları ve tibiasları için iyi karakterize edilmiştir.
Ultrasound and Acoustic Methods
Ultrasound velocimetri, bilinen yönelimler yoluyla ses dalgaları göndererek elastik sabit olmayan sabitleri ölçebilir.Çünkü bir materyaldeki ses hızı elastik modulus ile ilgilidir, bu teknik tam elastik sertlik onorunu verir. Mekanik testlerden daha hızlıdır ve eğri veya düzensiz kemiklerde yapılabilir.
Mikro-CT ve Dijital Görüntü İlişkisi
Yüksek çözünürlüklü mikro-komputed tomografi (mikro-CT) osteonlerin ve porselenlerin 3D yönelimini görselleştirebilir. Mekanik yükleme sırasında dijital görüntü korelasyonu (DIC) ile birleştirildiğinde, araştırmacılar yerel sustuvarlığı haritalayabilir ve altta yatan mikroyapı ile ilişkilendirebilirler.
Nanoindentation
Nanoindentasyon, doku seviyesindeki aisotropy'yi sadece mikrometrelerin derinleştirilmesi için çok keskin bir ipucu kullanır, bu tekniğin kendileri transistotropik ve sertleştirici olduğunu doğrulamıştır.Tek lamellae içindeki farklı yönlerden inmekle birlikte, doku seviyesindeki aisotropy (dahamel düzeyde) sayısal olarak ölçülebilir.
Klinik ve Mühendislik Implikasyonları
Kortical kemikin aminotropic davranışı sadece büyüleyici bir materyal bilim fenomen değildir - kırıkları, tasarım implantları ve yaralanma riskini nasıl tedavi ettiğimiz için doğrudan sonuçlar vardır.
Fracture Fixation and Implants
Ortoped implantlar - plakalar, vidalar, intramedüller – anisotropic kemikle konserde çalış. Örneğin, kortical vidalar her iki uzun zaman içinde kemik ve transverse yönlerde rol alır.
Prosthetic Design
Hip ve diz yedekleri, stabilite için çevreleyen kortal kemike güveniyor.Prosthesis yüzeyleri farklı yönlerde kemikle etkileşime girer; anisotropy, mühendislerin korteklere daha eşit bir şekilde transfer etmesini sağlar, periprotez kırıklığının riskini azaltır. Bazı yeni tasarımlar kemik rowth teşvik eder, uzun vadeli düzeltmeleri geliştirir.
Fracture Risk Prediction
Birçok mevcut klinik araçlar (örneğin, ESX, DXA) sadece kemik mineral yoğunluğuna (BMD) dayanarak kırık risk tahmin eder (BMD) BMD, anisotropy ile ilişkili iken, aynı anda iki kişi çok farklı bir kırık riskine sahiptir çünkü bir tanesi yüksek derecede hassas bir şekilde (aotropik) ve diğeri daha fazla kemikiktir.Incorporating önlemleri alır.
Spor Hekimliği ve Rehabilitasyon
Stres kırıklarından sonra geri dönüş kararları, iyileşme kemikinin yönsel yükleme kapasitesini bilmek zorundadır.Bir tibial stres kırıklığı tekrarlanan yeltenç yükleri tarafından etkilenmektedir; kemikten indüksiyonu en güçlü olduğu anestiyodik kemik etkilerinin kademeli olarak geri çekilmesini önerir (daha güvenli olabilir).
Finite Element Analizinde Anisotropy Modeling Anisotropy in Finite Element Analysis
Sanal test ortamlarında kemik davranışını simüle etmek - implantların tasarımı veya kırılma tahminleri gibi - araştırmacılar osteonal ağdaki sonlu elementin (FE) modellerini kullanırlar. Erken modeller kemikleri homojen bir izotropik malzeme olarak tedavi edilir, sık sık sık yanlış birleştirici öngörüler yol açar. Modern konu-özel FE modelleri yerel kemik yoğunluğuna ve osteonal ağdaki eğimli malzemelerin yönlendirmesine dayanan basitleştirilmiş malzeme özellikleri.
Bir ortak yaklaşım, kanal yoğunluğuna göre nicel CT (qCT) kullanır, sonra CT'nin işlevi olarak sertlik katlarını elde etmek için ampikotik ilişkiler uygular (birisotropy'nin ölçülmesi). Kumaş onor, trabecular mimarisinin ya da kortical kemikin yönlendirmesi nedeniyle, CT taramada belirgin bir şekilde görünür.Bu modeller kırık yeri tahmin edebilir ve dikkat çekici doğrulukla yüklenebilir ve yeni ortopedik cihazlar için daha fazla kullanılabilir.
Meydanlar
İlerlemeye rağmen, kortical anisotropy zorlu kalır. Kumaş-nsity ilişkileri evrensel değildir; kemik, hastalık durumu ve hatta aynı kemik içinde aynı kemikten farklı olarak kontrol edilen mekanik testlere karşı geçerliliğe odaklanmalıdır. Ayrıca, hear modülli ve Poisson'un kortical kemik oranları için deneysel veriler hala sparse.
Future Yol ve Gelişen Araştırma
Kortical kemik anisotropy'nin çalışması tamamen uzaktır. Anlayışımızı derinleştirmek için vaat eden birkaç kesim.
Çok ölçekli Modelleme
Araştırmacılar, “gerçekten kemik” modelleri, köprünün tüm kemik hastalıkları için skavun ölçeğini ve homojenizasyon tekniklerini kullanarak, mineral kristalliği veya çapraz bağlantıdaki değişikliklerin bir yığınotropyu etkilemesine yardımcı olabilirler.Böyle modeller, yeni kemik-imetik malzemeler veya metabolik kemik hastalıkları için kişiselleştirilmiş tedavileri tasarlamaya yardımcı olabilir.
In Vivo Ölçümü Anisotropyy
In-Geleneksel görüntüleme teknikleri, canlı hastalarda anisotropy yakalamaya gelişmektedir. Örneğin, [[0)Raman spektroskopi), mineral ve kolajen yönelimlerini cilt üzerinden değerlendirebilir. ”-QUygunlu yöntemler[Döneticileri)) Klinik olarak erişilebilir sitelerde bir izotropy ölçmek için geliştirilir (radius, tibia).
Biyomimetik Malzemeler
Mühendisler, kemikten gelen anisotropic mimarisinden, sentetik malzemeler yönsel güçle oluşturmak için ilham alıyor. Karbon-fiber kompozitler, işlevsel olarak sınıflanmış polimerler ve 3D-printed lattices, maçların kemiklerini yeniden şekillendiren bir anisotropic yanıt ile tasarlanmıştır.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Cortical kemik, mikro ölçekli osteonlara hitap etmek için ustaca bir anisotropic materyaldir, tüm yükleme modlarında evrim tarafından optimize edilir: gerginlik, bükücük performansı ve torsion, hastalık, hidrasyon ve anatomik yer.
Klinikçiler için, mühendisler ve araştırmacılar, yük altında kortical kemikten yoksunluğu görmezden gelmek yerine anisotropy'yi kucaklar, daha doğru kırık risk değerlendirmeleri ve daha güvenli rehabilitasyon protokolleridir. Ölçme teknikleri geliştirilir ve çok ölçekli modeller olgun olarak, bu bilgiyi elde etme yeteneğimiz sadece büyüyebilecektir.
[FONT:0]Dönetici Kaynakları: [DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜDÜDÜDÜSÜSÜSÜSÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞ