Разрушение биологических материалов - Fracture of biological materials

Разрушение биологических материалов может иметь место в биологических тканях, составляющие опорно-двигательный аппарат, обычно называемые ортопедические ткани: кость, хрящ, связки, и сухожилия. Кость и хрящ, как несущие биологические материалы, представляют интерес как для медицинских, так и для академических кругов из-за их склонности к переломам. Например, большая проблема для здоровья заключается в предотвращении переломов костей у стареющего населения, особенно потому, что риск переломов увеличивается в десять раз с возрастом.^[1] Повреждение и перелом хряща могут способствовать остеоартроз, заболевание суставов, которое приводит к скованности суставов и уменьшению диапазона движений.

Биологические материалы, особенно ортопедические материалы, обладают особыми свойствами материала, которые позволяют им противостоять повреждениям и разрушению в течение длительного периода времени. Тем не менее, резкое повреждение или постоянный износ в течение всего срока использования могут способствовать разрушению биологических материалов. Изучение костей и хрящей может побудить к разработке эластичных синтетических материалов, которые могут помочь в замене суставов. Точно так же изучение перелом полимера и излом мягкого материала может помочь в понимании разрушения биологического материала.

Анализ разрушения биологических материалов осложняется множеством факторов, например: анизотропия, сложные условия нагрузки, а также биологическая реакция ремоделирования и воспалительная реакция.

Трещина в кости

Для медицинской точки зрения см. трещина в кости.

Перелом кости может произойти из-за острой травмы (монотонная нагрузка) или усталости (циклическая нагрузка). Как правило, кость может выдерживать физиологические нагрузки, но старение и такие заболевания, как остеопороз, ставят под угрозу иерархическая структура кости может способствовать разрушению костей. Кроме того, анализ перелома кости осложняется реакцией ремоделирования кости, когда существует конкуренция между накоплением микротрещин и скоростью ремоделирования. Если скорость ремоделирования ниже, чем скорость накопления микротрещин, может произойти перелом кости.

Кроме того, ориентация и расположение трещины имеют значение, потому что кость анизотропна.^[2]

Характеристика костей

Иерархическая структура кости придает ей прочность, способность противостоять возникновению, распространению и разрушению трещин, а также прочность, устойчивость к неупругой деформации.^[3] Ранний анализ свойств костного материала, в частности устойчивости к росту трещин, был сосредоточен на получении единого значения критического коэффициента интенсивности напряжений, ${\displaystyle K_{c}}$, и критическая скорость выделения энергии деформации, ${\displaystyle G_{c}}$. Хотя этот метод позволил получить важную информацию о поведении костей, он не дал понимания распространения трещин, как кривая сопротивления.^[4]

Кривая сопротивления силы расширения трещины в зависимости от расширения трещины для хрупкого и пластичного материала, показывающая ${\displaystyle G_{c}}$- критическая скорость выделения энергии деформации.

В кривая сопротивления (R-кривая) используется для изучения распространения трещин и развития ударной вязкости материала путем построения графика зависимости силы расширения трещины от расширения трещины. В костной литературе говорится, что R-кривая характеризует поведение «вязкости разрушения», но этот термин не одобряется в технической литературе, и вместо него используется термин «сопротивление росту трещин». Этот термин используется, чтобы подчеркнуть поведение материала при изменении длины трещины.^[5] Подход к механике линейного упругого разрушения с R-образной кривой позволил исследователям получить представление о двух конкурирующих механизмах, которые способствуют прочности кости. Кость показывает восходящую R-образную кривую, которая указывает на прочность материала и стабильное распространение трещин.^[5]

Существует два типа механизмов, которые могут препятствовать распространению трещин и вносить вклад в ударную вязкость: внутренние и внешние механизмы. Внутренние механизмы создают сопротивление перед трещиной, а внешние механизмы создают сопротивление за вершиной трещины в следе трещины. Считается, что внешние механизмы способствуют экранированию вершины трещины, что снижает интенсивность местного напряжения, испытываемого трещиной. Важное отличие состоит в том, что внутренние механизмы могут препятствовать возникновению и распространению трещин, в то время как внешние механизмы могут только препятствовать распространению трещин.^[3]

Внутренние механизмы

Внутренние механизмы упрочнения не так хорошо определены, как внешние механизмы, потому что они действуют на меньшем масштабе длины, чем внешние механизмы (обычно ~ 1 мкм). Пластичность обычно связана с «мягкими» материалами, такими как полимеры и хрящи, но кость также подвергается пластической деформации. Одним из примеров внешнего механизма являются фибриллы (длина около 10 нм), скользящие друг относительно друга, растягиваясь, деформируясь и / или разрушаясь. Это движение фибрилл вызывает пластическую деформацию, приводящую к притуплению вершины трещины.

Внешние механизмы

Внешние механизмы, способствующие сопротивлению перелому в кортикальном слое кости за счет перекрытия трещин и отклонения трещин. По материалам Zimmermann et al.^[6] отображение А перекрытие трещин коллагеновыми волокнами, B перекрытие трещин неповрежденными связками и C прогиб трещин остеонами.

Внешние механизмы упрочнения более изучены, чем внутренние механизмы. В то время как шкала длины внутренних механизмов находится в нанометрах, шкала длины внешних механизмов находится в масштабе микрон / микрометр. Изображения костей с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) позволили визуализировать внешние механизмы, такие как перекрытие трещин (коллагеновыми волокнами или неповрежденными «связками»), отклонение трещин и микротрещины. Перекрытие трещин неповрежденными связками и прогиб трещин являются основными факторами защиты от трещин, в то время как перекрытие трещин коллагеновыми волокнами и микротрещины вносят незначительный вклад в защиту от трещин.^[7]

Перекрытие трещин

Внешний механизм перекрытия трещин заключается в том, что материал пролетает в следе за трещиной, снижая коэффициент интенсивности напряжений. Интенсивность напряжений в вершине трещины, ${\displaystyle K_{tip}}$, уменьшается на интенсивность напряжения перемычки, ${\displaystyle K_{br}}$.

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

куда ${\displaystyle K_{app}}$- коэффициент интенсивности приложенного напряжения.

Перекрытие трещин может происходить двумя механизмами разного масштаба.

• Закрытие трещин коллагеновыми волокнами

Преодоление трещин Коллаген I типа Волокна, иначе известные как мостиковые коллаген-фибриллы, имеют меньшую длину, чем не отслеживаемые мостиковые связки. Структура коллагена сама по себе иерархическая, состоящая из трех альфа-цепей, обернутых вместе, чтобы сформировать проколлаген, который подвергается обработке и собирается в фибриллы и волокна. Диаметр молекулы коллагена составляет примерно 1,5 нанометра,^[8] а коллагеновые фибриллы примерно в 10 раз больше диаметра коллагена (~ 10 нм).^[3]

Процесс перекрытия трещин аналогичен тому, как полимеры текут через трескаться. Полимеры пластически деформируются за счет образования трещин, когда молекулярные цепочки перекрывают трещину, снижая интенсивность напряжения на вершине трещины. Так же, как Модель Дагдейла используется для прогнозирования коэффициента интенсивности напряжений во время образования трещин, модель зоны Дагдейла с равномерным сцеплением может использоваться для оценки уменьшения коэффициента интенсивности напряжений из-за перекрытия трещин, ${\displaystyle K_{b}^{f}}$.

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

где нормальное мостиковое напряжение на волокнах обозначено как ${\displaystyle \sigma _{b}}$, эффективная доля площади коллагеновых волокон обозначена ${\displaystyle f_{f}}$, а длина зоны перемычки обозначена ${\displaystyle l_{f}}$.

• Перемычка "связка" без трещин

Примечание: связка относится к внешнему виду внешнего механизма при визуализации, а не к ортопедическому. связка.

Перемычка связок без трещин является одним из наиболее важных факторов, способствующих защите от трещин, поскольку длина «связок» составляет сотни микрометров.^[4] в отличие от десятков нанометров. Образование этих связок объясняется неравномерным продвижением фронта трещины или несколькими полусвязанными микротрещинами, образующими мостики из материала без трещин.

Отклонение трещин

Прогиб и скручивание трещин происходит из-за остеоны, структурная единица кортикальной кости. Остеоны имеют цилиндрическую структуру и примерно 0,2 мм в диаметре. Когда вершина трещины достигает остеона, распространение трещины отклоняется по боковой поверхности остеона, замедляя рост трещины. Поскольку остеоны имеют больший размер, чем коллагеновые волокна и неразрушенные связки, отклонение трещин через остеоны является одним из основных механизмов упрочнения кости.

Схема распространения трещин в кортикальном слое кости при возникновении микротрещин. По материалам Vashishth et al.^[9] А Образование микротрещин перед вершиной трещины B Трещина ускоряется в материал без трещин перед зоной микротрещин (стадия I) C Рост трещин замедляется по мере образования микротрещин (стадия II) D Продолжение роста трещины (I этап)

Микротрещины

Как следует из названия, микротрещины - это образование трещин микронного масштаба различной ориентации и размеров. Образование микротрещин до и после вершины трещины может замедлить распространение трещины. Поскольку кость часто реконструирует как трабекулярную, так и кортикальную структуру, чтобы оптимизировать прочность в продольном направлении, образование микротрещин в кости человека также происходит в продольном направлении. Это направление в человеческой кости контрастирует с более случайной ориентацией в бычьей кости и придает продольной прочности кости у человека.^[10]

Как и в случае других механизмов защиты от трещин, кривая сопротивления (R-кривая) может использоваться для изучения сопротивления кортикального слоя кости (трабекулярный кость удаляется перед экспериментами) до перелома. Общепринятая модель распространения трещин при образовании микротрещин была предложена Вашишт и его коллегами.^[10] Они изучили скорость распространения трещины по мере роста трещины и идентифицировали две стадии роста трещины, которые чередуются по мере развития трещины.

• Этап I: По мере нагружения образца образуется фронтальная зона технологического процесса, которая представляет собой зону микротрещин перед вершиной основной трещины. Трещина ускоряется через эту зону до тех пор, пока вершина трещины не окажется перед образовавшимися микротрещинами. Распространение трещины замедляется, когда вершина трещины находится впереди зоны микротрещины, где область микротрещин оказывает сжимающее напряжение на вершину трещины.^[4]

• Стадия II: микротрещины продолжают формироваться вокруг и перед вершиной трещины, в то время как трещина медленно прогрессирует. Когда образуется достаточно микротрещин, трещина возвращается в стадию I.

Перелом хряща

Изучение хрящ Механические повреждения и переломы могут дать медицинским работникам представление о лечении заболеваний, поражающих хрящи. Хрящ - очень сложный материал, биологические свойства которого различаются по глубине, что приводит к различиям в механических свойствах. Кроме того, хрящ имеет высокое содержание воды и коллагена, что способствует пороупругий и вязкоупругий эффекты соответственно.

Экспериментально можно провести испытания образцов хряща на удар для имитации физиологического воздействия высокой интенсивности. К распространенным типам экспериментов относятся испытания с опорой на башню, маятниковые испытания и подпружиненные системы.^[11] Эти испытания на удар служат для упрощения анализа материала от пороупругого до эластичного, поскольку при высокоскоростных кратковременных ударах жидкость не успевает вытекать из образца хряща.

Смотрите также

• Разрушение мягких материалов
• Разрушение полимеров
• Кривая сопротивления росту трещин
• Кость
• Хрящ

Рекомендации

1. Hui, S L; Слеменда, CW; Джонстон, C C (1988-06-01). «Возраст и костная масса как предикторы перелома в проспективном исследовании». Журнал клинических исследований. 81 (6): 1804–1809. Дои:10.1172 / jci113523. ISSN  0021-9738. ЧВК  442628. PMID  3384952.
2. Pal, Subrata (2014), «Механические свойства биологических материалов», в Pal, Subrata (ed.), Дизайн искусственных суставов и органов человека, Springer, США, стр. 23–40, Дои:10.1007/978-1-4614-6255-2_2, ISBN  9781461462552
3. Циммерманн, Элизабет А; Буссе, Бьёрн; Ричи, Роберт О. (2015-09-02). «Механика перелома кости человека: влияние болезни и лечения». BoneKEy Отчеты. 4: 743. Дои:10.1038 / bonekey.2015.112. ISSN  2047-6396. ЧВК  4562496. PMID  26380080.
4. RITCHIE, R.O .; КИННИ, Дж. Х .; KRUZIC, J. J .; НАЛЛА, Р. К. (2005-02-03). «Механика перелома и механистический подход к разрушению кортикальной кости». Усталость и разрушение инженерных материалов и конструкций. 28 (4): 345–371. Дои:10.1111 / j.1460-2695.2005.00878.x. ISSN  8756-758X.
5. Вашиштх, Д .; Behiri, J.C .; Бонфилд, В. (1997). «Устойчивость к росту трещин в кортикальном слое кости: концепция упрочнения микротрещин». Журнал биомеханики. 30 (8): 763–769. Дои:10.1016 / с0021-9290 (97) 00029-8. ISSN  0021-9290.
6. Циммерманн, Элизабет А; Буссе, Бьёрн; Ричи, Роберт О. (2015-09-02). «Механика перелома кости человека: влияние болезни и лечения». BoneKEy Отчеты. 4: 743. Дои:10.1038 / bonekey.2015.112. ISSN  2047-6396. ЧВК  4562496. PMID  26380080.
7. Nalla, R.K .; Stölken, J.S .; Kinney, J.H .; Ричи, Р.О. (2005). «Перелом кортикальной кости человека: критерии локального перелома и механизмы упрочнения». Журнал биомеханики. 38 (7): 1517–1525. Дои:10.1016 / j.jbiomech.2004.07.010. ISSN  0021-9290. PMID  15922763.
8. Нордин, Маргарета. Франкель, Виктор Х. (Виктор Хирш), 1925- (2001). Основные биомеханики опорно-двигательного аппарата. Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. ISBN  978-0683302479. OCLC  45420084.
9. Вашиштх, D; Tanner, K.E; Бонфилд, Вт (2000). «Вклад, развитие и морфология микротрещин в кортикальном слое кости во время распространения трещин». Журнал биомеханики. 33 (9): 1169–1174. Дои:10.1016 / с0021-9290 (00) 00010-5. ISSN  0021-9290.
10. Вашиштх, D; Tanner, K.E; Бонфилд, Вт (2000). «Вклад, развитие и морфология микротрещин в кортикальном слое кости во время распространения трещин». Журнал биомеханики. 33 (9): 1169–1174. Дои:10.1016 / с0021-9290 (00) 00010-5. ISSN  0021-9290.
11. Скотт, К. Кори; Афанасиу, Кириакос А. (2006). «Механический удар и суставной хрящ». Критические обзоры в биомедицинской инженерии. 34 (5): 347–378. Дои:10.1615 / critrevbiomedeng.v34.i5.10. ISSN  0278-940X.