Este documento describe varios métodos para caracterizar mecánicamente el material óseo. Inicialmente se analizan los ensayos mecánicos clásicos a nivel de la estructura completa como la compresión, tracción, flexión y torsión. Luego, se examinan técnicas a niveles más pequeños como la microestructura y subnanoestructura. Finalmente, se presentan métodos alternativos como el análisis cuantitativo por ultrasonidos, análisis por elementos finitos y el análisis guiado por im
2. OBJETO
Hacer un repaso de las técnicas que permiten hacer una
caracterización mecánica del material óseo.
3. ÍNDICE
1. MATERIAL CONSTITUTIVO
2. NIVELES JERÁRQUICOS DEL MATERIAL ÓSEO
3. EVOLUCIÓN DEL MATERIAL ÓSEO
4. TIPOS DE ESFUERZOS A LOS QUE ESTÁ SOMETIDO
5. ENSAYOS MECÁNICOS SOBRE LA ESTRUCTURA COMPLETA
1. Compresión -Tracción
2. Torsión
3. Flexión
6. BIOMECÁNICA DE LA ESTRUCTURA COMPLETA
7. BIOMECÁNICA DE LA MACROESTRUCTURA
8. BIOMECÁNICA DE LA MICROESTRUCTURA
9. BIOMECÁNICA DE LA SUBNANOESTRUCTURA
10. MÉTODOS ALTERNATIVOS DE DETERMINACIÓN DEL COMPORTAMIENTO
MECÁNICO
1. Análisis Cuantitativo por Ultrasonidos (QUS)
2. Análisis mediante elementos Finitos (FEA)
3. Image-guided failure analysis (IGFA)
4. MATERIAL CONSTITUTIVO DEL MATERIAL ÓSEO
4
Matriz Orgánica
Proteínas (Fibras de Colágeno)
☟
Resistencia a laTracción
Elasticidad
Matriz Inorgánica
Hidroxiapatita (
☟
Resistencia a la Compresión
Rigidez
10 %
30 %
60 %
Inorgánico Orgánico Agua
6. NIVELES ESTRUCTURALES DEL MATERIAL ÓSEO
6
Nivel Jerárquico Componentes Principales
Macroestructura Hueso Cortical yTrabecular
Microestructura Osteonas yTrabéculas individuales
Submicroestructura Láminas
Nanoestructura Colágeno Fibrilar y Componentes Minerales
Subnanoestructura Estructura Molecular de los distintos elementos
[1]
Esta clasificación por niveles depende los autores que se consulten
7. EVOLUCIÓN DEL MATERIAL ÓSEO
7
Regeneración
Recuperación de Fracturas
Remodelado Adaptativo
Interna (Hueso Trabecular)
Adaptación del entramado trabecular a la
distribución de las cargas
Externa (Hueso Cortical)
Reconfiguración de la sección por zonas
Degeneración
Patologías
Edad
Interna (Hueso Trabecular)
Pérdida de densidad Mineral (Osteoporosis)
Externa (Hueso Cortical)
Edad
8. TIPOS DE ESFUERZOS A LOS QUE ESTÁ SOMETIDO
EL MATERIAL ÓSEO
8
1. Tracción
2. Compresión
3. Flexión
4. Cizalla
5. Torsión
6. Torsión-Compresión
9. ENSAYOS MECÁNICOS SOBRE LA ESTRUCTURA COMPLETA
COMPRESIÓN -TRACCIÓN
9
Ensayo de Compresión
• Usualmente cubos de 8x8 mm
• En hueso trabecular, el módulo deYoung
se determina a la baja.
• En hueso trabecular se recomiendan
probetas con Relación L/D 2:1.
Ensayo de Tracción
• Probetas cilíndricas o prismáticas con
extremos ensanchados.
• Obtención de probetas muy compleja
• En caso de hueso trabecular se suelen
embutir los extremos en resina.
Esfuerzo
σ = P/A
Deformación
ℇ = δ/L0
Módulo de Young
E=∆σ/∆ℇ
10. ENSAYOS MECÁNICOS SOBRE LA ESTRUCTURA COMPLETA
RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN -TRACCIÓN
10
Resistencia a la Compresión
• Ausencia de fase plástica.
Resistencia a la tracción
• Es elástico y sigue la Ley de Hooke. Se
estira proporcionalmente a la tensión de
tracción a la que está sometido.
El módulo de elasticidad varía con el grado de
mineralización del hueso.
Ciclos Carga-Descarga
(A) Para tensiones muy bajas, por debajo del límite elástico, el hueso tiene
un comportamiento elástico lineal clásico
(B) Cuando se supera el límite elástico, las curvas de carga y descarga
sólo coinciden en los niveles de tensión máxima y mínima.
(C) Para tensiones aún más elevadas, las curvas de carga y descarga no
coinciden en forma de una ausencia de tensión durante la descarga.
11. ENSAYOS MECÁNICOS SOBRE LA ESTRUCTURA COMPLETA
TORSIÓN
11
Esfuerzo de Corte
τ= Tr/Ip
T Momento de Fuerza
r radio de la muestra
Ip Momento de inercia polar de la
sección transversal
Deformación de Corte
γ=φr/L
𝝓 ángulo de rotación
r radio de la muestra
L Longitud de la muestra
Ensayo de Torsión
• Usualmente sobre piezas con sección circular o elíptica
• Se las somete a un par de fuerzas de giro paralelas entre sí
y en sentidos opuestos, perpendiculares ambas al eje
longitudinal de la pieza.
Módulo elástico de Corte
G=∆τ/∆γ
12. ENSAYOS MECÁNICOS SOBRE LA ESTRUCTURA COMPLETA
RESISTENCIA A LATORSIÓN
12
Resistencia a la Torsión
• Oscila entre 40 y 93 MPa.
• La fractura se produce según una hélice
• Cuanto más largo es el hueso menos resiste la torsión.
• El lugar de la fractura no coincide con la zona de aplicación
de la torsión.
13. ENSAYOS MECÁNICOS SOBRE LA ESTRUCTURA COMPLETA
FLEXIÓN
13
Ensayo de Flexión
• a 3 o 4 puntos
• Obtención de muestras sencilla
• La fractura se inicia por la cara que está sometida a
Tracción
• Se asume que el hueso tiene un comportamiento
elástico lineal (Ley de Hooke)
Esfuerzo
σ = (PLc)/(4*I) (a 3 puntos)
σ = (P/2a)c/I (a 4 puntos)
P Carga Aplicada
L distancia entre los soportes
c mitad del diámetro externo menor
I Momento de inercia,
siendo I:
I= (π/64)*[(x1*y1
3)(x2*y2
3)]
Deformación
ℇ = δ (12c/L2)
δ Desplazamiento de la muestra
L distancia entre los soportes
c mitad del diámetro externo menor
Módulo de elasticidad
E = (PL3)/(48*Iδ) (a 3 puntos)
E =(P/2a2(3L-4a))/(6*Iδ)(a 4 puntos)
14. ENSAYOS MECÁNICOS SOBRE LA ESTRUCTURA COMPLETA
RESISTENCIA A LA FLEXIÓN
14
Resistencia a Flexión
• Oscila entre 100 y 200 MPa
• Aumenta con el momento de Inercia del hueso
• La parte más dura es la más alejada del eje neutro
15. 15
Pero, es función de:
• Geometría del hueso (muestra)
• Densidad
• Disposición macroestructural
• Tipo hueso
• Evolución del hueso
• Propiedades de las partes consituyentes
• Patologías
• Edad
Ensayo de la estructura completa
Mejor aproximación al comportamiento del hueso in vivo
BIOMECÁNICA DE LA ESTRUCTURA COMPLETA
16. BIOMECÁNICA DE LA ESTRUCTURA COMPLETA
16
Sí, pero en el caso del material óseo el
comportamiento mecánico es difícil de predecir
¿por qué?
Anisotropía de los propiedades de las partes constituyentes
Distribución cambiante en el espacio de las mismas
La muestra a ensayar debe ser significativamente mayor
que las dimensiones de sus unidades estructurales básicas
¿se podría predecir el comportamiento mecánico de un
material compuesto a partir de las propiedades de sus
constituyentes?
17. 17
BIOMECÁNICA DE LA MACROESTRUCTURA
COMPONENTESTISULARES
Hueso Cortical
Comportamiento Mecánico función de:
• Densidad
• Porosidad
• Mineralización
• Orientación longitudinal de las
Osteonas y fibras de colágeno
Hueso Trabecular
Comportamiento Mecánico función de:
Densidad
• Porosidad
• Conectividad entre trabéculas
verticales y horizontales
Hueso Cortical Hueso Trabecular
Compresión
Resistencia 167 - 213 MPa 1,5 - 9,3 MPa
MóduloYoung 14,7 - 34,3 GPa 10 - 1.058 GPa
Tracción
Resistencia 107 -170 MPa
MóduloYoung 11,4 - 29,2 GPa
Flexión
Resistencia 103 - 238 GPa
MóduloYoung 9,8 - 15,7 GPa
Torsión
Resistencia 65 - 71 MPa
MóduloYoung 3,1 - 3,7 GPa
18. 18
BIOMECÁNICA DE LA MICROESTRUCTURA
(OSTEONASYTRABÉCULAS INDIVIDUALES)
El análisis a este nivel es independiente de la geometría del hueso
En Hueso Cortical
Ensayo realizado en un bloque de
unas pocas osteonas
(Osteonas Longitudinales yTransversales)
Ensayo Nanoindentación
➧
Osteonas longitudinales
resisten mejor a las tracción a la torsión
Osteonas transversales
resisten mejor compresión, flexión y
corte
➧
Disposición no aleatoria de elementos microestructurales
dentro del hueso
En Hueso Trabecular
Ensayo realizado en un paquete de
trabéculas sin porosidad
(Placas yTubos)
Microtomografía
+
Elementos finitos
➧
Placas
Domina la resistencia elástica
➧
19. 19
BIOMECÁNICA DE LA SUBNANOESTRUCTURA
(COMPONENTES MOLECULARES)
Fibras de colágeno Cristales de Hidroxiapatita
Ensayo Nanoindentación
➧➧
Caras basales de los cristales
presentan mayor dureza y módulo
de elasticidad que las caras
laterales
➧
Motivo de la anisotropía
observada a mayor escala
Escasez de ensayos fiables a este nivel
SEM/AFM➧
Región inicial de deformación
homogénea para todas las fibrillas
Deformación no homogénea por
encima de una deformación crítica
Sugiere cambios en la
composición mineral de cada fibra.
➧➧
ObservadoTécnicaConclusión
20. MÉTODOS ALTERNATIVOS DE DETERMINACIÓN DEL
COMPORTAMIENTO MECÁNICO
ANÁLISIS CUANTITATIVO POR ULTRASONIDOS
20
Ventajas
• determinación de propiedades óseas
• permite analizar muestras muy
pequeñas y de diversas formas
• no implica radiación
• equipos relativamente baratos
Desventajas
Falta de sensibilidad
No produce una imagen de la
estructura del hueso, por esta técnica
permiten saber:
• Módulo deYoung
• Coeficiente de Poisson
• BV/TV (≈porosidad)
• número trabeculas
• grosor trabecular
• separación trabecular
21. MÉTODOS ALTERNATIVOS DE DETERMINACIÓN DEL
COMPORTAMIENTO MECÁNICO
ANÁLISIS DE ELEMENTOS FINITOS
21
1.- Adquisición de las
imágenes por tomografía
computerizada o resonancia
magnética nuclear
2.- Procesado de los datos
3.- Obtención de una malla
4.- Análisis morfológico de la
estructura y análisis mecánico
simulado
22. MÉTODOS ALTERNATIVOS DE DETERMINACIÓN DEL
COMPORTAMIENTO MECÁNICO
IMAGE-GUIDED FAILURE ANALYSIS
22
1998 - Se presentó el primer equipo para realizar ensayos
de compresión/tracción en el interior de un equipo de
microfotografía computerizada.
Permite observar la progresión de la fractura, monitor izando
su inicio y su avance, a la vez que se determina la micro
estructura de la muestra.
23. BIBLIOGRAFÍA
23
[1] MEYRUEIS, P., CAZENAVE,A. & ZIMMERMANN, R., 2004. BIOMECÁNICA DEL HUESO.APLICACIÓN ALTRATAMIENTO DE
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[3] GUEDE, D., GONZÁLEZ, P. & CAEIRO, J.R., 2013. BIOMECÁNICAY HUESO (I): CONCEPTOS BÁSICOSY ENSAYOS
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[4] CHAFFAÎ, S. ET AL., 2002. ULTRASONIC CHARACTERIZATION OF HUMAN CANCELLOUS BONE USINGTRANSMISSION
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