Comportamiento mecánico del tejido óseo cortical bajo condiciones de tensión y de compresión cíclica

Resumen

Esta investigación tiene como objetivo estudiar experimentalmente la respuesta mecánica del tejido óseo cortical bajo condiciones de cargas cíclicas de tracción y de compresión. Para ello, se construyeron probetas a partir de fémures bovinos las cuales se sometieron a solicitaciones de ciclos bajos a post-fluencia a distintas velocidades de aplicación de la carga. Los resultados permiten afirmar que la rapidez de degradación del módulo elástico es inversamente proporcional a la velocidad de deformación en el caso de tensión y directamente proporcional a la velocidad en el caso de compresión. Las deformaciones plásticas inician a niveles superiores del 0,35% y del 1,09% de la deformación total en muestras cargadas a tensión y a compresión, respectivamente. Se obtuvieron importantes expresiones matemáticas que estiman con buena aproximación el módulo elástico instantáneo, la deformación total aplicada y la energía de deformación plástica total.

Palabras clave: comportamiento mecánico, compresión cíclica, daño, deformación, energía de deformación plástica, módulo elástico, post-fluencia, tejido cortical, tensión cíclica, prueba experimental

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Referencias

[1] A. C. Courtney, W. C. Hayes, L. J. Gibson, “Age-related differences in post-yield damage in human cortical bone. Experiment and model”, Journal of Biomechanics, vol. 29, no. 11, pp. 1463-1471, 1996, doi: 10.1016/0021-9290(96)84542-8

[2] C. A. Pattin, W. E. Caler, D. R. Carter, “Cyclic mechanical property degradation during fatigue loading of cortical bone”, Journal of Biomechanics, vol. 29, no. 1, pp. 69-79, 1996, doi: 10.1016/0021-9290(94)00156-1

[3] D. B. Burr, M. R. Forwood, D. P. Fyhrie, R. B. Martin, M. B. Schaffler, C. H. Turner, “Bone microdamageand skeletal fragility in osteoporotic and stress fractures”, Journal of Bone and Mineral Research, vol. 12, no. 1, pp. 6-15, 1997, doi: 10.1359/jbmr.1997.12.1.6

[4] M. J. Mirzaali, F. Libonati, D. Ferrario, L. Rinaudo, C. Messina, F. M. Ulivieri, B. M. Cesana, M. Strano, L. Vergani, “Determinants of bone damage: An ex-vivo study on porcine vertebrae”, PLoS One, vol. 13, no. 8, 2018, doi: 10.1371/journal.pone.0202210

[5] M. A. R. Freeman, R. C. Todd, C. J. Pirie, “The role of fatigue in the pathogenesis of senile femoral neck fractures”, The Journal of Bone and Joint Surgery, vol. 56B, no. 4, pp. 698-702, 1974, doi: 10.1302/0301-620X.56B4.698

[6] M. B. Schaffler, K. Choi, C. Milgrom, “Aging and matrix micro damage accumulation in human compact bone”, Bone, vol. 17, no. 6, pp. 521-525, 1995, doi: 10.1016/8756-3282(95)00370-3

[7] D. B. Burr, R. B. Martin, M. B. Schaffler, E. L. Radin, “Bone remodeling in response to in vivo fatigue micro damage”, Journal of Biomechanics, vol. 18, no. 3, pp. 189-200, 1985, doi: 10.1016/0021-9290(85)90204-0

[8] J. Seto, H. S. Gupta, P. Zaslansky, H. D. Wagner, P. Fratzl, “Tough lessons from bone: Extreme mechanical anisotropy at the meso scale”, Advanced Functional Materials, vol. 18, no. 13, pp. 1905-1911, 2008, doi: 10.1002/adfm.200800214

[9] W. J. Parnell, Q. Grimal, “The influence of meso scale porosity on cortical bone anisotropy. Investigations via asymptotic homogenization”, Journal of the Royal Society Interface, vol. 6, no. 30, pp. 97-109, 2009, doi: 10.1098/rsif.2008.0255

[10] S. J. Kirkpatrick, B. W. Brooks, “Micromechanical behavior of cortical bone as inferred from laser speckle data”, Journal of Biomedical Materials Research, vol. 39, no. 3, pp. 373-379, 1998, doi: 10.1002/(SICI)1097-4636(19980305)39:3<373::AID-JBM5>3.0.CO;2-G

[11] S. I. Ranganathan, D. M. Yoon, A. M. Henslee, M. B. Nair, C. Smid, F. K. Kasper, E. Tasciotti, A. G. Mikos, P. Decuzzi, M. Ferrari, “Shaping the micromechanical behavior of multi-phase composites for bone tissue engineering”, ActaBiomaterialia, vol. 6, no. 9, pp. 3448-3456, 2010, doi: 10.1016/j.actbio.2010.03.029

[12] D. B. Burr, C. H. Turner, P. Naick, M. R. Forwood, W. Ambrosius, M. S. Hasan, R. Pidaparti, “Does microdamage accumulation affect the mechanical properties of bone?”, Journal of Biomechanics, vol. 31, no. 4, pp. 337-345, 1998, doi: 10.1016/S0021-9290(98)00016-5

[13] G. C. Reilly, J. D. Currey, “The effects of damage and microcracking on the impact strength of bone”, Journal of Biomechanics, vol. 33, no. 3, pp. 337-343, 2000, doi: 10.1016/S0021-9290(99)00167-0

[14] K. J. Jepsen, D. T. Davy, “Comparison of damage accumulation measures in human cortical bone”, Journal of Biomechanics, vol. 30, no. 9, pp. 891-894, 1997, doi: 10.1016/S0021-9290(97)00036-5

[15] D. F. Knott, K. J. Jepsen, D. T. Davy, “Age related changes in tensile damage accumulation behavior of human cortical bone”, en Proc. 46th Annu. Meeting Orthopaedic Research Society, Orlando, 2000, pp. 10.

[16] J. Y. Rho, L. Kuhn-Spearing, P. Zioupos, “Mechanical properties and the hierarchical structure of bone”, Medical Engineering & Physics, vol. 20, no. 2, pp. 92-102, 1998, doi: 10.1016/S1350-4533(98)00007-1

[17] M. A. Meyers, P.-Y. Chen, A. Y. -M. Lin, Y. Seki, “Biological materials: Structure and mechanical properties”, Progress in Materials Science, vol. 53, no. 1, pp. 201-206, 2008, doi: 10.1016/j.pmatsci.2007.05.002

[18] C. H. Turner, D. B. Burr, “Basic biomechanical measurements of bone: A tutorial”, Bone, vol. 14, no. 4, pp. 595-608, 1993, doi: 10.1016/8756-3282(93)90081-K

[19] T. S. Keller, M. A. K. Liebschner, “Tensile and compression testing of bone”, en Mechanical Testing of Bone and the Bone–implant Interface, Boca Raton: CRC Press, 1999, pp. 175-206, doi: 10.1201/9781420073560

[20] R. D.Crowninshield, M. H. Pope, “The response of compact bone in tension at various strain rates”, Annals of Biomedical Engineering, vol. 2, pp. 217-225, 1974, doi: 10.1007/BF02368492

[21] X. Wang, J. S. Nyman, X. Dong, H. Leng, M. Reyes, “Fundamental biomechanics in bone tissue engineering”, Synthesis Lecture on Tissue Engineering, vol. 2, no. 1, pp. 1-225, doi: 10.2200/S00246ED1V01Y200912TIS004

[22] B. Varghese, D. Short, R. Penmetsa, T. Goswami, T. Hangartner, “Computed-tomography-based finite-element models of long bones can accurately capture strain response to bending and torsion”, Journal of Biomechanics, vol. 44, no. 7, pp. 1374-1379, 2011, doi: 10.1016/j.jbiomech.2010.12.028

[23] J. Lemaitre, R. Desmorat, Engineering Damage Mechanics. New York, NY, USA: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2005.

[24] D. R. Carter, W. C. Hayes, “The compressive behavior of bone as a two-phase porous structure”, Journal of Bone and Joint Surgery, vol. 59, no. 7, pp. 954-962, 1977.

[25] P. Zioupos, J. D. Currey, A. J. Sedman, “An examination of the micromechanics of failure of bone and antler by acoustic emission tests and laser scanning con focal microscopy”. Medical Engineering and Physics, vol. 16, no. 3, pp. 203-212, 1994, doi: 10.1016/1350-4533(94)90039-6
Publicado
2020-11-03