رقابت بیومکانیکی ایمپلنت ها با استخوان

استخوان، ماده ای با ساختار ناهمگن

بیومواد، مواد دست سازی هستند که در سیستم های زنده به کار می روند؛ مانند مواد به کار رفته در ایمپلنت مفصل ران. این مواد ممکن است منشأ طبیعی یا مصنوعی داشته باشند. بیومواد از مواد و ترکیبات پیچیده‌ ای تشکیل شده‌اند. جنس بیومواد با توجه به کاربرد آن ها متفاوت است. بیشتر ساختارها و ویژگی های بیومواد یکنواخت نیست. استخوان های دراز مانند استخوان فمور از دو نوع استخوان با مورفولوژی متفاوت از هم ساخته شده است:

• بخش فشرده استخوان
• بخش اسفنجی استخوان

این قسمت ها در تصویر زیر مشاهده می شوند:

بیومکانیک استخوان ها

استخوان ماده ای طبیعی است، اما می توان ویژگی های بیومکانیکی آن را مانند مواد دست ساز و مصنوعی بررسی کرد. ویژگی های بیومکانیکی استخوان نسبت به ایمپلنت های مصنوعی متنوع تر است. فاکتورهای مختلفی باعث تنوع در بیومکانیک استخوان می شوند. این فاکتورها شامل موارد زیر هستند:

• سن
• جنس
• جایگاه قرارگیری استخوان در بدن
• میزان مواد معدنی استخوان
• درصد آب استخوان
• بیماری هایی مثل استئوپورسیس (پوکی شدید استخوان

  بنابراین ویژگی های بیومکانیکی استخوان با توجه به شرایط مختلف متنوع هستند و اعدادی که در بعضی جدول ها وجود دارد در واقع میانگین هر یک از ویژگی های استخوان هستند.

قدرت و سختی استخوان

واکنش مواد در برابر فشاری که به آن ها وارد می شود، به قدرت و سختی آن ها بستگی دارد. وقتی فشاری از خارج به استخوان وارد می شود، استخوان نسبت به این فشار واکنش نشان می دهد. واکنش و تغییر شکل استخوان در برابر این فشار، میزان قدرت و سختی آن را نشان می دهد. قدرت و سختی به صورت منحنی نیرو-تغییر شکل مشخص می شود. برای بررسی قدرت و سختی استخوان، پارامترهای زیادی وجود دارند:

ویژگی های ناهمسان بافت استخوان

داشتن پارامترهای ناهمسان یعنی داشتن ویژگی های متفاوت در جهت های مختلف. استخوان نمونه ای از مواد ناهمسان است. واکنش استخوان در برابر فشار خارجی، بستگی به جهت فشار وارد شده دارد. به طور کلی فشارهایی که در جهت طولی به استخوان وارد می شوند بسیار بیشتر از فشار های وارد شده به صورت عرضی به سطح استخوان هستند. بافت استخوان به گونه ای ساخته شده است که پایداری بیشتری نسبت به فشارهای وارد شده در جهت طولی دارد؛ زیرا به طور طبیعی در جهت طولی تحت فشار قرار می گیرد.

ویژگی ویسکوالاستیک

استخوان یک ماده ویسکوالاستیک است. یعنی واکنش آن در برابر فشار خارجی، به سرعت فشار وارد شده و طول ناحیه تحت فشار نیز بستگی دارد. استخوان فشارهای وارد شده با سرعت های خیلی بالا را بهتر تحمل می کند. نصف فشاری که در سرعت های بالا باعث شکست استخوان می شود، اگر با سرعت پایین به استخوان وارد شود باعث شکسته شدن استخوان می شود.

پاسخ الاستیک

زمانی که نیرویی به استخوان وارد می شود، تغییر شکل اندکی در طول و یا سر استخوان ایجاد می شود. استخوان حداکثر تا سه درصد تغییر شکل می دهد. بعد از حذف فشار، شکل استخوان دوباره به حالت اول برمی گردد. این ویژگی پاسخ الاستیک نام دارد.

پاسخ پلاستیک

با اعمال مکرر فشار به استخوان، به جایی می رسیم که بعد از آن فیبرهای بخش خارجی استخوان آسیب می بیند. این باعث می شود مواد داخلی استخوان حالت منسجم خود را از دست بدهند. این حالت، حالت پلاستیک یا همان غیر الاستیک نامیده می شود. در این حالت اعمال فشار باعث شکستگی استخوان می شود. بنابراین وقتی فشار حذف شود استخوان دیگر به حالت اول بازگردانده نمی شود.

مقاومت

در مورد استخوان یا هر ماده دیگری مقاومت، با آستانه شکست سنجیده می شود. (نقطه ای که اعمال فشار بیشتر از آن باعث شکست ماده می شود) مقاومت به بیان دیگر، ذخیره انرژی نیز نامیده می شود.

سختی

سختی یا همان مدول الاستیک با مقاومت مواد در برابر تغییر شکل بیان می شود. استخوان ها، تاندون ها، و رباط ها این پاسخ را نشان می دهند.

استرس و اتساع

یکی از پارامترهای دیگر برای ارزیابی رفتار استخوان استرس است. استرس فشار وارد شده به مقطع عرضی ماده و اتساع و تغییر شکل آن است؛ به طوری که طول اولیه ماده تغییر نکند.

منابع

http://www.orthobullets.com/http://cdn.intechopen.com/