آنالیز دوبعدی میکرومکانیکی شکست در بافت متراکم استخوان انسان به روش میدان فاز

استخوان دارای ساختار سلسله مراتبی است که با آرایش پیچیده در مقیاس های طولی متفاوت دارای قابلیت های مکانیکی، شیمیایی و زیستی منحصربه-فردی است. برای شناخت خصوصیات مکانیکی استخوان، باید ساختار سلسله مراتبی و همچنین ترکیب استخوان در نظر گرفته شود. در پژوهش حاضر مدل های عددی دوبعدی از ریزساختار بافت متراکم استخوانی به صورت کامپوزیت های سه فازی و چهار فازی به کمک اسکرپیت نویسی به زبان پایتون ایجاد شد و به عنوان ورودی به نرم افزار آباکوس داده شد. سپس به کمک فرمول بندی روش میدان فاز به تحلیل شکست در برش عرضی بافت متراکم تحت بارگذاری کششی پرداخته شد. در ابتدا داده های مربوط به استخوان لگن گاو به کامپوزیت سه فازی نسبت داده شد و پس از اعتبارسنجی روش میدان فاز پیاده سازی شده، شبیه سازی اصلی برای مدل های سه فازی و چهار فازی با داده های مربوط به بافت متراکم استخوان انسان انجام گردید. سپس برای هر یک از مدل ها، نمودار تنش-کرنش در حالت بارگذاری کششی استخراج شد. خروجی های بدست آمده روی دو مدل عددی با یکدیگر متفاوت بود. این تفاوت نشان دهنده نقش مهم ریزساختار بافت استخوان در شکست است. نتایج نشان داد که استحکام نهایی مدل سه فازی از مدل چهارفازی بیش تر است. وجود خطوط سیمانی به عنوان یک فاز مادی ضعیف تر نسبت به سایر فاز های مادی موجب این اختلاف شد. در مقابل، انعطاف پذیری مدل چهار فازی نسبت به مدل سه فازی بیشتر شد. در این مطالعه، نقش خطوط سیمانی در افزایش انعطاف پذیری و کاهش استحکام نهایی نشان داده شد. این ویژگی می تواند مکانیزمی برای انحراف و یا حتی توقف ترک در مدل ساختاری باشد. همچنین در پایان کار، اثر افزایش تخلخل بر کاهش استحکام نهایی استخوان بررسی شد و نشان داده شد که با افزایش تخلخل، استحکام نهایی به طور چشمگیری کاهش پیدا خواهد کرد.

کلیدواژه ها:

بافت متراکم استخوان ، ریزساختار ، روش میدان فاز ، کامپوزیت سه فازی ، کامپوزیت چهارفازی ، خطوط سیمانی ، تخلخل