Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace...
Transcript of Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace...
![Page 1: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/1.jpg)
Přednáška 3
Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace vnitřní strukruty
6.11.2013
![Page 2: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/2.jpg)
Kortikální a trabekulární kost
● Na povrchu tenká slupka hutné kosti (kortikální kost)
● Vnitřek distálního i proximálního konce dlouhých kostí vyplněn trámčitou kostí (trabekulární, spongióza)
● Tělo obratle, kosti předloktí (diagnostika osteoporózy,...)
![Page 3: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/3.jpg)
Mechanické vlastnosti kortikální kosti
● Anizotropní● Tuhost dána také
poměrem:vápník/porozita● Vysoká hodnota Poissonova
poměru (Poisson ratio) ν● Duktilní
![Page 4: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/4.jpg)
● Viscoelastický materiál– Rychlost deformace
● dε/dt ↑ pevnost také roste ↑– Únavové vlastnosti: cyclické
namáhání– Vznik mikrotrhlin, jejich růst,
klasická lomová mechanika– Schopnost remodelace (in
vivo)– Mikrotrhliny: nejčastěji se
vyskytují ve vysoce mineralizované tkáni
Mechanické vlastnosti kortikální kosti
![Page 5: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/5.jpg)
Trabekulární kost (spongiózní kost)
● Síť navzájem pospojovaných trabekul (pruty, destičky), které vytvářejí odolnou a lehkou konstrukci
● Nelineární modul pružnosti a pevnost
● Morek: zvyšuje schopnost absorpce impaktního zatížení
![Page 6: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/6.jpg)
Trabekulární kost – mechanické vlastnosti
Odlehčená kost, z velké části prázdný prostor.
Mnohem více remodelace
Větší povrchová plocha
Více elastická
Větší odolnost proti tlaku
Pohlcuje dynamické zatížení v ose kosti
![Page 7: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/7.jpg)
Wolffův zákon
Jednotlivé trabekuly jsou uspořádány do směrů, které odpovídají směru hlavního napětí (trabekuly se chytře přestavují pomocí tzv. remodelace, aby se struktura co nejlépe přizpůsobila mechanickému namáhání).
![Page 8: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/8.jpg)
Mikrostruktura trabekulární kosti
![Page 9: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/9.jpg)
Porušení trabekulární kostiSEM trhliny v trabekulární kosti:
A) koncová část delaminace
B) trhlina je překlenuta vlákny (filamenty)
C) mikrotrhlina vzniklá delaminací a náledným posunutím kostní tkáně v podélném směru trhliny
D) zvětšený pohled na vlákna překlenující trhlinu
E) tři typy mineralizovaných fibril:
− 3) osamocené kolagenové vlákno, tloušťka 67nm (kolagen typu I)
F) detail kolagenového vlákna, na kterém jsou patrné příčné pásy
Hierarchický systém vzájemných propojení pomocí vláken (filamentů), vlákének (fibril) a samotných kolagenních vláken dělají z kosti úžasný nanokompozit, který velmi dobře odolává šíření trhliny.
![Page 10: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/10.jpg)
Kost jako nanokompozit
Kost je tedy nanokompozit skládající se z přibližně 70% matrice a ze 30% minerálu velikosti v nanometrech
materiál matrice tvoří kolagenová vlákna (polymer) která jsou uspořádána do velmi složité struktury
Vlákna jsou pokryta minerálem – krystalky hydroxyapatitu o velikosti 50nmx25nmx3nm
![Page 11: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/11.jpg)
Adaptace kosti● Modelace: apozice, tvorba
(doplňování) nové kostní hmoty
– různé rychlosti– kontinuální proces– na jakémkoliv kostním
povrchu– různé výkony v průběhu
života (dospívání, puberta, růstový hormon,... osteoporoza)
● Remodelace: resorpce a apozice
– Aktivace, resorpce a tvorba
– Osteoklasty - resorpce– Tvorba nové kosti (apozice)
osteoblasty– Inicializace
● mechanickou deformací● fatigue damage theory (Burr)
Kalciofosfátový metabolismus = hospodaření s vápníkem a fosforem, které je hormonálně regulováno parathormonem, kalcitoninem a vitaminem D.
![Page 12: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/12.jpg)
• nediferencované mesenchymové buňky• osteoblasty• buňky lemující kost• osteocyty• osteoklasty
Iontové složení kostního minerálu (mmol/g suché kostní tkáně bez tuku)
Kostní buňky
Kationty množstvíCa2+ 6.66Mg2+ 0.18Na+ 0.32K+ 0.02
Anionty množstvíPO3- 4.02CO3
2- 0.79Citrate3- 0.05Cl- 0.02
![Page 13: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/13.jpg)
Osteocyty – 90% všech kostních buněk- nejsou synteticky aktivní, podílejí se však na obměně minerálů, účastní se remodelace při poškozeních (únavové zlomeniny) - kontrola pohybu iontů dovnitř kosti a ven.
Osteoblasty – produkují základní kostní hmotu- vysoká proteosyntetická aktivita.
Osteoklasty - buňky odbourávající kostní tkáň- obsahují četné lysosomy s proteolytickými enzymy(kolagenasu, želatinasy, katepsiny, glykosidasu, sulfatasu, anorganickou pyrofosfatasu, izoenzym kyselé fosfatasy).Membrána obsahuje protonovou pumpu – snížení pH 7 na pH 4
Kostní tkáň
![Page 14: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/14.jpg)
Fáze kostní tvorby
Tvorba kosti a mineralizace (embryonální vývoj). Růst kostí. Udržování kostní tkáně (remodelace, hojení).
Mechanismus tvorby kosti:1. Vznik kosti z chrupavky – enchondrální osifikace.2. Intramembránová osifikace – ploché kosti (embryonální
vývoj).3. Apoziční tvorba – periostální rozšiřování kosti během
modelace a remodelace.
![Page 15: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/15.jpg)
Růst kosti
fylogeneticky dvojí vývoj kostí: primární (krycí kosti) sekundární (náhradní kosti)
Osifikační proces
osteoblasty − buňky z mezenchymu, produkují nezvápenatělé prekurzory základní hmoty → polymerací se mění v osteoidosteoblasty v této hmotě uváznou kostní trámečky − struktury, které jsou vytvářeny osteoblasty, dále přibývají aposicí osteocyty − typické kostní buňky, vznikají z nepohyblivých osteoblastů (které uvázly v osteoidu)osteoklasty − odbourávají kost, odbouraná kost je nahrazena kostí novou → přestavba kosti
![Page 16: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/16.jpg)
Vliv stárnutí
● BMC: Bone mineral content (obsah kostního minerálu)
● PHV: Peak height velocity (growth) – maximální rychlost
● Maximání hodnota BMC je mezi 20. a 30. rokem života
![Page 17: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/17.jpg)
Vliv stárnutí
● U mužů > BMC než u ženObsah kostního minerálu se dramaticky snižuje u žen po menopause (nadměrná kostní resorpce navozená nedostatkem pohlavních hormonů)
● Snižování BMC po 50ce– cortical same rate– rychlost ↑ po menopauze (3%)
Osteoporóza i většina dalších metabolických onemocnění skeletu jsou důsledkem déletrvajícího narušení rovnováhy mezi kostní resorpcí a novotvorbou.
![Page 18: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/18.jpg)
Osteoporóza, osteoporotická zlomenina
● Snížení obsahu kostního minerálu a změny v geometrii a tlouštce trabekul často vedou k osteoporotickým zlomeninám (krček stehenní kosti, zápěstí, páteřní obratel)
![Page 19: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/19.jpg)
Faktory ovlivňující kvalitu kostiVýživa
● Rovnováha minerálů– metabolity vitamínu D
– hormon parathyroid
– kalcitonin
● Vitamín D– absorpce vápníku– Sluneční paprsky
Fyzická aktivita stimuluje růst kosti“low-moderate activity threshold” - optimální práh Intenzivní cvičení -> 11% nárůst kostní hmoty u mladých jedinců
● Imobilizace, upoutání na lůžko, pobyt ve stavu beztíže
● Space flights: nedostatek zatížení– ↓ depozice– ↑ resorpce
● Částečne reversibilní proces: návrat do normálu je velmi pomalý
![Page 20: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/20.jpg)
Zpět k materiálu kosti - nanokompozit
Kost je nanokompozit skládající se z přibližně 70% matrice a ze 30% minerálu velikosti v nanometrech
materiál matrice tvoří kolagenová vlákna (polymer) která jsou uspořádána do velmi složité struktury
Vlákna jsou pokryta minerálem – krystalky hydroxyapatitu o velikosti 50nmx25nmx3nm
![Page 21: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/21.jpg)
Umělá kost - motivace Kost má velkou schopnost regenerace, ale jen při malém defektu.
Chybí-li větší kus kosti je zapotřebí chybějící prostor vyplnit pomocí kostních štěpů (např. z pánevní lopaty pacienta nebo od dárce), nebo se použije umělá kost (nebiologický materiál, synteticky vyrobený).
Bioaktivní materiál (syntetický materiál, na který organismus dobře reaguje) – kalciofosfátová keramika, uměle připravený hydroxyapatit – vznik pevné chemické vazby s kostní tkání.
Dnes nejčastěji ve formě velmi porézních granulí (póry velikosti 200-500um), míchají se s vlastními kostními štěpy.
Důležitá je vysoká porozita, okolní tkáň a zejména cévy pak do této umělé kostní tkáně mohou dobře prorůstat.
Dalším požadavkem jsou podobné mechanické vlastnosti a schopnost ihned přenášet mechanické zatížení. Odlišné mech. vlastnosti působí značné problémy a jsou příčinou velké remodelace kosti v okolí.
Pomocí umělé kosti je tato disproporce v mechanických vlastnostech odstraněna.
![Page 22: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/22.jpg)
Materiály používané jako umělá kost
Ratanové dřevo – zahřátí (v podstatě spálení) dřeva při velmi vysokém tlaku, přidání vápníku a fosfátu...
Fosforečnan vápenatý (vápenatá sůl kyseliny fosforečné), vysoce porézní keramický materiál, používaný jako lešení. Lze vytvarovat do téměř libovolného tvaru. Porozita vhodné pro osteoblasty I prorůstání cévního řečiště.
STYROFOAM Titanová pěna vyrobená okolo původní matrice polyuretanové pěny. Tato je posléze odstraněna pomocí vysoké teploty a zůstane pouze lehká vysoce porézní titanová pěna s vhodnými mechanickými vlastnostmi.
Kolagen z rybích šupin. Podobné vlastnosti jako rohovka lidského oka. Rychlejší tvorba kolagenu.
![Page 23: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/23.jpg)
Potřeba úpravy štěpu do libovolného tvaru
Tvar vnitřní struktury lešení je velmi důležitý pro okamžitý přenos zatíženíkritická je velikost póru pro prorůstání cévního řečiště (umožnit vyživování)Důležitý je i povrch pro snadné uchycení osteoblastů, osteoklastůUmožnit bioresorpci
![Page 24: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/24.jpg)
Návrh a tvorba lešení
Rapid prototyping- 3D printing- SLS = Selective Laser Sintering
![Page 25: Přednáška 3 Biomechanika kosti, materiálové zkoušky, evaluace …mech.fd.cvut.cz/education/master/k618amc/download/... · 6.11.2013. Kortikální a trabekulární kost Na povrchu](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022060916/60a954bd0ab42b57dc1e7443/html5/thumbnails/25.jpg)
Selective Laser Sintering
pak už “jenom” pokrýt lešení pomocí kmenových buněk a v bioreaktoru nechat růst