Dans le squelette d'un adulte, il y a 206 os, qui remplissent ensemble une fonction musculo-squelettique et protectrice. Malheureusement, comme toutes les autres parties du corps humain, les os sont également sensibles à diverses maladies, blessures, déformations et blessures. L'ostéoporose est l'un des problèmes les plus étudiés du squelette, en raison duquel la structure interne et la densité osseuse sont perturbées. Auparavant, cette maladie était étudiée au moyen de rayons X, qui permettent d'étudier la structure des os et d'identifier les points faibles et forts. Le plus souvent, les scientifiques ont considéré la résistance osseuse en termes de charge unique maximale possible. Cependant, un groupe de chercheurs de l'Université Cornell a décidé d'examiner le problème de l'ostéoporose sous un angle différent. Ils ont suggéré de comparer un os avec une pièce de voiture qui fonctionnait bien depuis un certain temps, mais qui se décompose en raison d'une utilisation prolongée. Qu'ont dit les scientifiques de la nouvelle méthode d'analyse osseuse, quels changements structurels dans les os peuvent être évités ou modifiés, et comment ce travail peut-il contribuer à la lutte contre l'ostéoporose et même aider l'aviation? Nous en apprenons à travers le rapport du groupe de recherche. Allons-y.
Base d'étude
La thèse centrale de ce travail est: les propriétés mécaniques des matériaux microarchitecturaux peuvent être améliorées du fait de la géométrie du matériau, et non de sa composition (composition).
Les matériaux microarchitecturaux ultra-légers peuvent initialement avoir une rigidité et donc une résistance accrues, mais ils doivent également résister à de multiples cycles de charge, c'est-à-dire non seulement solides, mais également durables. Si nous parlons des équivalents naturels de ces matériaux, alors les os du squelette humain décrivent parfaitement ces structures.
Les os dans leur structure se composent de plusieurs matériaux de construction de base: substance osseuse compacte, substance osseuse spongieuse et périoste. Cette dernière est une membrane osseuse, constituée de certains tissus conjonctifs contenant des vaisseaux sanguins et des éléments cellulaires impliqués dans la nutrition, la croissance et la restauration des os.
La substance osseuse compacte est la couche supérieure de l'os et est très uniforme et dure. Mais le spongieux, qui est situé à l'intérieur de l'os, se compose de nombreuses plaques se croisant dans des directions différentes.
Les chercheurs pensent que l'épaississement de certaines plaques spongieuses peut améliorer les propriétés mécaniques globales de l'os, c'est-à-dire augmenter sa résistance et sa durabilité.
Cette théorie est basée sur le fait que les matériaux microarchitecturaux peuvent être soumis à
la fatigue des matériaux * , car leur géométrie interne complexe conduit à une accumulation de contraintes.
Fatigue du matériau * - processus d'accumulation progressive des dommages, entraînant une modification des propriétés mécaniques du matériau.
Les scientifiques pensent que la chose la plus importante dans leur étude est de trouver un équilibre entre la résistance du matériau et sa résistance à la fatigue. Et comme il n'y a pas de meilleur cerveau que la nature, les scientifiques ont décidé de rechercher cet équilibre dans les matériaux microarchitecturaux naturels, c'est-à-dire dans les os.
Comme nous le savons déjà, les os contiennent de nombreuses plaques (septa) qui se croisent en différents points, formant une substance spongieuse. Ces plaques sont également appelées trabécules. Ils sont le plus souvent situés dans le sens de contraintes provoquées par une activité physique normale, ce qui conduit à la formation d'une microstructure isotrope transversale.
Des études antérieures ont révélé que le principal facteur affectant la résistance de l'os trabéculaire est la densité / porosité et le tenseur tissulaire (une mesure de l'
anisotropie * ).
Anisotropie * - la différence (hétérogénéité) des propriétés du milieu dans diverses directions à l'intérieur.
Mais d'autres aspects de la microarchitecture et leur effet sur la résistance osseuse n'ont pas été étudiés.
La rigidité et la résistance de l'os spongieux et des autres solides cellulaires sont associées à la densité par le biais
des lois de puissance * .
La loi de puissance * est une relation fonctionnelle entre deux quantités, dans laquelle un changement relatif dans l'un conduit à un changement proportionnel dans la seconde.
Les scientifiques notent qu'il existe déjà une méthode analytique liant la densité de la substance spongieuse et la fatigue du matériau (nombre de cycles pour terminer l'usure,
N f ). Cependant, la fatigue des substances spongieuses, à leur avis, s'explique mieux par les rapports normalisés de contrainte et de ressource (
AN ) du matériau:
σ /
E 0 1 / √
ψ =
AN B foù
σ est la contrainte de compression maximale;
E
0 est le module d'Young initial (en variante, la limite d'élasticité ou la contrainte de plateau est utilisée);
A et
B sont des constantes empiriques (dans l'os spongieux,
A varie de 0,0091 à 0,013 et
B varie de -0,121 à -0,094).
Il convient de noter que cette méthode d'évaluation de la fatigue des matériaux, bien qu'elle soit très efficace, mais certaines variables (par exemple, A et B) peuvent différer pour des matériaux d'origine différente (par exemple, le tissu osseux spongieux d'une personne et d'un chien).
Résultats de recherche
Pour comprendre la relation entre la microarchitecture et la fatigue des matériaux, les scientifiques ont analysé le tissu osseux spongieux hautement poreux (> 90%) des vertèbres humaines (44 échantillons provenant de 18 donneurs).
Une charge de compression cyclique a été appliquée à chaque échantillon dans le sens de la charge physiologique habituelle.
La charge de fatigue du matériau s'est arrêtée à une certaine valeur des cycles de contrainte, déterminée par l'accumulation de charge cyclique. Après cela, le nombre et l'emplacement de toutes les lésions microscopiques dans la microstructure ont été évalués en utilisant des agents de contraste (
1A et
1B ).
Image n ° 1: l'influence de la microarchitecture sur l'accumulation de lésions de fatigue dans l'os spongieux.La microarchitecture a été évaluée à l'aide d'images tridimensionnelles et analysée à l'aide de l'approche de décomposition morphologique, qui isole chaque partition individuelle de la structure et la classe comme lamellaire ou en forme de tige, et détermine également son orientation par rapport à la charge (
1C et
1D ).
Il a été constaté que le nombre de lésions tissulaires causées par la charge de fatigue était en corrélation avec la déformation maximale appliquée, mais pas en corrélation avec la densité de l'échantillon ou d'autres moyennes de microstructure dans l'image.
Curieusement, le degré de lésion tissulaire était moindre dans les échantillons avec des septa plus épais en forme de bâtonnet (
1E ). Cette observation était très inattendue, car les septa en forme de bâtonnet dans l'os spongieux sont principalement orientés transversalement à la charge appliquée,
cela ne représente que 20% du volume dur de l'os spongieux de haute porosité. De plus, ils ne portent qu'une petite fraction des charges orientées longitudinalement et ont peu d'effet sur la rigidité et la résistance dans le sens longitudinal.
Les scientifiques ont ensuite étudié la distribution des dommages tissulaires à différents points au cours du processus de charge de fatigue, ce qui leur a permis de mieux comprendre l'effet des cloisons en forme de bâtonnet sur la fatigue osseuse. Il a été constaté que la destruction des trabécules individuelles pendant la charge de fatigue se produit de manière non linéaire avec le nombre de cycles et diffère par le type / l'orientation des trabécules. Initialement, les fractures se produisent dans les trabécules en forme de bâtonnets et dans les trabécules en forme de plaque, une accumulation significative de dommages ne se produit pas tant que la structure entière (
1F ) n'est pas clairement détruite.
La nature de la destruction du septum est également associée à son orientation: les trabécules en forme de tige endommagées sont principalement orientées dans le sens transversal, tandis que les trabécules en forme de plaque endommagées sont principalement orientées dans le sens longitudinal.
Les chercheurs pensent que ce comportement de destruction des cloisons individuelles dépend de la répartition des contraintes de traction provoquées par la charge. La modélisation a montré que la charge de compression entraîne des contraintes de traction dans les trabécules en forme de tige (principalement orientées transversalement) et des contraintes de compression dans les trabécules en forme de plaque (principalement orientées longitudinalement).
Ces observations suggèrent que dans le tissu spongieux de l'os, ce sont précisément les trabécules à orientation transversale qui agissent comme une «victime justifiable» lors des chargements cycliques, accumulant des lésions tissulaires et protégeant ainsi les trabécules lamellaires orientées longitudinalement, dont la destruction entraînera la destruction complète de la structure.
Image n ° 2: Les modèles d'os spongieux obtenus par impression 3D montrent que la résistance à la fatigue est sensible aux petits changements de microarchitecture.Une autre composante importante de l'accumulation de dommages dans l'os spongieux est l'hétérogénéité des tissus. Pour isoler les effets de la microstructure de ceux associés à l'hétérogénéité du matériau, les scientifiques ont créé des modèles tridimensionnels de la microstructure de l'os spongieux (
2A et
2B ).
La microstructure osseuse spongieuse (
2B ) a été modifiée en ajoutant du matériau à la surface des trabécules transverses. Il y avait trois types de modifications: aucun changement (géométrie d'origine); +20 μm en surface (augmentation moyenne de l'épaisseur des trabécules de 20 ± 5%); +60 μm sur chaque surface (augmentation moyenne de l'épaisseur des trabécules de 45 ± 14%).
Étant donné que les trabécules transversales en forme de tige ne constituent qu'une petite partie du volume solide et ne supportent qu'une petite partie des charges longitudinales, l'épaississement des cloisons en forme de tige n'a eu qu'un faible effet sur la densité, qui a augmenté de 11 ± 8% (
2C ), et sur la rigidité, l'augmentation du module longitudinal d'Young qui était de 22 ± 19% (
2D ).
Si de tels changements se produisent uniformément dans toute la microstructure, alors la résistance à la fatigue varie très légèrement. Si de tels changements ne s'appliquent qu'aux trabécules en forme de bâtonnets, alors la résistance à la fatigue augmente de deux ordres de grandeur (
2E ).
Pour confirmer que l'accumulation de dommages se produit dans les modèles ainsi que dans l'os spongieux, des études de dommages dans des échantillons imprimés en trois dimensions ont été effectuées après une certaine charge en utilisant un colorant de contraste aux rayons X.
Il a été constaté que dans les modèles, les sites d'accumulation de dommages définis par contraste sont répartis dans toute la structure, ainsi que dans le tissu osseux spongieux étudié précédemment (
2F ). Mais les modèles, une fois imprimés, qui étaient fixés des cloisons en forme de tige plus épaisses, ont montré une accumulation réduite de dommages (
2G ).
Par conséquent, l'accumulation de dommages due à la charge de fatigue peut être réduite en modifiant l'épaisseur des trabécules en forme de tige dans la structure du tissu osseux spongieux ou des septums similaires dans un échantillon imprimé en trois dimensions.
Il est également devenu clair que la contrainte de traction moyenne dans les trabécules en forme de bâtonnets (principalement orientées transversalement) était plus élevée que dans les trabécules en plaques (principalement orientées longitudinalement). Cela suggère que la localisation des dommages correspond à la répartition des contraintes dans la microarchitecture, comme cela a été constaté dans le véritable os spongieux.
En résumant les observations ci-dessus, les scientifiques suggèrent qu'une légère augmentation de la masse, concentrée sur les composants structuraux transversalement orientés de la microarchitecture, peut réduire les contraintes de traction, ce qui contribue de manière significative à la résistance à la fatigue.
Image 3: L'effet du volume transversal sur la résistance à la fatigue des solides poreux (cellulaires).Ensuite, les chercheurs ont décidé de vérifier si leurs découvertes sont applicables à d'autres solides poreux et à d'autres mécanismes de déformation. Pour cela, des modèles de
fermes d'octets conventionnelles et modifiées
* (
fermes d'octets ) ont été créés. Ces derniers diffèrent des modèles ordinaires par le fait qu'ils comportent des éléments sous forme de plaques et de tiges, imitant la microstructure et l'anisotropie de l'os trabéculaire (
3A ).
Ferme * - dans ce cas, ce n'est pas une terre agricole qui est visée, mais une structure de tige, qui reste inchangée après le remplacement des nœuds rigides par des nœuds articulés.
Un exemple d'une ferme d'octets.
Ferme d'octets * - ce type de construction en 1961 a été proposé par Richard Buckminster Fuller (1895-1981). La structure est basée sur un motif géométrique octaédrique-tétraédrique, qui se compose de lignes reliant les centres des boules de sorte que chaque boule est entourée de douze autres boules.
La microstructure de l'os spongieux montre un comportement dans lequel la déformation de flexion prédomine, la poutre d'octet habituelle est une contrainte de traction et dans les fermes d'octet modifiées, une combinaison de flexion et d'étirement est observée.
En conséquence, une augmentation de l'épaisseur transversale des tiges dans les microarchitectures en forme d'os a entraîné une augmentation de la résistance à la fatigue de 8 fois (
3V ), tandis que la densité a légèrement augmenté (+ 4%), tout comme la rigidité longitudinale (+ 20%).
Dans une ferme d'octets, une augmentation de l'épaisseur transversale des tiges a entraîné une augmentation de la résistance à la fatigue d'un facteur 5 (
3B ), la densité a augmenté de 10% et la rigidité longitudinale de 14%.
Mais avec les fermes d'octets modifiées, la situation était beaucoup plus intéressante. Lorsque ce modèle a été tourné de 90 ° afin que les éléments épaissis soient orientés verticalement et inclinés par rapport aux charges appliquées, la résistance à la fatigue a diminué de 9 fois par rapport au modèle sans entretoises épaissies. Cela suggère que l'effet des éléments transversaux sur la résistance à la fatigue est associé à la proportion du matériau orientée à travers la charge, et non à l'épaisseur des tiges transversales en soi. Afin de comprendre exactement comment les éléments orientés transversalement influencent l'accumulation des dommages par fatigue, la méthode des éléments finis a été appliquée pour plusieurs cycles de charge.
Les dommages causés par la fatigue impliquent un processus local irréversible de dissipation d'énergie, conduisant à une augmentation de la dissipation d'énergie. Les modèles d'éléments finis des 5 à 25 premiers cycles de charge ont montré que la résistance à la fatigue de la microarchitecture en forme d'octet et d'os avec et sans tiges épaissies est étroitement liée à la dissipation d'énergie plastique par unité de travail (
3C ).
Par conséquent, une augmentation de la fraction volumique transversale (
ψ est la fraction du volume solide orientée dans le sens transversal à la charge) dans ces matériaux microarchitecturaux réduit la dissipation d'énergie et l'accumulation de dommages pendant le chargement cyclique. Une telle observation ressemble à la situation avec des trabécules en forme de bâtonnet (principalement orientées transversalement), qui ont connu moins d'accumulation de dommages dans l'os trabéculaire, si leur épaisseur était légèrement augmentée (
1E ).
L'utilisation d'une seule sur-charge (déformation de 50%) a montré que les os et les matériaux microarchitecturaux sont capables de réparer la plupart des dommages après une contrainte appliquée, ce qui s'explique par des déformations élastiques (réversibles) dans les tiges orientées transversalement.
Ainsi, il devient clair que ce sont précisément les tiges ou cloisons orientées transversalement (trabécules) qui jouent un rôle important dans la résistance à la rupture par fatigue. En d'autres termes, les observations montrent que c'est la géométrie de la structure qui est importante, et non sa composition chimique.
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le
rapport des scientifiques et
les documents supplémentaires qui s'y rapportent.
Épilogue
Dans ce travail, les chercheurs ont pu établir que les microstructures peuvent être extrêmement durables et résistantes à la déformation. La principale conclusion est le fait que l'origine du matériau (biologique ou synthétique) n'a pas d'importance lorsque la géométrie correcte des éléments internes de la microarchitecture est appliquée. La modification de l'épaisseur des composants individuels vous permet de prolonger la durée de vie de la structure entière, sans pertes importantes de rigidité, de résistance ou d'autres caractéristiques mécaniques importantes.
Cette étude, selon ses auteurs, peut trouver son application en médecine, permettant une meilleure compréhension des processus associés à l'ostéoporose. L'ostéoporose se caractérise par une détérioration de la microstructure de l'os spongieux, qui se traduit par une forte diminution du nombre et de la force des trabécules à orientation transversale. On pensait auparavant que la rigidité, la résistance et l'absorption d'énergie de l'os trabéculaire dépendent presque entièrement de trabécules orientées longitudinalement. Mais dans cette étude, il a été prouvé que ceux orientés transversalement jouent un rôle important, notamment dans le cadre de la résistance à la fatigue des os. Les chercheurs ne rejettent pas le fait que de nombreuses lésions osseuses chez les patients atteints d'ostéoporose sont causées par une seule surcharge (chute, haltérophilie, etc.). Cependant, les blessures les plus courantes associées à l'ostéoporose sont néanmoins des lésions de la colonne vertébrale, qui surviennent souvent en l'absence de surcharges, c'est-à-dire sont une conséquence de la perte de résistance à la fatigue. C'est pourquoi il est nécessaire de prêter attention non seulement aux trabécules à orientation longitudinale, mais aussi aux trabécules à orientation transversale.
Quant à l'aviation et aux autres industries, les résultats de cette étude pourraient pousser les ingénieurs à développer de nouveaux types de pièces qui seront ultra-résistantes et durables, tout en restant ultra-légères, ce qui est important pour les ailes d'avion, par exemple.
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