No esqueleto de um adulto, existem 206 ossos, que juntos desempenham uma função musculoesquelética e protetora. Infelizmente, como todas as outras partes do corpo humano, os ossos também são suscetíveis a várias doenças, ferimentos, deformações e ferimentos. Um dos problemas mais estudados do esqueleto é a osteoporose, devido à qual a estrutura interna e a densidade óssea são perturbadas. Anteriormente, essa doença era estudada através de raios-X, que permitem estudar a estrutura dos ossos e identificar pontos fracos e fortes. Na maioria das vezes, os cientistas consideravam a resistência óssea em termos da carga única máxima possível. No entanto, um grupo de pesquisadores da Universidade de Cornell decidiu analisar o problema da osteoporose de um ângulo diferente. Eles sugeriram a comparação de um osso com uma peça do carro que está funcionando bem há um bom tempo, mas de alguma forma quebra devido ao uso prolongado. O que os cientistas disseram sobre o novo método de análise óssea, que mudanças estruturais nos ossos podem ser evitadas ou alteradas e como esse trabalho pode contribuir para a luta contra a osteoporose e até ajudar a aviação? Aprendemos sobre isso no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá
Base de estudo
A tese central deste trabalho é: as propriedades mecânicas dos materiais microarquiteturais podem ser melhoradas devido à geometria do material, e não devido à sua composição (composição).
Os materiais microarquitetônicos ultraleves podem inicialmente ter maior rigidez e, portanto, resistência, mas também devem suportar vários ciclos de carga, ou seja, não apenas fortes, mas também duráveis. Se falamos dos equivalentes naturais de tais materiais, os ossos do esqueleto humano descrevem perfeitamente essas estruturas.
Os ossos em sua estrutura consistem em vários materiais básicos de construção: substância óssea compacta, substância óssea esponjosa e periósteo. Esta última é uma membrana do osso, que consiste em certos tecidos conjuntivos contendo vasos sanguíneos e elementos celulares envolvidos na nutrição, crescimento e restauração dos ossos.
A substância óssea compacta é a camada superior do osso e é muito uniforme e dura. Mas a esponjosa, localizada no interior do osso, consiste em muitas placas que se cruzam em direções diferentes.
Os pesquisadores acreditam que o espessamento de algumas das placas esponjosas pode melhorar as propriedades mecânicas gerais do osso, ou seja, aumentar sua força e durabilidade.
Essa teoria é baseada no fato de que os materiais microarquitetônicos podem estar sujeitos a
fadiga do material * , pois sua geometria interna complexa leva ao acúmulo de tensões.
Fadiga do material * - o processo de acumulação gradual de danos, levando a uma alteração nas propriedades mecânicas do material.
Os cientistas acreditam que a coisa mais importante em seu estudo é encontrar um equilíbrio entre a força do material e sua resistência à fadiga. E como não há melhor cérebro do que a natureza, os cientistas decidiram buscar esse equilíbrio em material microarquitetural natural, ou seja, nos ossos.
Como já sabemos, os ossos contêm muitas placas (septos) que se cruzam em diferentes pontos, formando uma substância esponjosa. Essas placas também são chamadas de trabéculas. Eles geralmente estão localizados na direção de tensões causadas pela atividade física normal, o que leva à formação de uma microestrutura isotrópica transversal.
Estudos anteriores mostraram que o principal fator que afeta a força do osso esponjoso é a densidade / porosidade e o tensor do tecido (uma medida da
anisotropia * ).
Anisotropia * - a diferença (heterogeneidade) das propriedades do meio em várias direções dentro dele.
Mas outros aspectos da microarquitetura e seus efeitos na força óssea não foram estudados.
A rigidez e a força do osso esponjoso e de outros sólidos celulares estão associadas à densidade através das
leis de potência * .
A lei do poder * é uma relação funcional entre duas quantidades, na qual uma mudança relativa em uma leva a uma mudança proporcional na segunda.
Os cientistas observam que já existe um método analítico que liga a densidade da substância esponjosa e a fadiga do material (número de ciclos para completar o desgaste,
Nf ). No entanto, a fadiga de substâncias esponjosas, na sua opinião, é mais bem explicada pelas relações normalizadas de estresse e recurso (
NA ) do material:
σ /
E 0 1 / √
ψ =
AN B fonde
σ é a tensão máxima de compressão;
E
0 é o módulo inicial de Young (alternativamente, a força de escoamento ou a tensão do platô é usada);
A e
B são constantes empíricas (no osso esponjoso,
A varia de 0,0091 a 0,013 e
B varia de -0,121 a -0,094).
Vale ressaltar que esse método de avaliação da fadiga do material, embora seja muito bem-sucedido, mas algumas variáveis (por exemplo, A e B) podem diferir para materiais de origem diferente (por exemplo, tecido ósseo esponjoso de uma pessoa e um cachorro).
Resultados da pesquisa
Para entender a relação entre microarquitetura e fadiga do material, os cientistas analisaram tecido ósseo esponjoso altamente poroso (> 90%) das vértebras humanas (44 amostras de 18 doadores).
Uma carga de compressão cíclica foi aplicada a cada amostra na direção da carga fisiológica usual.
A carga de fadiga do material parou em um determinado valor dos ciclos de tensão, determinado pelo acúmulo de carga cíclica. Depois disso, o número e a localização de todas as lesões microscópicas na microestrutura foram avaliados usando agentes de contraste (
1A e
1B ).
Imagem nº 1: a influência da microarquitetura no acúmulo de lesões por fadiga no osso esponjoso.A microarquitetura foi avaliada por meio de imagens tridimensionais e analisada pela abordagem de decomposição morfológica, que isola cada partição individual na estrutura e a classifica como lamelar ou em forma de bastonete, além de determinar sua orientação em relação à carga (
1C e
1D ).
Verificou-se que o número de danos nos tecidos causados pela carga de fadiga se correlacionou com a deformação máxima aplicada, mas não se correlacionou com a densidade da amostra ou outras médias da microestrutura na imagem.
Curiosamente, o grau de dano tecidual foi menor em amostras com septos mais grossos em forma de bastonete (
1E ). Essa observação foi muito inesperada, pois os septos em forma de bastonete no osso esponjoso são orientados principalmente transversalmente à carga aplicada, totalizando
isso representa apenas 20% do volume rígido do osso esponjoso de alta porosidade. Além disso, eles carregam apenas uma pequena fração de cargas orientadas longitudinalmente e têm pouco efeito na rigidez e resistência na direção longitudinal.
Os cientistas então investigaram a distribuição dos danos nos tecidos em diferentes pontos durante o processo de carregamento de fadiga, o que lhes permitiu entender melhor o efeito das partições do tipo haste na fadiga óssea. Verificou-se que a destruição das trabéculas individuais durante a carga de fadiga ocorre de maneira não linear com o número do ciclo e difere no tipo / orientação das trabéculas. Inicialmente, as fraturas ocorrem em trabéculas em forma de bastonete e em trabéculas em forma de placa, um acúmulo significativo de dano não ocorre até que toda a estrutura (
1F ) seja claramente destruída.
A natureza da destruição do septo também está associada à sua orientação: as trabéculas em forma de bastão danificadas são predominantemente orientadas na direção transversal, enquanto as trabéculas em forma de placa danificadas são predominantemente orientadas na direção longitudinal.
Os pesquisadores acreditam que esse comportamento de destruição de partições individuais depende da distribuição do estresse tênsil causado pela carga. A modelagem mostrou que a carga de compressão leva a tensões de tracção nas trabéculas em forma de barra (principalmente de orientação transversal) e tensões de compressão nas trabéculas em forma de placa (principalmente de orientação longitudinal).
Essas observações sugerem que no tecido esponjoso do osso, são precisamente as trabéculas orientadas transversalmente que atuam como uma "vítima justificável" durante a carga cíclica, acumulando danos nos tecidos e, assim, protegendo as trabéculas lamelares orientadas longitudinalmente, cuja destruição levará à destruição completa da estrutura.
Imagem nº 2: Os modelos de esponja obtidos usando a impressão 3D mostram que a resistência à fadiga é sensível a pequenas mudanças na microarquitetura.Outro componente importante do acúmulo de danos no osso esponjoso é a heterogeneidade do tecido. Para isolar os efeitos da microestrutura daqueles associados à heterogeneidade do material, os cientistas criaram modelos tridimensionais da microestrutura óssea esponjosa (
2A e
2B ).
A microestrutura do osso esponjoso (
2B ) foi modificada pela adição de material à superfície das trabéculas transversais. Havia três tipos de modificações: nenhuma alteração (geometria original); + 20 μm na superfície (aumento médio na espessura da trabécula em 20 ± 5%); +60 μm em cada superfície (aumento médio na espessura da trabécula em 45 ± 14%).
Como as trabéculas transversais em forma de barra compõem apenas uma pequena parte do volume sólido e transportam apenas uma pequena parte das cargas longitudinais, o espessamento das partições em forma de barra teve apenas um pequeno efeito na densidade, que aumentou 11 ± 8% (
2C ), e na rigidez, o aumento do módulo longitudinal de Young foi de 22 ± 19% (
2D ).
Se tais alterações ocorrerem uniformemente em toda a microestrutura, a resistência à fadiga varia muito levemente. Se tais alterações são aplicáveis apenas a trabéculas em forma de bastonete, a resistência à fadiga aumenta em duas ordens de magnitude (
2E ).
Para confirmar que o acúmulo de danos ocorre nos modelos e no osso esponjoso, foram realizados estudos de danos em amostras impressas tridimensionais após uma certa carga usando um corante radiopaco.
Verificou-se que nos modelos os locais de acúmulo de dano definidos pelo contraste estão distribuídos por toda a estrutura, assim como no tecido ósseo esponjoso estudado anteriormente (
2F ). Porém, os modelos, quando impressos, com partições mais grossas em forma de bastão, mostraram um acúmulo reduzido de danos (
2G ).
Portanto, o acúmulo de danos devido à carga de fadiga pode ser reduzido alterando a espessura das trabéculas em forma de bastonete na estrutura do tecido ósseo esponjoso ou septos semelhantes em uma amostra impressa tridimensional.
Também ficou claro que o estresse tênsil médio nas trabéculas em forma de bastonete (principalmente orientadas transversalmente) era maior do que nas trabéculas em placas (principalmente orientadas longitudinalmente). Isso sugere que a localização do dano corresponde à distribuição de tensões na microarquitetura, como foi encontrado no osso esponjoso real.
Resumindo as observações acima, os cientistas sugerem que um ligeiro aumento de massa, concentrado nos componentes estruturais da microarquitetura de orientação transversal, pode reduzir o estresse tênsil, o que é uma contribuição significativa para a resistência à fadiga.
Imagem 3: O efeito do volume transversal na resistência à fadiga de sólidos porosos (celulares).Em seguida, os pesquisadores decidiram verificar se suas descobertas são aplicáveis a outros sólidos porosos e outros mecanismos de deformação. Para isso, foram criados modelos de
treliça de octeto convencional e modificada
* (
treliça de octeto ). Estes diferiam dos comuns por possuírem elementos em forma de placas e bastonetes, imitando a microestrutura e a anisotropia do osso trabecular (
3A ).
Fazenda * - neste caso, não se trata de terras agrícolas, mas de uma estrutura de haste, que permanece inalterada após a substituição de nós rígidos por outros articulados.
Um exemplo de uma fazenda de octetos.
Fazenda de octetos * - esse tipo de construção em 1961 foi proposto por Richard Buckminster Fuller (1895–1981). A estrutura é baseada em um padrão geométrico octaédrico-tetraédrico, que consiste em linhas que conectam os centros das bolas, de modo que cada bola seja cercada por outras doze bolas.
A microestrutura do osso esponjoso mostra um comportamento no qual predomina a deformação por flexão, a treliça de octeto usual é a tensão de tração e, em treliças de octeto modificadas, é observada uma combinação de flexão e alongamento.
Como resultado, um aumento na espessura transversal das hastes em microarquiteturas em forma de osso levou a um aumento na resistência à fadiga em 8 vezes (
3V ), enquanto a densidade aumentou ligeiramente (+ 4%), assim como a rigidez longitudinal (+ 20%).
Em uma fazenda de octetos, um aumento na espessura transversal das hastes levou a um aumento na resistência à fadiga por um fator de 5 (
3B ), a densidade aumentou em 10% e a rigidez longitudinal em 14%.
Mas com as fazendas de octetos modificados, a situação era muito mais interessante. Quando esse modelo foi girado 90 ° para que os elementos espessados fossem orientados verticalmente e inclinados às cargas aplicadas, a resistência à fadiga diminuiu 9 vezes em comparação com o modelo sem braços espessados. Isso sugere que o efeito dos elementos transversais na resistência à fadiga está associado à proporção do material orientado através da carga, e não à espessura das hastes transversais per se. Para entender exatamente como os elementos de orientação transversal influenciam o acúmulo de danos por fadiga, o método dos elementos finitos foi aplicado em vários ciclos de carga.
O dano por fadiga envolve um processo local irreversível de dissipação de energia, levando a um aumento na dissipação de energia. Os modelos de elementos finitos dos primeiros 5 a 25 ciclos de carga mostraram que a resistência à fadiga da microarquitetura do octeto e do osso com e sem hastes espessadas está intimamente relacionada à dissipação de energia plástica por unidade de trabalho (
3C ).
Portanto, um aumento na fração de volume transversal (
ψ é a fração do volume sólido orientado na direção transversal à carga) nesses materiais microarquitetônicos reduz a dissipação de energia e o acúmulo de danos durante o carregamento cíclico. Tal observação assemelha-se à situação das trabéculas em forma de bastonete (principalmente orientadas transversalmente), que experimentavam menos acúmulo de danos no osso trabecular, se sua espessura fosse levemente aumentada (
1E ).
O uso de uma única super carga (deformação de 50%) mostrou que ossos e materiais microarquitetônicos são capazes de reparar a maior parte dos danos após uma tensão aplicada, o que é explicado por deformações elásticas (reversíveis) em hastes de orientação transversal.
Assim, fica claro que são precisamente as hastes ou partições (trabéculas) orientadas transversalmente que desempenham um papel importante na resistência à falha por fadiga. Em outras palavras, as observações mostram que é a geometria da estrutura que é importante, e não sua composição química.
Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o
relatório dos cientistas e
materiais adicionais .
Epílogo
Neste trabalho, os pesquisadores conseguiram estabelecer que as microestruturas podem ser extremamente duráveis e resistentes à deformação. A principal conclusão é o fato de que a origem do material (biológico ou sintético) não importa quando a geometria correta dos elementos internos da microarquitetura é aplicada. Alterar a espessura dos componentes individuais permite prolongar a vida útil de toda a estrutura, sem perdas significativas de rigidez, resistência ou outras características mecânicas importantes.
Este estudo, segundo seus autores, pode encontrar sua aplicação na medicina, permitindo uma melhor compreensão dos processos associados à osteoporose. A osteoporose é caracterizada por uma deterioração da microestrutura do osso esponjoso, que se expressa em uma diminuição acentuada no número e na força das trabéculas de orientação transversal. Anteriormente, acreditava-se que a rigidez, força e absorção de energia do osso trabecular dependem quase inteiramente de trabéculas orientadas longitudinalmente. Porém, neste estudo, foi comprovado que os orientados transversalmente desempenham um papel importante, principalmente no contexto da resistência à fadiga dos ossos. Os pesquisadores não rejeitam o fato de que muitas lesões ósseas em pacientes com osteoporose são causadas por uma única sobrecarga (queda, levantamento de peso etc.). No entanto, as lesões mais comuns associadas à osteoporose são, no entanto, lesões na coluna vertebral, que geralmente ocorrem na ausência de qualquer super carga, ou seja, são uma conseqüência da perda de resistência à fadiga. É por isso que é necessário prestar atenção não apenas às trabéculas de orientação longitudinal, mas também às de orientação transversal.
Quanto à aviação e outras indústrias, os resultados deste estudo podem levar os engenheiros a desenvolver novos tipos de peças que sejam ultra-fortes e duráveis, enquanto permanecem ultraleves, o que é importante para as asas das aeronaves, por exemplo.
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