在成年人的骨骼中，有206块骨头，它们一起发挥肌肉骨骼和保护功能。 不幸的是，与人体所有其他部位一样，骨骼也容易受到各种疾病，伤害，变形和伤害的影响。 骨骼研究最多的问题之一是骨质疏松症，由于其内部结构和骨密度受到干扰。 以前，这种疾病是通过X射线进行研究的，这使得研究骨骼的结构以及确定薄弱点成为可能。 科学家最经常地根据最大可能的单个负荷来考虑骨骼强度。 但是，康奈尔大学的一组研究人员决定从另一个角度看待骨质疏松症的问题。 他们建议将骨骼与可以正常工作一段时间的汽车零件进行比较，但由于长时间使用而无法正常工作。 科学家对新的骨分析方法说了什么，可以预防或改变骨骼的哪些结构变化，这项工作如何有助于抗击骨质疏松症甚至帮助航空业？ 我们从研究小组的报告中了解到这一点。 走吧
学习基础
这项工作的中心论点是：由于材料的几何形状，而不是由于其成分（组成），可以改善微体系结构材料的机械性能。
超轻型微建筑材料最初可能具有更高的刚度，因此具有更高的强度，但它们还必须承受多个载荷循环，即不仅坚固而且耐用。 如果我们谈论这种材料的自然等效物，那么人体骨骼的骨骼就完美地描述了这种结构。
骨骼的结构由几种基本建筑材料组成：紧密的骨质，海绵状骨质和骨膜。 后者是骨骼的膜，由某些结缔组织组成，这些结缔组织包含与骨骼的营养，生长和恢复有关的血管和细胞成分。
致密的骨骼物质是骨骼的上层，非常均匀且坚硬。 但是海绵位于骨骼内部，由许多沿不同方向相交的板组成。
研究人员认为，一些海绵板的加厚可以改善骨骼的整体机械性能，即 增加其强度和耐用性。
该理论基于以下事实：微建筑材料可能会遭受
材料疲劳* ，因为其复杂的内部几何结构会导致应力累积。
材料的疲劳* -逐渐积累损伤的过程，导致材料的机械性能发生变化。
科学家认为，研究中最重要的是在材料的强度与其抗疲劳性之间找到平衡。 由于没有比自然更好的策划者，因此科学家决定在自然微建筑材料中寻求这种平衡，即 在骨头里。
众所周知，骨头包含许多在不同点交叉的板块（septa），形成海绵状物质。 这些板也称为小梁。 它们通常位于正常体育活动所引起的应力方向上，这导致横向各向同性微观结构的形成。
先前的研究表明，影响松质骨强度的主要因素是密度/孔隙率和组织张量（
各向异性*的量度）。
各向异性* -介质在其内部各个方向上的特性差异（异质性）。
但是，尚未研究微体系结构的其他方面及其对骨骼强度的影响。
松质骨和其他细胞固体的刚度和强度通过
幂定律*与密度相关。
幂律*是两个量之间的函数关系，其中一个量的相对变化导致第二个量的比例变化。
科学家注意到，已经有一种分析方法将海绵状物质的密度与材料的疲劳性（完全磨损的循环次数
N f ）联系起来。 但是，他们认为，海绵状物质的疲劳可以通过材料的应力和资源（
AN ）的归一化比率更好地解释：
σ /
E 0 1 /
√ψ =
AN B f其中
σ是最大压缩应力；
E
0是初始杨氏模量（或者，使用屈服强度或平稳应力）；
A和
B是经验常数（在松质骨中，
A在0.0091到0.013之间变化，
B在-0.121到-0.094之间变化）。
值得注意的是，这种评估材料疲劳的方法虽然非常成功，但对于不同来源的材料（例如人和狗的海绵骨组织），某些变量（例如A和B）可能会有所不同。
研究成果
为了了解微体系结构与材料疲劳之间的关系，科学家分析了人类椎骨的高度多孔（> 90％）的海绵状骨组织（来自18个捐赠者的44个样本）。
在通常的生理负荷的方向上，对每个样品施加周期性的压缩负荷。
材料疲劳载荷在一定的应力循环值下停止，该循环由循环载荷的累积确定。 之后，使用造影剂（
1A和
1B ）评估所有显微损伤在显微组织中的数量和位置。
图片编号1：微架构对松质骨疲劳损伤累积的影响。使用三维图像对微体系结构进行了评估，并使用形态分解方法对其进行了分析，该方法将结构中的每个单独的分区隔离开，并将其划分为层状或棒状，并确定其相对于载荷的方向（
1C和
1D ）。
发现由疲劳载荷引起的组织损伤的数量与施加的最大变形有关，但与样品的密度或图像中其他微结构平均值无关。
奇怪的是，具有较厚杆状隔垫（
1E ）的样品的组织损伤程度较小。 这种观察是非常出乎意料的，因为松质骨中的棒状隔垫主要横向于所施加的载荷定向，总计为
这仅是高孔隙度海绵状海绵的硬体积的20％。 另外，它们仅承受一小部分的纵向载荷，并且对纵向的刚度和强度影响很小。
然后，科学家研究了疲劳负荷过程中不同位置组织损伤的分布，这使他们能够更好地了解棒状隔板对骨骼疲劳的影响。 发现在疲劳载荷期间单个小梁的破坏与周期数成非线性关系，并且在小梁的类型/方向上不同。 最初，断裂发生在杆状小梁中，而在板状小梁中，直到整个结构（
1F ）明显被破坏，才发生明显的损伤积累。
隔膜破坏的本质还与它的方向有关：损坏的杆状小梁主要沿横向方向定位，而损坏的板状小梁主要沿纵向方向定位。
研究人员认为，这种破坏单个隔板的行为取决于载荷引起的拉应力分布。 模型表明，压缩载荷导致杆状小梁（主要是横向取向）中的拉应力和板状小梁（主要是纵向取向）中的压应力。
这些观察结果表明，在海绵状骨组织中，恰好是横向取向的小梁在循环载荷期间充当“合理受害者”，从而累积了组织损伤，从而保护了纵向取向的层状小梁，其破坏将导致结构的完全破坏。
图片编号2：使用3D打印获得的海绵骨骼模型显示，疲劳强度对微结构的细微变化敏感。松质骨中损伤积累的另一个重要组成部分是组织异质性。 为了将微观结构的影响与与材料异质性相关的影响隔离开来，科学家创建了松质骨微观结构的三维模型（
2A和
2B ）。
通过向横小梁的表面添加材料来修饰海绵状骨微结构（
2B ）。 修改类型分为三种：无更改（原始几何形状）； 表面+20μm（小梁厚度平均增加20±5％）; 每个表面上+60μm（小梁厚度平均增加45±14％）。
由于横向杆状小梁仅占固体体积的一小部分，并且仅承担纵向载荷的一小部分，因此棒状隔板的增厚对密度的影响很小，增加了11±8％（
2C ），而对刚度的影响则是纵向杨氏模量的增加，为22 ±19％（
2D ）。
如果这种变化在整个微结构中均匀地发生，则疲劳强度会非常微小地变化。 如果这种变化仅适用于杆状小梁，则疲劳强度会增加两个数量级（
2E ）。
为了确认损伤累积在模型以及松质骨中的发展，在一定负荷后使用不透射线的染料对三维打印样品进行了损伤研究。
发现在模型中，由对比度定义的损伤累积部位分布在整个结构中，以及先前研究的海绵状骨组织中（
2F ）。 但是，在打印时，将模型设置为较粗的杆状隔板，从而减少了损坏累积（
2G ）。
因此，通过改变三维打印样品中的海绵状骨组织或类似隔垫的结构中的杆状小梁的厚度，可以减少由于疲劳载荷引起的损伤积累。
还清楚的是，杆状小梁（主要是横向取向）中的平均拉伸应力高于板状小梁（主要是纵向取向）中的平均拉伸应力。 这表明损伤的位置与微结构中的应力分布相对应，正如在真正的松质骨中所发现的那样。
总结以上观察结果，科学家认为，集中在微体系结构的横向结构组件上的质量略有增加可以减少拉伸应力，这对疲劳强度具有重要作用。
图3：横向体积对多孔（多孔）固体疲劳强度的影响。然后，研究人员决定检查他们的发现是否适用于其他多孔固体和其他变形机制。 为此，创建了传统
八角形桁架和改进型
八角形桁架* （
八角形桁架 ）的模型。 后者与普通的不同之处在于，它们具有板状和棒状的元素，模仿了小梁骨（
3A ）的微观结构和各向异性。
农场* -在此情况下，并不是要用农用土地，而是要用杆状结构，在用铰接节点代替刚性节点后，该结构保持不变。
一个八位位组农场的示例。
奥克特农场* -1961年，理查德·巴克敏斯特·富勒（Richard Buckminster Fuller，1895-1981年）提出了这类建筑。 该结构基于八面体-四面体的几何图案，该图案由连接球中心的线组成，因此每个球都被其他十二个球包围。
松质骨的微观结构表现出以下行为：弯曲变形占主导，通常的八角形桁架是拉伸应变，而在改进的八角形桁架中，观察到弯曲和拉伸的组合。
结果，骨状微结构中杆的横向厚度增加导致疲劳强度增加8倍（
3V ），而密度则略有增加（+ 4％），纵向刚度也增加了（+ 20％）。
在一个八角形农场中，杆的横向厚度的增加导致疲劳强度增加了5倍（
3B ），密度增加了10％，纵向刚度增加了14％。
但是，使用经过修改的八位位组农场，情况就更加有趣了。 当此模型旋转90°，以使增厚的元件垂直定向并倾斜于所施加的载荷时，与没有增厚的支杆的模型相比，疲劳强度降低了9倍。 这表明，横向元件对疲劳强度的影响与沿载荷方向取向的材料的比例有关，而与横向杆本身的厚度无关。 为了准确地理解横向取向单元如何影响疲劳损伤的累积，有限元方法被应用于多个载荷循环。
疲劳损伤涉及能量耗散的局部不可逆过程，从而导致能量耗散增加。 前5–25个载荷周期的有限元模型表明，八角形和带或不带加厚杆的类骨微结构的疲劳强度与每个工作单位的塑料能量消耗（
3C ）密切相关。
因此，在这些微建筑材料中，横向体积分数的增加（
ψ是沿垂直于负载方向的固体体积的分数），减少了循环加载过程中的能量耗散和损伤累积。 这种观察类似于杆状小梁（主要为横向取向）的情况，如果其厚度略微增加（
1E ），则小梁中的损伤积累较少。
单个超负荷（变形为50％）的使用表明，骨骼和微建筑材料能够在施加应力后修复大部分损伤，这可以通过横向定向杆的弹性（可逆）变形来解释。
因此，很明显，正是横向取向的杆或隔板（小梁）在抵抗疲劳失效中起着重要的作用。 换句话说，观察结果表明，重要的是结构的几何形状，而不是其化学组成。
为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下
科学家的
报告和
其他材料 。
结语
在这项工作中，研究人员能够确定微结构可以非常耐用并且抗变形。 主要结论是这样的事实，即当应用微体系结构的内部元素的正确几何形状时，材料的来源（生物或合成）无关紧要。 更改单个组件的厚度可以使您延长整个结构的寿命，而不会因刚度，强度或其他重要的机械特性而遭受重大损失。
根据其作者的说法，这项研究可以发现其在医学中的应用，从而可以更好地了解与骨质疏松症相关的过程。 对于骨质疏松症，其特征在于松质骨的微结构恶化，这表现为横向定向小梁的数量和强度急剧下降。 先前认为，小梁骨的刚度，强度和能量吸收几乎完全取决于纵向定向的小梁。 但是在这项研究中，已证明横向取向的材料起着重要的作用，尤其是在骨骼的疲劳强度范围内。 研究人员不否认以下事实：骨质疏松症患者的许多骨骼损伤是由单个超负荷（跌倒，举重等）引起的。 但是，与骨质疏松症相关的最常见的损伤是脊柱损伤，通常发生在没有任何超负荷的情况下，即 是疲劳强度降低的结果。 因此，不仅要注意纵向的小梁，而且要注意小梁的横向。
对于航空和其他行业，这项研究的结果可能会促使工程师开发出新型的零件，这些零件将具有超强的耐用性，同时又保持超轻的特性，例如，这对于飞机机翼很重要。
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