En el esqueleto de un adulto, hay 206 huesos, que juntos realizan una función musculoesquelética y protectora. Desafortunadamente, como todas las otras partes del cuerpo humano, los huesos también son susceptibles a diversas enfermedades, lesiones, deformaciones y lesiones. Uno de los problemas más estudiados del esqueleto es la osteoporosis, debido a que se altera la estructura interna y la densidad ósea. Anteriormente, esta enfermedad se estudiaba mediante rayos X, que permiten estudiar la estructura de los huesos e identificar puntos débiles y fuertes. Muy a menudo, los científicos consideraron la resistencia ósea en términos de la carga única máxima posible. Sin embargo, un grupo de investigadores de la Universidad de Cornell decidió analizar el problema de la osteoporosis desde un ángulo diferente. Sugirieron comparar el hueso con una pieza de automóvil que ha estado funcionando bien durante bastante tiempo, pero de alguna manera se descompone debido al uso prolongado. ¿Qué dijeron los científicos sobre el nuevo método de análisis óseo, qué cambios estructurales en los huesos se pueden prevenir o cambiar, y cómo puede este trabajo contribuir a la lucha contra la osteoporosis e incluso ayudar a la aviación? Aprendemos sobre esto del informe del grupo de investigación. Vamos
Base de estudio
La tesis central de este trabajo es: las propiedades mecánicas de los materiales microarquitectónicos pueden mejorarse debido a la geometría del material y no debido a su composición (composición).
Los materiales de microarquitectura ultraligeros pueden tener inicialmente una mayor rigidez y, por lo tanto, resistencia, pero también deben soportar múltiples ciclos de carga, es decir, no solo fuertes, sino también duraderos. Si hablamos de los equivalentes naturales de tales materiales, entonces los huesos del esqueleto humano describen perfectamente tales estructuras.
Los huesos en su estructura consisten en varios materiales básicos de construcción: sustancia ósea compacta, sustancia ósea esponjosa y periostio. Este último es una membrana del hueso, que consiste en ciertos tejidos conectivos que contienen vasos sanguíneos y elementos celulares involucrados en la nutrición, el crecimiento y la restauración de los huesos.
La sustancia ósea compacta es la capa superior del hueso y es muy uniforme y dura. Pero el esponjoso, que se encuentra dentro del hueso, consiste en muchas placas que se cruzan en diferentes direcciones.
Los investigadores creen que el engrosamiento de algunas de las placas esponjosas puede mejorar las propiedades mecánicas generales del hueso, es decir. Aumenta su resistencia y durabilidad.
Esta teoría se basa en el hecho de que los materiales microarquitectónicos pueden estar sujetos a
fatiga del material * , ya que su compleja geometría interna conduce a la acumulación de tensiones.
Fatiga del material * : el proceso de acumulación gradual de daños que conduce a un cambio en las propiedades mecánicas del material.
Los científicos creen que lo más importante en su estudio es encontrar un equilibrio entre la resistencia del material y su resistencia a la fatiga. Y dado que no hay mejor autor intelectual que la naturaleza, los científicos decidieron buscar este equilibrio en el material microarquitectura natural, es decir. en los huesos
Como ya sabemos, los huesos contienen muchas placas (tabiques) que se cruzan en diferentes puntos, formando una sustancia esponjosa. Estas placas también se llaman trabéculas. Con mayor frecuencia se ubican en la dirección de las tensiones causadas por la actividad física normal, lo que conduce a la formación de una microestructura isotrópica transversal.
Estudios previos han demostrado que el factor principal que afecta la fuerza del hueso esponjoso es la densidad / porosidad y el tensor de tejido (una medida de
anisotropía * ).
Anisotropía * : la diferencia (heterogeneidad) de las propiedades del medio en varias direcciones dentro de él.
Pero otros aspectos de la microarquitectura y su efecto sobre la resistencia ósea no se han estudiado.
La rigidez y resistencia del hueso esponjoso y otros sólidos celulares están asociados con la densidad a través de
las leyes de potencia * .
La ley de potencia * es una relación funcional entre dos cantidades, en la que un cambio relativo en una conduce a un cambio proporcional en la segunda.
Los científicos señalan que ya existe un método analítico que vincula la densidad de la sustancia esponjosa y la fatiga del material (número de ciclos para completar el desgaste,
N f ). Sin embargo, la fatiga de las sustancias esponjosas, en su opinión, se explica mejor por las relaciones normalizadas de estrés y recursos (
AN ) del material:
σ /
E 0 1 / √
ψ =
AN B fdonde
σ es el esfuerzo de compresión máximo;
E
0 es el módulo de Young inicial (alternativamente, se utiliza el límite elástico o el estrés de meseta);
A y
B son constantes empíricas (en el hueso esponjoso,
A varía de 0.0091 a 0.013, y
B varía de -0.121 a -0.094).
Vale la pena señalar que este método de evaluación de la fatiga del material, aunque es muy exitoso, pero algunas variables (por ejemplo, A y B) pueden diferir para materiales de diferente origen (por ejemplo, tejido óseo esponjoso de una persona y un perro).
Resultados de la investigación
Para comprender la relación entre la microarquitectura y la fatiga del material, los científicos analizaron el tejido óseo esponjoso altamente poroso (> 90%) de las vértebras humanas (44 muestras de 18 donantes).
Se aplicó una carga de compresión cíclica a cada muestra en la dirección de la carga fisiológica habitual.
La carga de fatiga del material se detuvo en un cierto valor de los ciclos de tensión, determinado por la acumulación de carga cíclica. Después de eso, se evaluó el número y la ubicación de todas las lesiones microscópicas en la microestructura utilizando agentes de contraste (
1A y
1B ).
Imagen No. 1: la influencia de la microarquitectura en la acumulación de lesiones por fatiga en el hueso esponjoso.La microarquitectura se evaluó utilizando imágenes tridimensionales y se analizó utilizando el enfoque de descomposición morfológica, que aísla cada partición individual en la estructura y la clasifica como laminar o en forma de barra, y también determina su orientación con respecto a la carga (
1C y
1D ).
Se encontró que el número de daños en los tejidos causados por la carga de fatiga se correlacionó con la deformación máxima aplicada, pero no se correlacionó con la densidad de la muestra u otros promedios de microestructura en la imagen.
Curiosamente, el grado de daño tisular fue menor en muestras con septos más gruesos en forma de barra (
1E ). Esta observación fue muy inesperada, ya que los tabiques en forma de varilla en el hueso esponjoso están principalmente orientados transversalmente a la carga aplicada, lo que equivale a
esto es solo el 20% del volumen duro del hueso esponjoso de alta porosidad. Además, transportan solo una pequeña fracción de cargas orientadas longitudinalmente y tienen poco efecto sobre la rigidez y la resistencia en la dirección longitudinal.
Luego, los científicos investigaron la distribución del daño tisular en diferentes puntos durante el proceso de carga de fatiga, lo que les permitió comprender mejor el efecto de las particiones en forma de varilla sobre la fatiga ósea. Se descubrió que la destrucción de las trabéculas individuales durante la carga de fatiga se produce de forma no lineal con el número de ciclo y difiere en el tipo / orientación de las trabéculas. Inicialmente, las fracturas ocurren en trabéculas en forma de varilla, y en trabéculas en forma de placa, no se produce una acumulación significativa de daño hasta que toda la estructura (
1F ) se destruye claramente.
La naturaleza de la destrucción del tabique también está asociada con su orientación: las trabéculas dañadas en forma de barra están orientadas predominantemente en la dirección transversal, mientras que las trabéculas dañadas en forma de placa están orientadas predominantemente en la dirección longitudinal.
Los investigadores creen que este comportamiento de destrucción de particiones individuales depende de la distribución de la tensión de tracción causada por la carga. El modelado mostró que la carga de compresión conduce a tensiones de tensión en las trabéculas en forma de barra (orientadas principalmente de forma transversal) y tensiones de compresión en las trabéculas en forma de placa (orientadas principalmente a lo largo).
Estas observaciones sugieren que en el tejido esponjoso del hueso, son precisamente las trabéculas orientadas transversalmente las que actúan como una "víctima justificable" durante la carga cíclica, acumulando daño tisular y, por lo tanto, protegiendo las trabéculas lamelares orientadas longitudinalmente, cuya destrucción conducirá a la destrucción completa de la estructura.
Imagen No. 2: Los modelos de hueso de esponja obtenidos mediante impresión 3D muestran que la resistencia a la fatiga es sensible a pequeños cambios en la microarquitectura.Otro componente importante de la acumulación de daños en el hueso esponjoso es la heterogeneidad de los tejidos. Para aislar los efectos de la microestructura de los asociados con la heterogeneidad del material, los científicos han creado modelos tridimensionales de la microestructura ósea esponjosa (
2A y
2B ).
La microestructura ósea esponjosa (
2B ) se modificó agregando material a la superficie de las trabéculas transversales. Hubo tres tipos de modificaciones: sin cambios (geometría original); +20 μm en la superficie (aumento promedio del grosor de la trabécula en 20 ± 5%); +60 μm en cada superficie (aumento promedio en el grosor de la trabécula en 45 ± 14%).
Dado que las trabéculas transversales en forma de varilla constituyen solo una pequeña parte del volumen sólido y transportan solo una pequeña parte de las cargas longitudinales, el engrosamiento de las particiones en forma de varilla tuvo solo un pequeño efecto en la densidad, que aumentó en 11 ± 8% (
2C ), y en la rigidez, el aumento del módulo longitudinal de Young fue 22 ± 19% (
2D ).
Si tales cambios tienen lugar de manera uniforme en toda la microestructura, entonces la resistencia a la fatiga varía muy ligeramente. Si tales cambios son aplicables solo a las trabéculas en forma de varilla, entonces la resistencia a la fatiga aumenta en dos órdenes de magnitud (
2E ).
Para confirmar que la acumulación de daños continúa en los modelos, así como en el hueso esponjoso, se llevaron a cabo estudios de daños en muestras impresas tridimensionales después de una cierta carga utilizando un tinte de contraste de rayos X.
Se encontró que en los modelos los sitios de acumulación de daños definidos por el contraste se distribuyen por toda la estructura, así como en el tejido óseo esponjoso estudiado previamente (
2F ). Pero los modelos, cuando se imprimieron con particiones con forma de barra más gruesas, mostraron una acumulación reducida de daños (
2G ).
Por lo tanto, la acumulación de daños debido a la carga de fatiga se puede reducir cambiando el grosor de las trabéculas en forma de barra dentro de la estructura del tejido óseo esponjoso o septos similares en una muestra impresa tridimensional.
También quedó claro que el esfuerzo de tracción promedio en las trabéculas en forma de barra (orientadas principalmente de forma transversal) fue mayor que en las trabéculas de placa (orientadas principalmente de forma longitudinal). Esto sugiere que la localización del daño corresponde a la distribución de tensiones en la microarquitectura, como se encontró en el hueso esponjoso real.
Resumiendo las observaciones anteriores, los científicos sugieren que un ligero aumento en la masa, concentrado en los componentes estructurales orientados transversalmente de la microarquitectura, puede reducir el esfuerzo de tracción, lo que es una contribución significativa a la resistencia a la fatiga.
Imagen 3: El efecto del volumen transversal en la resistencia a la fatiga de los sólidos porosos (celulares).Luego, los investigadores decidieron verificar si sus descubrimientos son aplicables a otros sólidos porosos y otros mecanismos de deformación. Para esto, se crearon modelos de
cerchas de octeto convencionales y modificadas
* (
cercha de octeto ). Estos últimos diferían de los ordinarios en que tenían elementos en forma de placas y varillas, imitando la microestructura y la anisotropía del hueso trabecular (
3A ).
Granja * : en este caso, no se trata de tierra agrícola, sino de una estructura de varilla, que permanece sin cambios después de reemplazar los nodos rígidos con los articulados.
Un ejemplo de una granja de octetos.
Octet farm * : este tipo de construcción en 1961 fue propuesto por Richard Buckminster Fuller (1895-1981). La estructura se basa en un patrón geométrico octaédrico-tetraédrico, que consiste en líneas que conectan los centros de las bolas para que cada bola esté rodeada por otras doce bolas.
La microestructura del hueso esponjoso muestra un comportamiento en el que predomina la deformación por flexión, la armadura de octeto habitual es la tensión de tracción, y en las armaduras de octeto modificadas, se observa una combinación de flexión y estiramiento.
Como resultado, un aumento en el grosor transversal de las varillas en microarquitecturas en forma de hueso condujo a un aumento de la resistencia a la fatiga en 8 veces (
3V ), mientras que la densidad aumentó ligeramente (+ 4%), al igual que la rigidez longitudinal (+ 20%).
En una granja de octetos, un aumento en el grosor transversal de las varillas condujo a un aumento en la resistencia a la fatiga por un factor de 5 (
3B ), la densidad aumentó en un 10% y la rigidez longitudinal en un 14%.
Pero con las granjas de octetos modificados, la situación era mucho más interesante. Cuando este modelo se rotó 90 ° para que los elementos engrosados estuvieran orientados verticalmente e inclinados a las cargas aplicadas, la resistencia a la fatiga disminuyó 9 veces en comparación con el modelo sin puntales engrosados. Esto sugiere que el efecto de los elementos transversales sobre la resistencia a la fatiga está asociado con la proporción del material orientado a través de la carga, y no con el grosor de las varillas transversales per se. Para comprender exactamente cómo los elementos orientados transversalmente influyen en la acumulación de daños por fatiga, se aplicó el método de elementos finitos durante varios ciclos de carga.
El daño por fatiga implica un proceso local irreversible de disipación de energía, que conduce a un aumento en la disipación de energía. Los modelos de elementos finitos de los primeros 5-25 ciclos de carga mostraron que la resistencia a la fatiga del octeto y la microarquitectura con forma de hueso con y sin varillas engrosadas está estrechamente relacionada con la disipación de energía plástica por unidad de trabajo (
3C ).
Por lo tanto, un aumento en la fracción de volumen transversal (
ψ es la fracción del volumen sólido orientado en la dirección transversal a la carga) en estos materiales microarquitectónicos reduce la disipación de energía y la acumulación de daños durante la carga cíclica. Tal observación se asemeja a la situación con las trabéculas en forma de varilla (principalmente orientadas transversalmente), que experimentaron una menor acumulación de daño en el hueso trabecular, si su grosor aumentaba ligeramente (
1E ).
El uso de una sola supercarga (deformación del 50%) demostró que los huesos y los materiales microarquitectónicos pueden reparar la mayor parte del daño después de una tensión aplicada, lo que se explica por deformaciones elásticas (reversibles) en barras orientadas transversalmente.
Por lo tanto, queda claro que son precisamente las barras o particiones orientadas transversalmente (trabéculas) las que juegan un papel importante en la resistencia a la falla por fatiga. En otras palabras, las observaciones muestran que lo importante es la geometría de la estructura, y no su composición química.
Para una familiarización más detallada con los matices del estudio, le recomiendo que examine el
informe de los científicos y
materiales adicionales .
Epílogo
En este trabajo, los investigadores pudieron establecer que las microestructuras pueden ser extremadamente duraderas y resistentes a la deformación. La conclusión principal es el hecho de que el origen del material (biológico o sintético) no importa cuando se aplica la geometría correcta de los elementos internos de la microarquitectura. Cambiar el grosor de los componentes individuales le permite extender la vida útil de toda la estructura, sin pérdidas significativas por rigidez, resistencia u otras características mecánicas importantes.
Este estudio, según sus autores, puede encontrar su aplicación en medicina, permitiendo una mejor comprensión de los procesos asociados con la osteoporosis. Para la osteoporosis se caracteriza por un deterioro de la microestructura del hueso esponjoso, que se expresa en una fuerte disminución en el número y la fuerza de las trabéculas orientadas transversalmente. Anteriormente se creía que la rigidez, la resistencia y la absorción de energía del hueso trabecular dependen casi por completo de las trabéculas orientadas longitudinalmente. Pero en este estudio, se demostró que los orientados transversalmente juegan un papel importante, especialmente en el marco de la resistencia a la fatiga de los huesos. Los investigadores no rechazan el hecho de que muchas lesiones óseas en pacientes con osteoporosis son causadas por una sola sobrecarga (caída, levantamiento de pesas, etc.). Sin embargo, las lesiones más comunes asociadas con la osteoporosis son, sin embargo, lesiones de la columna vertebral, que a menudo ocurren en ausencia de supercargas, es decir. son consecuencia de la pérdida de resistencia a la fatiga. Por eso es necesario prestar atención no solo a las trabéculas orientadas longitudinalmente, sino también a las trabéculas orientadas transversalmente.
En cuanto a la aviación y otras industrias, los resultados de este estudio pueden empujar a los ingenieros a desarrollar nuevos tipos de piezas que serán ultrarresistentes y duraderas, pero que a la vez sean ultraligeras, lo que es importante para las alas de los aviones, por ejemplo.
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