Knochenmikroarchitektur als Basis für ultraleichte und langlebige Materialien

Im Skelett eines Erwachsenen befinden sich 206 Knochen, die zusammen eine muskuloskelettale und schützende Funktion ausüben. Leider sind Knochen wie alle anderen Teile des menschlichen Körpers auch anfällig für verschiedene Krankheiten, Verletzungen, Deformationen und Verletzungen. Eines der am häufigsten untersuchten Probleme des Skeletts ist die Osteoporose, bei der die innere Struktur und die Knochendichte gestört sind. Bisher wurde diese Krankheit mit Röntgenstrahlen untersucht, die es ermöglichen, die Struktur von Knochen zu untersuchen und Schwachstellen und Stärken zu identifizieren. Am häufigsten betrachteten Wissenschaftler die Knochenstärke als die maximal mögliche Einzelbelastung. Eine Gruppe von Forschern der Cornell University beschloss jedoch, das Problem der Osteoporose aus einem anderen Blickwinkel zu betrachten. Sie schlugen vor, den Knochen mit einem Autoteil zu vergleichen, das schon eine ganze Weile einwandfrei funktioniert, aber bei längerem Gebrauch irgendwie kaputt geht. Was sagten die Wissenschaftler über die neue Knochenanalysemethode, welche strukturellen Veränderungen in den Knochen können verhindert oder verändert werden, und wie kann diese Arbeit zur Bekämpfung der Osteoporose beitragen und sogar der Luftfahrt helfen? Dies erfahren wir aus dem Bericht der Forschergruppe. Lass uns gehen.

Studienbasis

Die zentrale These dieser Arbeit lautet: Die mechanischen Eigenschaften mikroarchitektonischer Materialien können aufgrund der Geometrie des Materials und nicht aufgrund seiner Zusammensetzung (Zusammensetzung) verbessert werden.

Ultraleichte mikroarchitektonische Materialien können anfangs eine erhöhte Steifigkeit und damit Festigkeit aufweisen, sie müssen jedoch auch mehreren Lastwechseln standhalten, dh nicht nur stark, sondern auch dauerhaft. Wenn wir über die natürlichen Äquivalente solcher Materialien sprechen, dann beschreiben die Knochen des menschlichen Skeletts solche Strukturen perfekt.



Knochen in ihrer Struktur bestehen aus mehreren Grundbaustoffen: kompakte Knochensubstanz, schwammige Knochensubstanz und Periost. Letzteres ist eine Membran des Knochens, die aus bestimmten Bindegeweben besteht, die Blutgefäße und zelluläre Elemente enthalten, die an der Ernährung, dem Wachstum und der Wiederherstellung von Knochen beteiligt sind.

Die kompakte Knochensubstanz ist die obere Knochenschicht und ist sehr gleichmäßig und hart. Aber der Schwamm, der sich im Knochen befindet, besteht aus vielen Platten, die sich in verschiedene Richtungen schneiden.

Die Forscher glauben, dass die Verdickung einiger der schwammigen Platten die mechanischen Gesamteigenschaften des Knochens verbessern kann, d.h. erhöhen Sie seine Stärke und Haltbarkeit.

Diese Theorie basiert auf der Tatsache, dass mikroarchitektonische Materialien einer Materialermüdung * unterliegen können , da ihre komplexe innere Geometrie zu einer Spannungsakkumulation führt.

Ermüdung des Materials * - der Prozess der allmählichen Anhäufung von Schäden, die zu einer Änderung der mechanischen Eigenschaften des Materials führen.

Wissenschaftler glauben, dass das Wichtigste in ihrer Studie darin besteht, ein Gleichgewicht zwischen der Festigkeit des Materials und seiner Ermüdungsbeständigkeit zu finden. Und da es keinen besseren Mastermind als die Natur gibt, beschlossen die Wissenschaftler, dieses Gleichgewicht in natürlichem mikroarchitektonischem Material zu suchen, d. H. in den Knochen.

Wie wir bereits wissen, enthalten Knochen viele Platten (Septen), die sich an verschiedenen Stellen schneiden und eine schwammige Substanz bilden. Diese Platten werden auch Trabekel genannt. Sie befinden sich meist in der Richtung von Spannungen, die durch normale körperliche Aktivität verursacht werden, was zur Bildung einer transversalen isotropen Mikrostruktur führt.

Frühere Studien haben gezeigt, dass der Hauptfaktor, der die Festigkeit des Spongiosaknochens beeinflusst, die Dichte / Porosität und der Gewebetensor (ein Maß für die Anisotropie * ) ist.

Anisotropie * - der Unterschied (Heterogenität) der Eigenschaften des Mediums in verschiedenen Richtungen innerhalb des Mediums.

Andere Aspekte der Mikroarchitektur und ihre Auswirkung auf die Knochenfestigkeit wurden jedoch nicht untersucht.

Die Steifheit und Festigkeit des Spongiosaknochens und anderer zellulärer Feststoffe wird durch Potenzgesetze * mit der Dichte in Verbindung gebracht.

Das Potenzgesetz * ist eine funktionale Beziehung zwischen zwei Größen, bei der eine relative Änderung in einer zu einer proportionalen Änderung in der zweiten führt.

Wissenschaftler stellen fest, dass es bereits eine Analysemethode gibt, die die Dichte der schwammigen Substanz und die Ermüdung des Materials (Anzahl der Zyklen bis zum vollständigen Verschleiß, N _f ) miteinander verbindet. Die Ermüdung schwammiger Substanzen lässt sich ihrer Meinung nach jedoch besser durch die normalisierten Verhältnisse von Stress und Ressourcen ( AN ) des Materials erklären:

σ / E ₀ 1 / √ ψ = AN ^B _f

wobei σ die maximale Druckspannung ist;
E ₀ ist der anfängliche Elastizitätsmodul (alternativ wird die Streckgrenze oder die Plateauspannung verwendet);
A und B sind empirische Konstanten (im Spongiosa variiert A zwischen 0,0091 und 0,013 und B zwischen -0,121 und -0,094).

Es ist anzumerken, dass diese Methode zur Bewertung der Materialermüdung zwar sehr erfolgreich ist, aber einige Variablen (z. B. A und B) für Materialien unterschiedlicher Herkunft (z. B. schwammiges Knochengewebe einer Person und eines Hundes) unterschiedlich sein können.

Forschungsergebnisse

Um den Zusammenhang zwischen Mikroarchitektur und Materialermüdung zu verstehen, analysierten die Wissenschaftler hochporöses (> 90%) schwammiges Knochengewebe von menschlichen Wirbeln (44 Proben von 18 Spendern).

Auf jede Probe wurde eine zyklische Druckbelastung in Richtung der üblichen physiologischen Belastung ausgeübt.

Die Materialermüdungslast wurde bei einem bestimmten Wert von Spannungszyklen gestoppt, der durch die Ansammlung von zyklischer Last bestimmt wird. Danach wurden die Anzahl und die Position aller mikroskopischen Läsionen in der Mikrostruktur unter Verwendung von Kontrastmitteln ( 1A und 1B ) bewertet.


Bild Nr. 1: Einfluss der Mikroarchitektur auf die Anhäufung von Ermüdungsverletzungen im Spongiosa.

Die Mikroarchitektur wurde mit dreidimensionalen Bildern ausgewertet und mit dem morphologischen Zerlegungsansatz analysiert, bei dem jede einzelne Partition in der Struktur isoliert und als lamellen- oder stabförmig klassifiziert sowie ihre Ausrichtung in Bezug auf die Last ( 1C und 1D ) bestimmt wird.

Es wurde festgestellt, dass die Anzahl der durch Ermüdungsbelastung verursachten Gewebeschäden mit der maximal ausgeübten Verformung korrelierte, jedoch nicht mit der Dichte der Probe oder anderen Durchschnittswerten der Mikrostruktur im Bild korrelierte.

Merkwürdigerweise war der Grad der Gewebeschädigung bei Proben mit dickeren stäbchenförmigen Septa geringer ( 1E ). Diese Beobachtung war sehr unerwartet, da die stäbchenförmigen Septa im Spongiosa-Knochen in erster Linie quer zur aufgebrachten Belastung ausgerichtet sind und sich auf belaufen
Dies sind nur 20% des harten Volumens des schwammigen Knochens mit hoher Porosität. Außerdem tragen sie nur einen geringen Teil der in Längsrichtung ausgerichteten Lasten und haben nur geringen Einfluss auf die Steifigkeit und Festigkeit in Längsrichtung.

Anschließend untersuchten die Wissenschaftler die Verteilung von Gewebeschäden an verschiedenen Stellen während des Prozesses der Ermüdungsbelastung, um die Auswirkungen stäbchenförmiger Partitionen auf die Knochenermüdung besser zu verstehen. Es wurde festgestellt, dass die Zerstörung einzelner Trabekel bei Ermüdungsbelastung nicht linear mit der Zykluszahl erfolgt und sich in Art / Ausrichtung der Trabekel unterscheidet. Anfänglich treten Brüche in stabförmigen Trabekeln auf, und in plattenförmigen Trabekeln tritt eine signifikante Anhäufung von Schäden erst auf, wenn die gesamte Struktur ( 1F ) eindeutig zerstört ist.

Die Art der Zerstörung des Septums hängt auch mit seiner Ausrichtung zusammen: Die beschädigten stabförmigen Trabekel sind überwiegend in Querrichtung ausgerichtet, während die beschädigten plattenförmigen Trabekel überwiegend in Längsrichtung ausgerichtet sind.

Die Forscher glauben, dass dieses Verhalten der Zerstörung einzelner Trennwände von der Verteilung der durch die Last verursachten Zugspannung abhängt. Die Modellierung ergab, dass die Druckbelastung zu Zugspannungen in den stabförmigen Trabekeln (hauptsächlich in Querrichtung) und zu Druckspannungen in den plattenförmigen Trabekeln (hauptsächlich in Längsrichtung) führt.

Diese Beobachtungen legen nahe, dass im Schwammgewebe des Knochens genau die quer ausgerichteten Trabekel als „gerechtfertigtes Opfer“ bei zyklischer Belastung fungieren, Gewebeschäden ansammeln und so die längs ausgerichteten Lamellentrabekel schützen, deren Zerstörung zur vollständigen Zerstörung der Struktur führt.


Bild Nr. 2: Schwammknochenmodelle, die mittels 3D-Druck erhalten wurden, zeigen, dass die Ermüdungsfestigkeit empfindlich gegenüber kleinen Änderungen der Mikroarchitektur ist.

Ein weiterer wichtiger Bestandteil der Schadensakkumulation im Spongiosa ist die Gewebeheterogenität. Um die Auswirkungen der Mikrostruktur von denen zu isolieren, die mit der Heterogenität des Materials zusammenhängen, haben Wissenschaftler dreidimensionale Modelle der Mikrostruktur des Spongiosa-Knochens erstellt ( 2A und 2B ).

Die schwammige Knochenmikrostruktur ( 2B ) wurde durch Hinzufügen von Material zur Oberfläche der transversalen Trabekel modifiziert. Es gab drei Arten von Änderungen: keine Änderung (ursprüngliche Geometrie); +20 μm auf der Oberfläche (durchschnittliche Zunahme der Trabekeldicke um 20 ± 5%); +60 μm auf jeder Oberfläche (durchschnittliche Zunahme der Trabekeldicke um 45 ± 14%).

Da die stabförmigen Quertrabekel nur einen kleinen Teil des Feststoffvolumens ausmachen und nur einen kleinen Teil der Längslasten tragen, wirkte sich die Verdickung der stabförmigen Trennwände nur geringfügig auf die Dichte aus, die um 11 ± 8% ( 2C ) zunahm, und auf die Steifigkeit, deren Elastizitätsmodul 22 zunahm ± 19% ( 2D ).

Wenn solche Änderungen gleichmäßig in der Mikrostruktur stattfinden, variiert die Dauerfestigkeit sehr geringfügig. Gilt eine solche Änderung nur für stabförmige Trabekel, erhöht sich die Dauerfestigkeit um zwei Größenordnungen ( 2E ).

Um zu bestätigen, dass die Schadensakkumulation sowohl in den Modellen als auch im Spongiosa fortschreitet, wurden Schadensstudien an dreidimensional gedruckten Proben nach einer bestimmten Belastung mit einem Röntgenkontrastfarbstoff durchgeführt.

Es wurde festgestellt, dass in Modellen die durch Kontrast definierten Schadensakkumulationsstellen in der gesamten Struktur sowie im zuvor untersuchten schwammigen Knochengewebe verteilt sind ( 2F ). Die gedruckten Modelle, die dickere stangenförmige Trennwände aufwiesen, zeigten jedoch eine verringerte Schadensakkumulation ( 2G ).

Daher kann die Anhäufung von Schäden aufgrund von Ermüdungsbelastung verringert werden, indem die Dicke der stabförmigen Trabekel innerhalb der Struktur des schwammigen Knochengewebes oder ähnlicher Septen in einer dreidimensional gedruckten Probe geändert wird.

Es wurde auch deutlich, dass die durchschnittliche Zugspannung bei stabförmigen Trabekeln (hauptsächlich in Querrichtung) höher war als bei Plattentrabekeln (hauptsächlich in Längsrichtung). Dies legt nahe, dass die Lokalisierung des Schadens der Spannungsverteilung in der Mikroarchitektur entspricht, wie sie in echtem Spongiosa gefunden wurde.

Zusammenfassend schlagen die Wissenschaftler vor, dass eine leichte Zunahme der Masse, die sich auf die quer ausgerichteten Strukturkomponenten der Mikroarchitektur konzentriert, die Zugspannung verringern kann, was einen signifikanten Beitrag zur Dauerfestigkeit darstellt.


Bild 3: Einfluss des Quervolumens auf die Dauerfestigkeit poröser (zellulärer) Feststoffe.

Dann beschlossen die Forscher zu prüfen, ob ihre Entdeckungen auf andere poröse Feststoffe und andere Verformungsmechanismen anwendbar sind. Hierzu wurden Modelle von konventionellen und modifizierten Oktettbindern * ( Oktettbindern ) erstellt. Letztere unterschieden sich von gewöhnlichen insofern, als sie Elemente in Form von Platten und Stäben aufwiesen, die die Mikrostruktur und Anisotropie des Trabekelknochens imitierten ( 3A ).

Bauernhof * - in diesem Fall ist nicht Ackerland gemeint, sondern eine Stabstruktur, die nach dem Ersetzen starrer Knoten durch Gelenkknoten unverändert bleibt.


Ein Beispiel für eine Oktettfarm.

Octet Farm * - diese Bauweise wurde 1961 von Richard Buckminster Fuller (1895–1981) vorgeschlagen. Die Struktur basiert auf einem oktaedrisch-tetraedrischen geometrischen Muster, das aus Linien besteht, die die Zentren der Kugeln verbinden, sodass jede Kugel von zwölf anderen Kugeln umgeben ist.

Die Mikrostruktur des Spongiosaknochens zeigt ein Verhalten, bei dem die Biegeverformung überwiegt, der übliche Achteckbinder eine Zugspannung ist und bei modifizierten Achteckbindern eine Kombination aus Biegen und Strecken beobachtet wird.

Infolgedessen führte eine Zunahme der Querdicke der Stäbe in knochenförmigen Mikroarchitekturen zu einer Zunahme der Ermüdungsfestigkeit um das 8-fache ( 3 V ), während die Dichte leicht zunahm (+ 4%), ebenso wie die Längssteifigkeit (+ 20%).

In einer Oktettfarm führte eine Erhöhung der Querdicke der Stäbe zu einer Erhöhung der Dauerfestigkeit um den Faktor 5 ( 3B ), eine Erhöhung der Dichte um 10% und eine Erhöhung der Längssteifigkeit um 14%.

Aber mit den modifizierten Oktettfarmen war die Situation viel interessanter. Wenn dieses Modell um 90 ° gedreht wurde, so dass die verdickten Elemente vertikal ausgerichtet und zu den aufgebrachten Lasten geneigt waren, verringerte sich die Dauerfestigkeit im Vergleich zum Modell ohne verdickte Streben um das Neunfache. Dies legt nahe, dass der Einfluss der Querelemente auf die Dauerfestigkeit mit dem Anteil des Materials zusammenhängt, der über die Last orientiert ist, und nicht mit der Dicke der Querstangen an sich. Um genau zu verstehen, wie die quer ausgerichteten Elemente die Anhäufung von Ermüdungsschäden beeinflussen, wurde die Finite-Elemente-Methode für mehrere Lastzyklen angewendet.

Ermüdungsschäden beinhalten einen lokalen irreversiblen Prozess der Energiedissipation, der zu einer Erhöhung der Energiedissipation führt. Die Finite-Elemente-Modelle der ersten 5-25 Lastzyklen zeigten, dass die Dauerfestigkeit der oktett- und knochenartigen Mikroarchitektur mit und ohne verdickte Stäbe in engem Zusammenhang mit der plastischen Energiedissipation pro Arbeitseinheit ( 3C ) steht.

Eine Erhöhung des Quervolumenanteils ( ψ ist der Anteil des in Querrichtung zur Last orientierten Feststoffvolumens) in diesen mikroarchitektonischen Materialien verringert daher die Energiedissipation und die Schadensakkumulation während der zyklischen Belastung. Eine solche Beobachtung ähnelt der Situation bei stabförmigen Trabekeln (hauptsächlich in Querrichtung), bei denen sich weniger Schäden im Trabekelknochen ansammelten, wenn ihre Dicke geringfügig erhöht wurde ( 1E ).

Die Verwendung einer einzelnen Superlast (Verformung von 50%) zeigte, dass Knochen und mikroarchitektonische Materialien in der Lage sind, den größten Teil der Schäden nach einer angelegten Beanspruchung zu reparieren, was durch elastische (reversible) Verformungen in quer ausgerichteten Stäben erklärt wird.

So wird deutlich, dass gerade die quer ausgerichteten Stäbe oder Trennwände (Trabekel) eine wichtige Rolle bei der Abwehr von Ermüdungsbrüchen spielen. Mit anderen Worten, die Beobachtungen zeigen, dass es auf die Geometrie der Struktur ankommt und nicht auf ihre chemische Zusammensetzung.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich, dass Sie sich den Bericht der Wissenschaftler und weitere Materialien dazu ansehen.

Nachwort

In dieser Arbeit konnten die Forscher nachweisen, dass Mikrostrukturen extrem langlebig und verformungsbeständig sind. Die Hauptschlussfolgerung ist die Tatsache, dass die Herkunft des Materials (biologisch oder synthetisch) keine Rolle spielt, wenn die richtige Geometrie der inneren Elemente der Mikroarchitektur angewendet wird. Durch Ändern der Dicke einzelner Komponenten können Sie die Lebensdauer der gesamten Struktur verlängern, ohne dass wesentliche Verluste durch Steifheit, Festigkeit oder andere wichtige mechanische Eigenschaften auftreten.

Diese Studie kann nach Ansicht der Autoren in der Medizin Anwendung finden und ein besseres Verständnis der mit Osteoporose verbundenen Prozesse ermöglichen. Bei Osteoporose kommt es zu einer Verschlechterung der Mikrostruktur des Spongiosaknochens, was sich in einer starken Abnahme der Anzahl und Stärke der quer ausgerichteten Trabekel äußert. Bisher wurde angenommen, dass Steifheit, Festigkeit und Energieabsorption des Trabekelknochens fast ausschließlich von in Längsrichtung ausgerichteten Trabekeln abhängen. In dieser Studie wurde jedoch nachgewiesen, dass transversal orientierte eine wichtige Rolle spielen, insbesondere im Rahmen der Ermüdungsfestigkeit von Knochen. Die Forscher lehnen die Tatsache nicht ab, dass viele Knochenverletzungen bei Patienten mit Osteoporose durch eine einzige Überlastung (Sturz, Gewichtheben usw.) verursacht werden. Die häufigsten Verletzungen im Zusammenhang mit Osteoporose sind jedoch Verletzungen der Wirbelsäule, die häufig auftreten, wenn keine Überlasten vorhanden sind, d.h. sind eine Folge des Verlustes der Dauerfestigkeit. Deshalb ist es notwendig, nicht nur auf längsgerichtete, sondern auch auf quergerichtete Trabekel zu achten.

Was die Luftfahrtindustrie und andere Industrien betrifft, könnten die Ergebnisse dieser Studie die Ingenieure dazu veranlassen, neue Arten von Teilen zu entwickeln, die extrem stark und langlebig sind und gleichzeitig ultraleicht bleiben, was beispielsweise für Flugzeugflügel wichtig ist.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs! :)

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