Quelle est la résistance de l’os? Application de la mécanique de fracture élastique-plastique à l’os

L’os, avec une structure hiérarchique qui s’étend de l’échelle nanométrique à la macro-échelle et une conception composite composée de cristaux minéraux de taille nanométrique incorporés dans une matrice organique, a été montré pour avoir plusieurs mécanismes de durcissement qui augmentent sa ténacité. Ces mécanismes peuvent arrêter, ralentir ou dévier la propagation des fissures et provoquer une déformation plastique apparente modérée de l’os avant la fracture. De plus, l’os contient un pourcentage volumétrique élevé de matières organiques et d’eau qui le fait se comporter de manière non linéaire avant la fracture. De nombreux chercheurs ont utilisé la force ou le facteur d’intensité de contrainte critique (ténacité à la fracture) pour caractériser la propriété mécanique de l’os. Cependant, ces paramètres ne tiennent pas compte de l’énergie dépensée en déformation plastique avant la fracture osseuse. Pour décrire avec précision les caractéristiques mécaniques de l’os, nous avons appliqué une mécanique de fracture en plastique élastique pour étudier la ténacité de l’os. L’intégrale J, un paramètre qui estime à la fois les énergies consommées dans les déformations élastiques et plastiques, a été utilisée pour quantifier l’énergie totale dépensée avant la fracture osseuse. Vingt spécimens d’os corticaux ont été découpés à partir de la diaphyse moyenne des fémurs bovins. Dix d’entre eux étaient prêts à subir une fracture transversale et les 10 autres étaient prêts à subir une fracture longitudinale. Les échantillons ont été préparés suivant l’appareillage suggéré dans la norme ASTM E1820 et testés dans de l’eau distillée à 37 degrés C. L’intégrale J moyenne des échantillons fracturés transversalement s’est avérée être de 6.6 kPa m, ce qui est supérieur de 187% à celui des échantillons fracturés longitudinalement (2,3 kPa m). L’énergie dépensée dans la déformation plastique des spécimens de bovins fracturés longitudinalement et fracturés transversalement s’est avérée être de 3,6 à 4,1 fois l’énergie dépensée dans la déformation élastique. Cette étude montre que la ténacité de l’os estimée à l’aide de l’intégrale J est beaucoup plus grande que la ténacité mesurée à l’aide du facteur d’intensité de contrainte critique. Nous suggérons que la méthode intégrale J est une meilleure technique pour estimer la ténacité de l’os.

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