تعیین خواص مکانیکی شکست استخوان کورتیکال با استفاده از نمونه‌های کمان-شکل

علیزاده فرد, فرشته; میرزائی, مجید

doi:10.22041/ijbme.2020.122037.1566

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

¹ دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

² دانشیار، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

10.22041/ijbme.2020.122037.1566

چکیده

با توجه به کاربرد آزمایش و تحلیل شکست استخوان در هر دو حوزه‌ی پزشکی و مهندسی، یافتن نمونه‌ی مناسب برای اندازه‌گیری خواص مکانیکی شکست بسیار مهم است. لذا در این مطالعه به تحلیل تجربی و عددی شکست استخوان کورتیکال گوساله برای 4 ناحیه‌ی آناتومیکی با استفاده از نمونه‌های کمان-شکل پرداخته شده است. تست تجربی شکست برای نمونه‏های کمان-شکل در دمای محیط انجام شده و در عمل فاکتور شدت تنش با استفاده از فرمول تحلیلی استاندارد برای نمونه‏های کمان-شکل و روش مدل المان محدود مربوط به نمونه‏ها محاسبه شده است. به منظور صحت‌سنجی مدل المان محدود، نتایج تحلیل تنش و کرنش با نتایج به دست آمده از روش برهم‏نگاری تصاویر دیجیتالی مقایسه شده است. توافق بسیار خوب بین نتایج تحلیل تنش و کرنش عددی و تجربی، نشان دهنده‌ی دقت تحلیل المان محدود است. در این مطالعه ارتباط خوبی در شروع و رشد ترک بین نتایج تجربی و المان محدود و هم‌چنین مقادیر چقرمگی شکست به دست آمده از روش عددی با دیگر مطالعات مشاهده شده است. هم‌چنین نتایج حاصل از این مطالعه نشان می‏دهد که فاکتور شدت تنش تحلیلی می‏تواند نتایج دقیقی برای نمونه‏های کمان-شکل ایجاد شده از نواحی آناتومیکی خلفی و قدامی ارائه کند، هرچند برای نواحی آناتومیکی میانی و جانبی، تنها مدل المان محدود می‏تواند دقت لازم را فراهم سازد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

بیومکانیک استخوان

عنوان مقاله [English]

Determination of Fracture Properties of Cortical Bone using Arc-Shaped Specimen

نویسندگان [English]

Fereshteh Alizadeh Fard ¹
Majid Mirzaei ²

¹ M.Sc. Student, Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran

² Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Regarding the application of testing and analysis of bone fractures in both medical and engineering fields, finding proper specimens for measuring fracture properties is important. In this study, the experimental and numerical fracture analyses of bovine cortical bone were performed for 4 anatomical regions using arc-shaped specimens. The tensile fracture tests for arc-shaped specimens were performed at ambient temperature. In practice, the stress intensity factor was calculated using standard analytical formula for arc-shaped specimens and also the related finite element (FE) models. In order to validate the FE models, the stress and strain analyses results were compared with the results obtained from digital image correlation (DIC) method. The very good agreement between these results was indicative of the accuracy of FE analyses. There were also good correlations between the initiation and propagation of crack from both experimental and FE results and the measured fracture toughness values were in good agreement with those reported in the literature. The results of this study showed that the analytical stress intensity expressions can give accurate results for the arc-shaped specimens excised from posterior and anterior regions. However, for the medial and lateral regions only the FE models can provide the required accuracy.

کلیدواژه‌ها [English]

Cortical Bone
Finite Element Method
Arc-Shaped Specimen
Stress Analysis
Digital Image Correlation
Fracture Toughness

مراجع

[1] A. D. Woolf and K. J. B. Åkesson, "Preventing fractures in elderly people," vol. 327, no. 7406, pp. 89-95, 2003.

[2] J. D. J. C. O. Currey and R. Research, "The mechanical properties of bone," vol. 73, pp. 210-231, 1970.

[3] W. J. J. o. b. Bonfield, "Advances in the fracture mechanics of cortical bone," vol. 20, no. 11-12, pp. 1071-1081, 1987.

[4] P. Lucksanasombool, W. Higgs, R. Higgs, and M. J. B. Swain, "Fracture toughness of bovine bone: influence of orientation and storage media," vol. 22, no. 23, pp. 3127-3132, 2001.

[5] J. Melvin, "Crack propagation in bone," in Abst. ASME 1973 Biomech. Symp., 1973, pp. 87-88.

[6] P. Zioupos and J. J. B. Currey, "Changes in the stiffness, strength, and toughness of human cortical bone with age," vol. 22, no. 1, pp. 57-66, 1998.

[7] X. Wang, X. Shen, X. Li, and C. M. J. B. Agrawal, "Age-related changes in the collagen network and toughness of bone," vol. 31, no. 1, pp. 1-7, 2002.

[8] J. Behiri and W. J. J. o. b. Bonfield, "Fracture mechanics of bone—the effects of density, specimen thickness and crack velocity on longitudinal fracture," vol. 17, no. 1, pp. 25-34, 1984.

[9] Z. Feng, J. Rho, S. Han, I. J. M. S. Ziv, and E. C, "Orientation and loading condition dependence of fracture toughness in cortical bone," vol. 11, no. 1, pp. 41-46, 2000.

[10]T. L. Norman, D. Vashishth, and D. J. J. o. b. Burr, "Effect of groove on bone fracture toughness," vol. 25, no. 12, pp. 1489-1492, 1992.

[11]D. Vashishth, J. Behiri, and W. J. J. o. b. Bonfield, "Crack growth resistance in cortical bone: concept of microcrack toughening," vol. 30, no. 8, pp. 763-769, 1997.

[12]T. Wright and W. J. J. o. B. Hayes, "Fracture mechanics parameters for compact bone—effects of density and specimen thickness," vol. 10, no. 7, pp. 419-430, 1977.

[13]J. Behiri and W. J. J. o. b. Bonfield, "Orientation dependence of the fracture mechanics of cortical bone," vol. 22, no. 8-9, pp. 863-872, 1989.

[14]R. De Santis et al., "Bone fracture analysis on the short rod chevron-notch specimens using the X-ray computer micro-tomography," vol. 11, no. 10, pp. 629-636, 2000.

[15]M. D. Hunckler et al., "The fracture toughness of small animal cortical bone measured using arc-shaped tension specimens: Effects of bisphosphonate and deproteinization treatments," vol. 105, pp. 67-74, 2017.

[16]M. Mirzaei, F. Alavi, F. Allaveisi, V. Naeini, and P. Amiri, "Linear and nonlinear analyses of femoral fractures: Computational/experimental study," Journal of biomechanics, vol. 79, pp. 155-163, 2018.

[17]B. J. E. m. Pan, "Recent progress in digital image correlation," vol. 51, no. 7, pp. 1223-1235, 2011.

[18]B. Pan, H. Xie, and Z. Wang, "Equivalence of digital image correlation criteria for pattern matching," Applied optics, vol. 49, no. 28, pp. 5501-5509, 2010.

[19]R. W. J. J. o. M. E. Hertzberg, "Deformation and fracture mechanics of engineering materials," vol. 19, pp. 227-232, 1997.

[20]E. J. C. U. Iesulauro, Ithaca, "FRANC2D/L: A Crack Propagation Simulator for Plane Layered Structures," p. 123, 1995.

[21]B. Yu, G. Zhao, J. Lim, and Y. J. P. o. t. i. o. m. e. Lee, Part H: Journal of engineering in medicine, "Compressive mechanical properties of bovine cortical bone under varied loading rates," vol. 225, no. 10, pp. 941-947, 2011.

[22]R. K. Nalla, J. J. Kruzic, J. H. Kinney, and R. O. Ritchie, "Mechanistic aspects of fracture and R-curve behavior in human cortical bone," Biomaterials, vol. 26, no. 2, pp. 217-231, 2005.

[23]T. L. Norman, D. Vashishth, and D. J. J. o. b. Burr, "Fracture toughness of human bone under tension," vol. 28, no. 3, pp. 309-320, 1995.

[24]R. Nalla, J. Kruzic, J. Kinney, and R. Ritchie, "Effect of aging on the toughness of human cortical bone: evaluation by R-curves," Bone, vol. 35, no. 6, pp. 1240-1246, 2004.

[25]R. R. Adharapurapu, F. Jiang, and K. S. Vecchio, "Dynamic fracture of bovine bone," Materials Science and Engineering: C, vol. 26, no. 8, pp. 1325-1332, 2006.

[26]J.-Y. Rho, L. Kuhn-Spearing, P. J. M. e. Zioupos, and physics, "Mechanical properties and the hierarchical structure of bone," vol. 20, no. 2, pp. 92-102, 1998

[27]P. Lucksanasombool, W.A. Higgs, R.J. Higgs, M.W. Swain. "Fracture toughness of bovine bone: influence of orientation and storage media," Biomaterials vol. 22, pp. 3127–32, 2001.

فصل نامه علمی پژوهشی مهندسی پزشکی زیستی

تعیین خواص مکانیکی شکست استخوان کورتیکال با استفاده از نمونه‌های کمان-شکل

مراجع

مراجع

دوره 14، شماره 2
تیر 1399
صفحه 121-131

تعیین خواص مکانیکی شکست استخوان کورتیکال با استفاده از نمونه‌های کمان-شکل

مراجع

مراجع

دوره 14، شماره 2تیر 1399صفحه 121-131

دوره 14، شماره 2
تیر 1399
صفحه 121-131