تحلیل چندمقیاسی استخوان و استخراج خواص مکانیکی

استخوان یکی از بافتهای زنده ی موجودات هست که نقش اصلی را در ساختار اسکلت بدن ایفا میکند. خصوصیات مکانیکی منحصر به فرد استخوان به ساختار سلسله مراتبی آن مربوط میشود که از مقیاس نانو تا سطح استخوان کامل گسترش می یابد. ساختار سلسله مراتب ریز ساختارها و خصوصیات مکانیکی ناشی از آنها در مقیاس های مختلف، بر رفتار مکانیکی کلی استخوان تاثیر میگذارد و به منظور پیشبینی کمی رفتار استخوان، درک عمیق رفتار مکانیکی اجزای آن در مقیاسهای مختلف مورد نیاز است. بنابراین در این پژوهش، رفتار مکانیکی استخوان با استفاده از مدلسازی چندمقیاسی مبتنی بر اجزای محدود و از روش همگن سازی مورد تحلیل قرار گرفته است. برای دستیابی به این مقصود، در ابتدا سه سطح از ساختار سلسله مراتبی استخوان در نرم افزار آباکوس طراحی و شبیه سازی میشود: در سطح نانو، فیبریل های کلاژن معدنی شده، در سطح زیرمیکرو بافت لاملار (آرایش فیبریلها) و در سطح مزو، ساختار استخوان کورتیکال. سپس با اعمال شرایط مرزی و استفاده از روش همگنسازی، ضرایب الاستیک استخوان به عنوان یک ماده ی ارتوتروپ، در هر یک از سطوح سه گانه محاسبه شده و نتایج آن ارائه می شود. نتایج به دست آمده تطابق خوبی با تحقیقات گذشته نشان داد. همچنین در این تحلیل، عوامل تاثیرگذار بر رفتار مکانیکی استخوان در هر یک از مقیاسها (نظیر کسر حجمی ماده ی معدنی، جهتگیری آرایش فیبریلها در لایه های لاملا و حضور لاکوناها) مورد بررسی قرار میگیرد.

کلیدواژه ها:

مدلسازی چندمقیاسی ، اجزای محدود ، استخوان ، فیبریل کلاژن معدنی ، بافت لاملار ، استخوان کورتیکال