نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی
نویسندگان
1 دانش آموخته دکترا دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر
2 دانشیاردانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر
3 استاد دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر
4 دانشیار دانشکده مهندسی صنایع، دانشگاه ایلینویز
چکیده
در این تحقیق، یک مدل میکرومکانیک المان محدود برای استخوان متراکم هاورس انسان به صورت دو بعدی ارایه شده است. با توجه به شباهت استخوان متراکم هاورس انسان با مواد مرکب فیبری- سرامیکی، بافت بینابینی، استخوانک و بافت سمنت لاین به ترتیب به عنوان زمینه، فیبر و فصل مشترک این دو فاز در نظر گرفته شد. سپس با اعمال تئوری مکانیک شکست الاستیک خطی و فرض شرایط کرنش صفحه ای، فاکتور شدت تنش در نزدیکی نوک یک میکروترک محاسبه شد. همچنین تاثیر ریز ساختار و خصوصیات مکانیکی استخوان متراکم انسان بر مسیر رشد میکروترک مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج این مطالعه نشان داد که تاثیر ریز ساختار و خصوصیات مکانیکی استخوان متراکم انسان بر رفتار شکست، محدود به نزدیکی استخوانک می باشد. اگر استخوانک و سمنت لاین نرم تر از بافت بینابینی باشند، هر چه میکروترک به استخوانک نزدیک تر باشد، فاکتور شدت تنش در نوک های میکروترک بیشتر خواهد بود. در صورتی که این دو فاز سخت تر از بافت بینابینی باشند، تاثیر استخوانک بر میکروترک معکوس می شود. همچنین نتایج نشان داد در صورتی که سمنت لاین و بافت بینابینی سخت تر و یا نرم تر از استخوانک باشند، تاثیر استخوانک بر میکروترک بسیار ناچیز خواهد بود. اگر میکروترک تحت شرایط بارگذاری کششی قرار گیرد، مسیر رشد میکروترک همواره به گونه ای منحرف می گردد که از استخوانک دور شود. این نتیجه به خصوصیات مکانیکی بافت های مختلف وابسته نیست. در واقع میکروترک برای رشد خود مسیر بین استخوانک ها را انتخاب می نماید و این خود باعث افزایش جذب انرژی لازم برای شکست و در نتیجه بالا رفتن چقرمگی استخوان متراکم هاورس انسان می شود. این در صورتی است که میکروترک ها بر اثر بارگذاری فشاری، در راستای بار رشد کرده و تقریبا به صورت مستقیم وارد استخوانک می شوند. نتایج این مدلسازی المان محدود با نتایج تجربی مورد مقایسه قرار گرفت و همخوانی خوبی بین آنها وجود داشت.
کلیدواژهها
- استخوان متراکم هاورس انسان
- ریزساختار
- تئوری مکانیک شکست الاستیک خطی
- میکروترک
- فاکتور شدت تنش
- المان محدود
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Effect Of Microstructure And Mechanical Properties Of Haversian Cortical Bone On Microcrack Propagation Trajectory
نویسندگان [English]
- Ahmad Raeisi Najafi 1
- Ahmad Reza Arshi 2
- Mohammad Reza Eslami 3
- Shahriar Fariborz 3
- Mansour Moeinzadeh 4
1 Phd, Biomedical Engineering School, Amirkabir University of Technology
2 Associate Professor, Biomedical Engineering School, Amirkabir University of Technology
3 Professor, Mechanical Engineering School, Amirkabir University of Technology
4 Associate Professor, Industrial and Enterprise Systems Engineering School, University of Illinois
چکیده [English]
A two dimensional finite element model for the human Haversian cortical bone is represented. The interstitial bone tissue, the osteons and the cement line were modeled as the matrix, the fibers and the interface, respectively. This was due to similarities between fiber-ceramic composite materials and the human Haversian cortical bone. The stress intensity factor in the microcrack tips vicinity was computed using the linear elastic fracture mechanics theory and assuming a plane strain condition. It was therefore possible to study the effect of microstructure and mechanical properties of Haversian cortical bone on microcrack propagation trajectory. The results indicated that this effect was limited to the vicinity of the osteon. If both osteon and cement line were assumed to be softer than the interstitial tissue, the stress intensity factor was increased when the crack distance to the osteon reduced. The stress intensity factor decreased if both osteon and cement line were assumed to be stiffer than the interstitial tissue. The resulting simulation indicated that the effect of existence of osteon on the stress intensity factor was no significance, if both the interstitial tissue and cement line were assumed either stiffer or softer than the osteon. Microcrack trajectory was observed to deviate from the osteon under tensile loading; indicating an independence from the mechanical properties of various tissues. In fact, the microcrack adopts a trajectory between the osteons, thereby increasing the necessary absorbed energy for fracture. This results in an increase in the human Haversian cortical bone toughness. The result of this finite element modeling has been confirmed by through evaluation and comparison made with experimental results.
کلیدواژهها [English]
- Human Haversian Cortical Bone
- Microstructure
- Linear Elastic Fracture Mechanics Theory
- Microcrack
- stress intensity factor
- Finite element