Dalam kerangka orang dewasa, ada 206 tulang, yang bersama-sama melakukan fungsi muskuloskeletal dan pelindung. Sayangnya, seperti semua bagian lain dari tubuh manusia, tulang juga rentan terhadap berbagai penyakit, cedera, deformasi, dan cedera. Salah satu masalah kerangka yang paling banyak dipelajari adalah osteoporosis, yang dengannya struktur internal dan kepadatan tulang terganggu. Sebelumnya, penyakit ini dipelajari melalui sinar-X, yang memungkinkan untuk mempelajari struktur tulang dan mengidentifikasi titik lemah dan kuat. Paling sering, para ilmuwan mempertimbangkan kekuatan tulang dalam hal beban tunggal maksimum yang mungkin. Namun, sekelompok peneliti dari Cornell University memutuskan untuk melihat masalah osteoporosis dari sudut yang berbeda. Mereka menyarankan membandingkan tulang dengan bagian mobil yang sudah berfungsi cukup lama, tetapi entah bagaimana rusak karena penggunaan yang lama. Apa yang para ilmuwan katakan tentang metode analisis tulang yang baru, perubahan struktural apa pada tulang yang dapat dicegah atau diubah, dan bagaimana cara kerja ini berkontribusi pada perang melawan osteoporosis dan bahkan membantu penerbangan? Kami belajar tentang ini dari laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.
Dasar studi
Tesis sentral dari karya ini adalah: sifat mekanik material mikroarsitektur dapat ditingkatkan karena geometri material, dan bukan karena komposisi (komposisi).
Bahan-bahan mikroarsitektur ultralight pada awalnya mungkin telah meningkatkan kekakuan dan, karenanya, kekuatan, tetapi mereka juga harus tahan terhadap beberapa siklus beban, yaitu, tidak hanya kuat, tetapi juga tahan lama. Jika kita berbicara tentang padanan alami dari bahan semacam itu, maka tulang-tulang kerangka manusia dengan sempurna menggambarkan struktur semacam itu.
Tulang dalam struktur mereka terdiri dari beberapa bahan bangunan dasar: zat tulang kompak, zat tulang sepon dan periosteum. Yang terakhir adalah membran tulang, yang terdiri dari jaringan ikat tertentu yang mengandung pembuluh darah dan elemen seluler yang terlibat dalam nutrisi, pertumbuhan dan pemulihan tulang.
Zat tulang kompak adalah lapisan atas tulang dan sangat seragam dan keras. Tetapi bunga karang, yang terletak di dalam tulang, terdiri dari banyak lempeng yang bersilangan ke arah yang berbeda.
Para peneliti percaya bahwa penebalan beberapa lempeng sepon dapat meningkatkan sifat mekanik keseluruhan tulang, yaitu meningkatkan kekuatan dan daya tahannya.
Teori ini didasarkan pada fakta bahwa material mikroarsitektur dapat mengalami
kelelahan material * , karena geometri internalnya yang kompleks mengarah pada akumulasi tegangan.
Kelelahan material * - proses akumulasi kerusakan bertahap, yang mengarah pada perubahan sifat mekanik material.
Para ilmuwan percaya bahwa hal terpenting dalam studi mereka adalah menemukan keseimbangan antara kekuatan material dan ketahanannya terhadap kelelahan. Dan karena tidak ada dalang yang lebih baik daripada alam, para ilmuwan memutuskan untuk mencari keseimbangan ini dalam bahan arsitektur mikro alami, yaitu di tulang.
Seperti yang telah kita ketahui, tulang mengandung banyak lempeng (septa) yang bersinggungan pada titik yang berbeda, membentuk zat seperti sepon. Pelat ini juga disebut trabekula. Mereka paling sering terletak pada arah tekanan yang disebabkan oleh aktivitas fisik normal, yang mengarah pada pembentukan mikrostruktur isotropik transversal.
Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa faktor utama yang mempengaruhi kekuatan tulang kanselus adalah kepadatan / porositas dan tensor jaringan (ukuran
anisotropi * ).
Anisotropi * - perbedaan (heterogenitas) dari sifat-sifat medium dalam berbagai arah di dalamnya.
Tetapi aspek-aspek lain dari arsitektur mikro dan pengaruhnya terhadap kekuatan tulang belum diteliti.
Kekakuan dan kekuatan tulang cancellous dan padatan seluler lainnya dikaitkan dengan kepadatan melalui
hukum daya * .
Hukum kekuasaan * adalah hubungan fungsional antara dua kuantitas, di mana perubahan relatif dalam satu menyebabkan perubahan proporsional dalam yang kedua.
Para ilmuwan mencatat bahwa sudah ada metode analitis yang menghubungkan kerapatan zat sepon dan kelelahan material (jumlah siklus untuk pemakaian lengkap,
N f ). Namun, kelelahan bahan seperti bunga sepon, menurut mereka, lebih baik dijelaskan oleh rasio stres dan sumber daya (
AN ) bahan yang dinormalisasi:
σ /
E 0 1 / √
ψ =
AN B fdi mana
σ adalah tekanan kompresi maksimum;
E
0 adalah modulus Young awal (sebagai alternatif, kekuatan luluh atau tegangan dataran tinggi digunakan);
A dan
B adalah konstanta empiris (dalam tulang cancellous,
A bervariasi dari 0,0091 hingga 0,013, dan
B berkisar antara -0,121 hingga -0,094).
Perlu dicatat bahwa metode ini menilai kelelahan material, meskipun sangat berhasil, tetapi beberapa variabel (misalnya, A dan B) mungkin berbeda untuk bahan yang berbeda asal (misalnya, jaringan tulang kenyal seseorang dan seekor anjing).
Hasil penelitian
Untuk memahami hubungan antara arsitektur mikro dan kelelahan material, para ilmuwan menganalisis jaringan tulang spons manusia yang sangat berpori (> 90%) (44 sampel dari 18 donor).
Beban kompresi siklik diterapkan pada setiap sampel sesuai dengan arah beban fisiologis yang biasa.
Beban kelelahan material berhenti pada nilai tertentu dari siklus tegangan, ditentukan oleh akumulasi beban siklik. Setelah itu, jumlah dan lokasi semua lesi mikroskopis dalam struktur mikro dievaluasi dengan menggunakan agen kontras (
1A dan
1B ).
Gambar No. 1: pengaruh mikroarsitektur pada akumulasi cedera kelelahan pada tulang kanselus.Arsitektur mikro dievaluasi menggunakan gambar tiga dimensi dan dianalisis menggunakan pendekatan dekomposisi morfologis, yang mengisolasi setiap partisi individu dalam struktur dan mengklasifikasikannya sebagai bentuk pipih atau berbentuk batang, dan juga menentukan orientasinya sehubungan dengan beban (
1C dan
1D ).
Ditemukan bahwa jumlah kerusakan jaringan yang disebabkan oleh pembebanan fatik berkorelasi dengan deformasi maksimum yang diterapkan, tetapi tidak berkorelasi dengan kepadatan sampel atau rata-rata struktur mikro lainnya dalam gambar.
Anehnya, tingkat kerusakan jaringan lebih sedikit pada sampel dengan septa berbentuk batang yang lebih tebal (
1E ). Pengamatan ini sangat tidak terduga, karena septa berbentuk batang di tulang kanselus terutama berorientasi secara transversal ke beban yang diberikan, sebesar
ini hanya 20% dari volume keras dari tulang sepon dengan porositas tinggi. Selain itu, mereka hanya membawa sebagian kecil dari beban yang berorientasi longitudinal dan memiliki sedikit efek pada kekakuan dan kekuatan dalam arah longitudinal.
Para ilmuwan kemudian menyelidiki distribusi kerusakan jaringan pada titik yang berbeda selama proses pemuatan kelelahan, yang memungkinkan mereka untuk lebih memahami efek partisi seperti batang pada kelelahan tulang. Ditemukan bahwa penghancuran trabecula individu selama pemuatan kelelahan terjadi secara non-linear dengan jumlah siklus dan berbeda dalam jenis / orientasi trabekula. Awalnya, fraktur terjadi pada trabekula berbentuk batang, dan pada trabekulai yang menyerupai pelat, akumulasi kerusakan yang signifikan tidak terjadi sampai seluruh struktur (
1F ) jelas dihancurkan.
Sifat penghancuran septum juga terkait dengan orientasinya: trabekula berbentuk batang yang rusak sebagian besar berorientasi pada arah melintang, sedangkan trabekula berbentuk pelat yang rusak sebagian besar berorientasi pada arah memanjang.
Para peneliti percaya bahwa perilaku penghancuran partisi individu ini tergantung pada distribusi tegangan tarik yang disebabkan oleh beban. Pemodelan menunjukkan bahwa beban kompresi mengarah pada tegangan tarik pada trabekula berbentuk batang (terutama berorientasi melintang) dan tekanan tekan pada trabekula berbentuk pelat (terutama berorientasi longitudinal).
Pengamatan ini menunjukkan bahwa dalam jaringan sepon tulang, justru trabekula yang berorientasi transversal yang bertindak sebagai "korban yang dapat dibenarkan" selama pemuatan siklus, akumulasi kerusakan jaringan dan, dengan demikian, melindungi lamellar trabekula berorientasi longitudinal, penghancuran yang akan mengarah pada penghancuran total struktur.
Gambar No. 2: Model tulang spons yang diperoleh dengan menggunakan pencetakan 3D menunjukkan bahwa kekuatan kelelahan peka terhadap perubahan kecil dalam arsitektur mikro.Komponen penting lain dari akumulasi kerusakan pada tulang kanselus adalah heterogenitas jaringan. Untuk mengisolasi efek dari struktur mikro dari yang terkait dengan heterogenitas material, para ilmuwan telah menciptakan model tiga dimensi dari struktur mikro tulang cancellous (
2A dan
2B ).
Mikrostruktur tulang sepon (
2B ) telah dimodifikasi dengan menambahkan bahan ke permukaan trabekula transversal. Ada tiga jenis modifikasi: tidak ada perubahan (geometri asli); +20 μm di permukaan (peningkatan rata-rata ketebalan trabecula sebesar 20 ± 5%); +60 μm pada setiap permukaan (peningkatan rata-rata ketebalan trabekula sebesar 45 ± 14%).
Karena trabekula berbentuk batang melintang hanya membentuk sebagian kecil dari volume padat dan hanya membawa sebagian kecil dari beban memanjang, penebalan partisi seperti batang hanya memiliki efek kecil pada kerapatan, yang meningkat sebesar 11 ± 8% (
2C ), dan pada kekakuan, peningkatan modulus Young longitudinal yang merupakan 22 ± 19% (
2D ).
Jika perubahan tersebut terjadi secara seragam di seluruh mikro, maka kekuatan kelelahan bervariasi sedikit. Jika perubahan tersebut hanya berlaku untuk trabekula berbentuk batang, maka kekuatan keletihan meningkat dua kali lipat (
2E ).
Untuk mengkonfirmasi bahwa hasil akumulasi kerusakan dalam model dan juga pada tulang kanselus, studi kerusakan dalam sampel dicetak tiga dimensi dilakukan setelah beban tertentu menggunakan pewarna radiopak.
Ditemukan bahwa dalam model, lokasi akumulasi kerusakan yang ditentukan secara kontras didistribusikan ke seluruh struktur, serta di jaringan tulang seperti spons yang dipelajari sebelumnya (
2F ). Tetapi model, ketika dicetak yang diatur partisi berbentuk batang lebih tebal, menunjukkan akumulasi kerusakan berkurang (
2G ).
Oleh karena itu, akumulasi kerusakan akibat pemuatan fatik dapat dikurangi dengan mengubah ketebalan trabekula berbentuk batang di dalam struktur jaringan tulang sepon atau septa serupa dalam sampel cetakan tiga dimensi.
Juga menjadi jelas bahwa tegangan tarik rata-rata pada trabekula berbentuk batang (terutama berorientasi melintang) lebih tinggi daripada pada pelat trabekula (terutama berorientasi longitudinal). Ini menunjukkan bahwa lokalisasi kerusakan sesuai dengan distribusi tekanan dalam arsitektur mikro, seperti yang ditemukan pada tulang kanselus nyata.
Merangkum pengamatan di atas, para ilmuwan menyarankan bahwa sedikit peningkatan massa, terkonsentrasi pada komponen struktural yang berorientasi transversal dari mikroarsitektur, dapat mengurangi tegangan tarik, yang merupakan kontribusi signifikan terhadap kekuatan kelelahan.
Gambar 3: Efek volume transversal terhadap kekuatan keletihan padatan (seluler).Kemudian para peneliti memutuskan untuk memeriksa apakah penemuan mereka berlaku untuk padatan berpori lainnya dan mekanisme deformasi lainnya. Untuk ini, dibuat model
rangka octet konvensional dan modifikasi
* (
octet truss ). Yang terakhir berbeda dari yang biasa karena mereka memiliki unsur-unsur dalam bentuk pelat dan batang, meniru struktur mikro dan anisotropi tulang trabekuler (
3A ).
Ladang * - dalam hal ini, bukan lahan pertanian yang dimaksudkan, tetapi struktur batang, yang tetap tidak berubah setelah mengganti simpul kaku dengan yang diartikulasikan.
Contoh peternakan oktet.
Peternakan oktet * - jenis konstruksi ini pada tahun 1961 diusulkan oleh Richard Buckminster Fuller (1895–1981). Struktur ini didasarkan pada pola geometri oktahedral-tetrahedral, yang terdiri dari garis-garis yang menghubungkan pusat bola sehingga setiap bola dikelilingi oleh dua belas bola lainnya.
Struktur mikro dari tulang kanselus menunjukkan perilaku di mana deformasi lentur mendominasi, rangka oktet yang biasa adalah regangan tarik, dan dalam rangka oktet yang dimodifikasi, kombinasi dari tekukan dan peregangan diamati.
Akibatnya, peningkatan ketebalan transversal batang dalam mikroarsitektur berbentuk tulang menyebabkan peningkatan kekuatan kelelahan sebesar 8 kali (
3V ), sementara kepadatannya sedikit meningkat (+ 4%), seperti halnya kekakuan longitudinal (+ 20%).
Di sebuah peternakan oktet, peningkatan ketebalan melintang batang menyebabkan peningkatan kekuatan kelelahan dengan faktor 5 (
3B ), kepadatan meningkat 10%, dan kekakuan longitudinal sebesar 14%.
Tetapi dengan pertanian oktet yang dimodifikasi, situasinya jauh lebih menarik. Ketika model ini diputar 90 ° sehingga elemen yang menebal berorientasi vertikal dan cenderung ke beban yang diterapkan, kekuatan kelelahan berkurang 9 kali dibandingkan dengan model tanpa struts menebal. Ini menunjukkan bahwa efek elemen transversal terhadap kekuatan fatik berhubungan dengan proporsi material yang berorientasi pada beban, dan tidak dengan ketebalan batang transversal per se. Untuk memahami dengan tepat bagaimana elemen yang berorientasi melintang mempengaruhi akumulasi kerusakan fatik, metode elemen hingga diaplikasikan untuk beberapa siklus beban.
Kerusakan akibat kelelahan melibatkan proses disipasi energi lokal yang ireversibel, yang mengarah ke peningkatan disipasi energi. Model elemen hingga dari siklus beban 5–25 pertama menunjukkan bahwa kekuatan keletihan dari arsitektur oktet dan tulang-seperti dengan dan tanpa batang menebal berhubungan erat dengan disipasi energi plastik per unit kerja (
3C ).
Oleh karena itu, peningkatan fraksi volume transversal (
ψ adalah fraksi volume padat yang berorientasi pada arah transversal ke beban) pada material mikroarsitektur ini mengurangi disipasi energi dan kerusakan akumulasi selama pembebanan siklik. Pengamatan seperti itu menyerupai situasi dengan trabekula berbentuk batang (terutama berorientasi melintang), yang mengalami lebih sedikit akumulasi kerusakan pada tulang trabekuler, jika ketebalannya sedikit meningkat (
1E ).
Penggunaan beban super tunggal (deformasi 50%) menunjukkan bahwa tulang dan material mikroarsitektur mampu memperbaiki sebagian besar kerusakan setelah tekanan yang diterapkan, yang dijelaskan oleh deformasi elastis (reversibel) pada batang yang berorientasi melintang.
Dengan demikian, menjadi jelas bahwa justru batang atau partisi yang berorientasi transversal (trabekula) yang memainkan peran penting dalam menahan kegagalan kelelahan. Dengan kata lain, pengamatan menunjukkan bahwa itu adalah geometri struktur yang penting, dan bukan komposisi kimianya.
Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat
laporan para ilmuwan dan
bahan tambahan untuk itu.
Epilog
Dalam karya ini, para peneliti dapat menetapkan bahwa struktur mikro dapat sangat tahan lama dan tahan terhadap deformasi. Kesimpulan utama adalah fakta bahwa asal material (biologis atau sintetis) tidak masalah ketika geometri yang benar dari elemen internal mikroarsitektur diterapkan. Mengubah ketebalan masing-masing komponen memungkinkan Anda memperpanjang umur seluruh struktur, tanpa kehilangan yang signifikan akibat kekakuan, kekuatan, atau karakteristik mekanis penting lainnya.
Studi ini, menurut penulisnya, dapat menemukan penerapannya dalam pengobatan, memungkinkan pemahaman yang lebih baik tentang proses yang terkait dengan osteoporosis. Untuk osteoporosis ditandai oleh kemunduran struktur mikro tulang cancellous, yang diekspresikan dengan penurunan tajam dalam jumlah dan kekuatan trabekula yang berorientasi transversal. Sebelumnya diyakini bahwa kekakuan, kekuatan, dan penyerapan energi dari tulang trabekuler tergantung hampir sepenuhnya pada trabekula yang berorientasi longitudinal. Tetapi dalam penelitian ini, terbukti bahwa yang berorientasi melintang memainkan peran penting, terutama dalam kerangka kekuatan kelelahan tulang. Para peneliti tidak menolak fakta bahwa banyak cedera tulang pada pasien dengan osteoporosis disebabkan oleh kelebihan beban tunggal (jatuh, angkat berat, dll.). Namun, cedera yang paling umum yang terkait dengan osteoporosis adalah cedera tulang belakang, yang sering terjadi tanpa adanya beban super, mis. adalah konsekuensi dari hilangnya kekuatan kelelahan. Oleh karena itu perlu memperhatikan tidak hanya berorientasi longitudinal, tetapi juga trabekula yang berorientasi transversal.
Sedangkan untuk industri penerbangan dan lainnya, hasil dari penelitian ini dapat mendorong para insinyur untuk mengembangkan jenis suku cadang baru yang akan sangat kuat dan tahan lama, sementara tetap ultra-ringan, yang penting untuk sayap pesawat, misalnya.
Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan! :)
Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda,
cloud VPS untuk pengembang mulai dari $ 4,99 ,
diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami ciptakan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Core) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana cara berbagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki
2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang
Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?