في الهيكل العظمي للبالغين ، هناك 206 عظام ، تؤدي معا وظيفة العضلات والعظام والوقاية. لسوء الحظ ، مثلها مثل جميع الأجزاء الأخرى من جسم الإنسان ، فإن العظام عرضة أيضًا لمختلف الأمراض والإصابات والتشوهات والإصابات. واحدة من أكثر مشاكل الهيكل العظمي التي تمت دراستها هي مرض هشاشة العظام ، بسبب اضطراب الهيكل الداخلي وكثافة العظام. في السابق ، تم دراسة هذا المرض عن طريق الأشعة السينية ، والتي تجعل من الممكن دراسة بنية العظام وتحديد نقاط الضعف والقوة. في معظم الأحيان ، نظر العلماء في قوة العظم من حيث الحد الأقصى للحمل الفردي الممكن. ومع ذلك ، قررت مجموعة من الباحثين من جامعة كورنيل النظر في مشكلة هشاشة العظام من زاوية مختلفة. اقترحوا مقارنة العظم بجزء السيارة الذي يعمل بشكل جيد لفترة طويلة ، ولكن بطريقة ما تنهار بسبب الاستخدام لفترة طويلة. ماذا قال العلماء عن الطريقة الجديدة لتحليل العظام ، ما هي التغيرات الهيكلية في العظام التي يمكن الوقاية منها أو تغييرها ، وكيف يمكن لهذا العمل أن يساهم في مكافحة مرض هشاشة العظام وحتى يساعد الطيران؟ نتعرف على هذا من تقرير مجموعة الأبحاث. دعنا نذهب.
أساس الدراسة
الأطروحة الرئيسية لهذا العمل هي: يمكن تحسين الخواص الميكانيكية للمواد المعمارية الدقيقة بسبب هندسة المادة ، وليس بسبب تركيبها (التكوين).
في البداية ، قد يكون للمواد المعمارية الدقيقة للغاية صلابة متزايدة ، وبالتالي قوة ، ولكن يجب أيضًا أن تصمد أمام دورات تحميل متعددة ، وهذا ليس قويًا فحسب ، بل دائمًا أيضًا. إذا تحدثنا عن المكافئات الطبيعية لمثل هذه المواد ، فإن عظام الهيكل العظمي البشري تصف مثل هذه الهياكل تمامًا.
تتكون العظام في بنيتها من عدة مواد بناء أساسية: مادة العظم المضغوط ، مادة العظم الإسفنجي والسمحاق. هذا الأخير هو غشاء العظم ، والذي يتكون من بعض الأنسجة الضامة التي تحتوي على الأوعية الدموية والعناصر الخلوية المشاركة في التغذية والنمو واستعادة العظام.
المادة العظمية المدمجة هي الطبقة العليا للعظم وموحدة للغاية وصعبة. لكن الإسفنجي ، الموجود داخل العظم ، يتكون من العديد من الأطباق تتقاطع في اتجاهات مختلفة.
يعتقد الباحثون أن سماكة بعض الصفائح الإسفنجية يمكن أن تحسن الخواص الميكانيكية الكلية للعظام ، أي زيادة قوتها والمتانة.
تعتمد هذه النظرية على حقيقة أن المواد المعمارية الدقيقة قد تتعرض
للإرهاق المادي * ، لأن هندستها الداخلية المعقدة تؤدي إلى تراكم الضغط.
التعب من المواد * - عملية التراكم التدريجي للأضرار ، مما يؤدي إلى تغيير في الخواص الميكانيكية للمادة.
يعتقد العلماء أن أهم شيء في دراستهم هو إيجاد توازن بين قوة المادة ومقاومتها للتعب. وبما أنه لا يوجد العقل المدبر أفضل من الطبيعة ، فقد قرر العلماء السعي لتحقيق هذا التوازن في المواد المعمارية الدقيقة الطبيعية ، أي في العظام.
كما نعلم بالفعل ، تحتوي العظام على العديد من الألواح (الحاجز) التي تتقاطع عند نقاط مختلفة ، وتشكل مادة إسفنجية. وتسمى هذه اللوحات أيضا trabeculae. غالباً ما تقع في اتجاه الضغوط الناتجة عن النشاط البدني الطبيعي ، مما يؤدي إلى تشكيل المجهرية المتناحية المستعرضة.
وقد أظهرت الدراسات السابقة أن العامل الرئيسي الذي يؤثر على قوة العظم إسفنجي هو الكثافة / المسامية وتوتر الأنسجة (مقياس
تباين الخواص * ).
تباين * - الفرق (عدم التجانس) لخصائص الوسط في اتجاهات مختلفة داخلها.
لكن جوانب أخرى من العمارة الدقيقة وتأثيرها على قوة العظام لم تتم دراستها.
ترتبط صلابة وقوة العظام الملغومة والمواد الصلبة الخلوية الأخرى بالكثافة من خلال
قوانين الطاقة * .
قانون القوة * هو علاقة وظيفية بين كميتين ، يؤدي فيه التغيير النسبي في أحدهما إلى تغيير نسبي في الثانية.
يلاحظ العلماء أن هناك بالفعل طريقة تحليلية تربط كثافة المادة الأسفنجية وإرهاق المادة (عدد الدورات لاستكمال التآكل ،
N و ). ومع ذلك ، فإن إرهاق المواد الإسفنجية ، حسب رأيهم ، يفسر بشكل أفضل من خلال نسب التطبيع ومعدل الإجهاد (
AN ) للمادة:
σ /
E 0 1 / √
ψ =
AN B fحيث
σ هو أقصى ضغط ضغط ؛
E
0 هو معامل Young الأولي (بدلاً من ذلك ، يتم استخدام قوة الخضوع أو إجهاد الهضبة) ؛
A و
B هي ثوابت تجريبية (في العظم الإسفنجي ، يتراوح
A من 0.0091 إلى 0.013 ، ويتراوح
B من -0.121 إلى -0.094).
تجدر الإشارة إلى أن هذه الطريقة لتقييم التعب المادي ، على الرغم من أنها ناجحة للغاية ، ولكن قد تختلف بعض المتغيرات (على سبيل المثال ، A و B) بالنسبة للمواد ذات الأصل المختلف (على سبيل المثال ، الأنسجة العظمية الإسفنجية للشخص والكلب).
نتائج البحوث
لفهم العلاقة بين البنية الدقيقة والتعب المادي ، قام العلماء بتحليل الأنسجة العظمية الإسفنجية (> 90 ٪) المسامية للغاية من الفقرات البشرية (44 عينة من 18 متبرع).
تم تطبيق حمل ضغط دوري على كل عينة في اتجاه الحمل الفسيولوجي المعتاد.
توقف حمل التعب المادي عند قيمة معينة من دورات الإجهاد ، والتي تحددها تراكم الحمل الدوري. بعد ذلك ، تم تقييم عدد وموقع جميع الآفات المجهرية في المجهر باستخدام عوامل التباين (
1A و
1B ).
الصورة رقم 1: تأثير العمارة الدقيقة على تراكم إصابات التعب في العظام الإسفنجي.تم تقييم البنية الدقيقة باستخدام صور ثلاثية الأبعاد وتحليلها باستخدام نهج التحلل المورفولوجي ، الذي يعزل كل قسم على حدة في الهيكل ويصنفه على شكل رقائقي أو على شكل قضيب ، ويحدد أيضًا اتجاهه فيما يتعلق بالتحميل (
1C و
1D ).
وقد وجد أن عدد تلف الأنسجة الناجم عن تحميل التعب يرتبط بأقصى تشوه مطبق ، لكنه لا يرتبط بكثافة العينة أو متوسطات البنية المجهرية الأخرى في الصورة.
الغريب ، أن درجة تلف الأنسجة كانت أقل في العينات مع الحاجز السميك على شكل قضيب (
1E ). كانت هذه الملاحظة غير متوقعة للغاية ، نظرًا لأن الحاجز على شكل قضيب في العظم الإسفنجي موجه أساسًا بشكل مستعرض إلى الحمل المطبق ، والذي يصل إلى
هذا هو 20 ٪ فقط من حجم الثابت للعظم الإسفنجي من المسامية العالية. بالإضافة إلى ذلك ، فهي تحمل جزءًا صغيرًا فقط من الأحمال ذات الاتجاه الطولي وليس لها تأثير يذكر على الصلابة والقوة في الاتجاه الطولي.
قام العلماء بعد ذلك بالتحقيق في توزيع تلف الأنسجة في نقاط مختلفة أثناء عملية تحميل التعب ، مما سمح لهم بفهم أفضل لتأثير الأجزاء الشبيهة بالقضبان على تعب العظام. وقد وجد أن تدمير trabeculae الفردية أثناء تحميل التعب يحدث بشكل غير خطي مع رقم الدورة ويختلف في نوع / اتجاه trabeculae. في البداية ، تحدث الكسور في الترابيكولاي على شكل قضبان ، وفي الترابيكولي الذي يشبه الصفائح ، لا يحدث تراكم كبير للضرر حتى يتم تدمير الهيكل بالكامل (
1F ) بشكل واضح.
ترتبط طبيعة تدمير الحاجز أيضًا بتوجهه: يتم توجيه الغراب الترابي على شكل قضبان في الغالب في الاتجاه العرضي ، في حين أن الترابيولات التالفة على شكل صفيحة موجهة في الغالب في الاتجاه الطولي.
يعتقد الباحثون أن هذا السلوك لتدمير الأجزاء الفردية يعتمد على توزيع الإجهاد الشد الناجم عن الحمل. أظهرت النماذج أن الحمل الانضغاطي يؤدي إلى إجهاد الشد في التربيقات على شكل قضيب (الموجه بشكل عرضي بشكل أساسي) والإجهاد الضغطي في الترابيكولاي على شكل صفيحة (موجهة أساسياً طولياً).
تشير هذه الملاحظات إلى أنه في الأنسجة الإسفنجية للعظم ، فإن الأضلاع ذات الاتجاه العكسي هي بالتحديد بمثابة "ضحية مبررة" أثناء التحميل الدوري ، وتراكم تلف الأنسجة ، وبالتالي ، حماية الأنسجة الصفائحية ذات الاتجاه الطولي ، والتي سيؤدي تدميرها إلى التدمير الكامل للبنية.
الصورة رقم 2: تُظهر نماذج عظام الإسفنج التي تم الحصول عليها باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد أن قوة التعب حساسة للتغيرات الصغيرة في البنية الدقيقة.عنصر آخر مهم لتراكم الضرر في العظم إسفنجي هو عدم تجانس الأنسجة. لعزل آثار البنية المجهرية عن تلك المرتبطة بعدم تجانس المادة ، ابتكر العلماء نماذج ثلاثية الأبعاد من البنية المجهرية للعظم إسفنجي (
2A و
2B ).
تم تعديل المجهر العظمي الإسفنجي (
2B ) عن طريق إضافة المواد إلى سطح التربيقات المستعرضة. كان هناك ثلاثة أنواع من التعديلات: لا تغيير (الهندسة الأصلية) ؛ + 20 ميكرون على السطح (متوسط الزيادة في سمك التربك بنسبة 20 ± 5 ٪) ؛ +60 ميكرون على كل سطح (متوسط الزيادة في سمك التربيق بنسبة 45 ± 14 ٪).
بما أن التربيقات المستعرضة على شكل قضبان تشكل جزءًا صغيرًا فقط من الحجم الصلب وتحمل فقط جزءًا صغيرًا من الأحمال الطولية ، فإن سماكة الأقسام الشبيهة بالقضيب كان لها تأثير صغير فقط على الكثافة ، التي زادت بنسبة 11 ± 8٪ (
2C ) ، وعلى الصلابة ، وزيادة صلابة Young الطولية منها ± 19 ٪ (
2D ).
إذا حدثت مثل هذه التغييرات بشكل موحد في جميع أنحاء المجهرية ، فإن قوة التعب تختلف قليلاً. إذا كانت هذه التغييرات قابلة للتطبيق فقط على التربيق على شكل قضيب ، فإن قوة التعب تزيد بأمرين من الحجم (
2E ).
للتأكد من استمرار تراكم الأضرار في النماذج وكذلك في العظم الإسفنجي ، أجريت دراسات التلف في عينات مطبوعة ثلاثية الأبعاد بعد تحميل معين باستخدام صبغة تباين بالأشعة السينية.
وقد وجد أنه في النماذج ، يتم توزيع مواقع تراكم الأضرار المحددة بواسطة التباين في جميع أنحاء الهيكل ، وكذلك في نسيج العظم الإسفنجي الذي تمت دراسته مسبقًا (
2F ). لكن النماذج ، عند طباعتها والتي تم تعيينها على شكل أقسام أكثر سمكًا على شكل قضبان ، أظهرت انخفاضًا في تراكم الأضرار (
2G ).
لذلك ، يمكن تقليل تراكم الضرر الناجم عن تحميل التعب عن طريق تغيير سمك الترباج على شكل قضيب داخل بنية الأنسجة العظمية الإسفنجية أو الحاجز المماثل في عينة مطبوعة ثلاثية الأبعاد.
أصبح من الواضح أيضًا أن متوسط إجهاد الشد في الترابيكولات على شكل قضيب (الموجه بشكل مستعرض بشكل أساسي) كان أعلى منه في ترابيكي الطبق (الموجه أساسًا طولياً). هذا يشير إلى أن توطين الضرر يتوافق مع توزيع الضغوط في البنية الدقيقة ، كما وجد في عظم إسفنجي حقيقي.
بتلخيص الملاحظات المذكورة أعلاه ، يشير العلماء إلى أن الزيادة الطفيفة في الكتلة ، المركزة على المكونات الهيكلية ذات الاتجاه المستعرض للهندسة المعمارية الدقيقة ، يمكن أن تقلل من إجهاد الشد ، وهو ما يمثل مساهمة مهمة في قوة التعب.
شكل 3: تأثير الحجم المستعرض على قوة التعب للمواد الصلبة (الخلوية) المسامية.ثم قرر الباحثون التحقق مما إذا كانت اكتشافاتهم قابلة للتطبيق على المواد الصلبة الأخرى التي يسهل اختراقها وغيرها من آليات التشوه. لهذا الغرض ، تم إنشاء نماذج من
دعامات الثمانينات التقليدية والمعدلة
* (
تروس الثماني ). هذا الأخير يختلف عن العناصر العادية من حيث أنه كان لديه عناصر على شكل ألواح وقضبان ، مما يقلد المجهرية وتباين الخواص للعظم التربيقي (
3A ).
Farm * - في هذه الحالة ، ليست الأرض الزراعية هي المقصود ، ولكن هيكل قضيب ، الذي لم يتغير بعد استبدال العقد الصلبة بأخرى مفصلية.
مثال لمزرعة الثماني.
مزرعة أوكتيه * - اقترح هذا النوع من البناء في عام 1961 بواسطة ريتشارد باكمنستر فولر (1895-1981). يعتمد الهيكل على نمط هندسي رباعي السطوح ، يتكون من خطوط تربط مراكز الكرات بحيث تحيط كل كرة بـ 12 كرة أخرى.
تُظهر البنية المجهرية للعظم الإسفنجي سلوكًا يسود فيه تشوه الانحناء ، وترأس الثماني المعتادة هو إجهاد الشد ، وفي دعامات الثُمَّامات المعدَّلة ، يُلاحظ مزيج من الانحناء والتمدد.
ونتيجة لذلك ، أدت الزيادة في السماكة المستعرضة للقضبان في البنى الدقيقة على شكل عظم إلى زيادة في قوة التعب بنسبة 8 مرات (
3 فولت ) ، بينما زادت الكثافة قليلاً (+ 4٪) ، كما فعلت الصلابة الطولية (+ 20٪).
في مزرعة الثماني ، أدت الزيادة في السماكة المستعرضة للقضبان إلى زيادة قوة التعب بعامل 5 (
3B ) ، والكثافة بنسبة 10 ٪ ، والتصلب الطولي بنسبة 14 ٪.
ولكن مع مزارع الثمانيات المعدلة ، كان الوضع أكثر إثارة للاهتمام. عندما تم تدوير هذا النموذج بزاوية 90 درجة بحيث تكون العناصر السميكة موجهة رأسياً وتميل إلى الأحمال المطبقة ، انخفضت قوة التعب بنسبة 9 مرات مقارنة بالنموذج دون دعامات سميكة. هذا يشير إلى أن تأثير العناصر العرضية على قوة التعب يرتبط بنسبة المواد الموجهة عبر الحمل ، وليس مع سمك قضبان عرضية في حد ذاتها. من أجل فهم بالضبط كيف تؤثر العناصر ذات الاتجاه المستعرض على تراكم تلف التعب ، تم تطبيق طريقة العناصر المحدودة لعدة دورات تحميل.
يتضمن تلف الإرهاق عملية محلية لا رجعة فيها لتبديد الطاقة ، مما يؤدي إلى زيادة تبديد الطاقة. أوضحت نماذج العناصر المحدودة لدورات الحمل الأولى من 5 إلى 25 أن قوة الإرهاق للثمانية والبنية الدقيقة للعظام مع وبدون قضبان سميكة مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بتبديد الطاقة البلاستيكية لكل وحدة عمل (
3C ).
لذلك ، فإن الزيادة في جزء الحجم العرضي (
ψ هي جزء من الحجم الصلب الموجه في الاتجاه العرضي إلى الحمل) في هذه المواد المعمارية الدقيقة تقلل من تبديد الطاقة وتراكم الأضرار أثناء التحميل الدوري. تشبه هذه الملاحظة الموقف مع الترابيكولات على شكل قضيب (الموجه بشكل مستعرض بشكل أساسي) ، والتي شهدت تراكمًا أقل للضرر في العظم التربيني ، إذا زاد سمكها قليلاً (
1E ).
أظهر استخدام أحمال فائقة واحدة (تشوه بنسبة 50 ٪) أن العظام والمواد المعمارية الدقيقة قادرة على إصلاح معظم الأضرار بعد الإجهاد المطبق ، والذي يفسره التشوهات المرنة (القابلة للانعكاس) في قضبان ذات اتجاه عرضي.
وبالتالي ، يصبح من الواضح أنه على وجه التحديد ، فإن القضبان أو الأقسام ذات الاتجاه العرضي (trabeculae) هي التي تلعب دورًا مهمًا في مقاومة فشل التعب. بمعنى آخر ، تظهر الملاحظات أن هندسة الهيكل مهمة ، وليس تركيبها الكيميائي.
للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في
تقرير العلماء ومواد
إضافية إليه.
خاتمة
في هذا العمل ، تمكن الباحثون من إثبات أن المجهرية يمكن أن تكون متينة للغاية ومقاومة للتشوه. الاستنتاج الرئيسي هو حقيقة أن أصل المادة (البيولوجية أو الاصطناعية) لا يهم عند تطبيق الهندسة الصحيحة للعناصر الداخلية للهندسة الدقيقة. يتيح لك تغيير سمك المكونات الفردية إطالة عمر الهيكل بأكمله ، دون خسائر كبيرة من الصلابة أو القوة أو غيرها من الخصائص الميكانيكية الهامة.
يمكن أن تجد هذه الدراسة ، حسب مؤلفيها ، تطبيقها في الطب ، مما يسمح بفهم أفضل للعمليات المرتبطة بهشاشة العظام. لهشاشة العظام يتميز تدهور المجهرية للعظم إسفنجي ، والتي يتم التعبير عنها في انخفاض حاد في عدد وقوة trabeculae ذات الاتجاه المستعرض. كان يعتقد في السابق أن تصلب وقوة وامتصاص طاقة العظم التربيقي يعتمد كليًا تقريبًا على التربيقات ذات الاتجاه الطولي. ولكن في هذه الدراسة ، ثبت أن تلك المنحى عرضياً تلعب دوراً هاماً ، وخاصة في إطار قوة التعب في العظام. لا يرفض الباحثون حقيقة أن العديد من الإصابات العظمية لدى مرضى هشاشة العظام ناجمة عن فرط الحمل المفرط (السقوط ، رفع الأثقال ، إلخ). ومع ذلك ، فإن الإصابات الأكثر شيوعًا المرتبطة بهشاشة العظام هي مع ذلك إصابات في العمود الفقري ، والتي تحدث غالبًا في حالة عدم وجود حمولات فائقة ، أي هي نتيجة لفقدان قوة التعب. هذا هو السبب في أنه من الضروري الانتباه ليس فقط إلى المنحى طوليا ، ولكن أيضا إلى trabeculae ذات الاتجاه المستعرض.
أما بالنسبة للصناعات الطيرانية والصناعات الأخرى ، فقد تدفع نتائج هذه الدراسة المهندسين إلى تطوير أنواع جديدة من الأجزاء التي ستكون قوية جدًا ومتينة ، في حين تظل خفيفة جدًا ، وهي مهمة بالنسبة إلى أجنحة الطائرات ، على سبيل المثال.
شكرا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ولديك أسبوع عمل جيدًا يا شباب! :)
شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية لأصدقائك ،
سحابة VPS للمطورين من 4.99 دولار ،
خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من الخوادم على مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 النوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 دولار أو كيفية مشاركة خادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).
ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا
2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجابايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن
كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟