Základní vlastnosti biologických tkání Aplikace MKP v biomechanice - Modelování zatěžování obratle krční páteře pomocí softwaru ANSYS Základní vlastnosti biologických tkání

2. Obecné mechanické vlastnosti biologických materiálů Reologie Věda zabývající se zkoumáním obecných mechanických vlastností látek. Obor mechaniky zabývající se deformací a tokem látek vlivem napětí, která na něj působí. Reologické veličiny Elasticita – tuhost (Youngův modul pružnosti). Reologický model: Plasticita – součinitel tření. Viskozita – součinitel kinematické vazkosti.

2. Obecné mechanické vlastnosti biologických materiálů Reologické modely Hookovské – pro popis kovových materiálů. Newtonovské – popis viskózních látek. Saint Venantův model – popis plastických látek. Obecné reologické modely – složené modely.

Složené reologické modely: 2. Obecné mechanické vlastnosti biologických materiálů Složené reologické modely Složené reologické modely: Maxwell (sériové spojení plasticity a elasticity). Kelvin (paralelní spojení plasticity a elasticity). Popisují viskoelastické materiály.

2. Obecné mechanické vlastnosti biologických materiálů Komplexní model biologických materiálů Komplexnější standardní model Model přibližující vlastnosti biologických materiálů. Kombinace Maxwellova a Kelvinova modelu.

2. Obecné mechanické vlastnosti biologických materiálů Elasticita - Hookeův zákon Pro obecný popis mechanických vlastností technických materiálů se používá obecný Hookův zákon, který je v oblasti pružné deformace lineární. Elasticitu charakterizuje Youngův module pružnosti E. Vztah mezi  (mechanické napětí), E (Youngův model pružnosti) a ε (poměrná deformace, lze vyjádřit pomocí  Hookova zákona následně:

Obecné vlastnosti biologických materiálů 2. Obecné mechanické vlastnosti biologických materiálů Obecné vlastnosti biologických materiálů Obecné vlastnosti biologických materiálů Viskoelastické vlastnosti – závislost na rychlosti deformace, relaxace, creep. Anizotropie – mechanické vlastnosti v různých směrech různé. Nehomogenita – nerovnoměrné rozložení hmoty. Adaptabilita – realizována na základě zpětné vazby. Vliv historie zatěžování. Sdílení hmoty, energie, informací – otevřený systém. Stárnutí – změny vlastností věkem. Interindividuální vlastnosti – různé dispozice každého jedince.

Mechanické vlastnosti biomateriálů 2. Obecné mechanické vlastnosti biologických materiálů Mechanické vlastnosti biologických materiálů Mechanické vlastnosti biomateriálů Závislé na stavbě a uspořádání tkáně. Základním stavebním prvkem jsou vlákna elastinu a kolagenu. Elastin (značná schopností pružných deformací (až 150%)). Kolagen (velká tuhost a pevnost v tahu). Poměrné zastoupení těchto dvou složek a jejich prostorové uspořádání spolu s výskytem amorfní mezibuněčné hmoty a minerálních látek určuje konečné mechanické vlastnosti.

2. Obecné mechanické vlastnosti biologických materiálů Materiálové a mechanické vlastnosti páteřního segment Materiálové vlastnosti jednotlivých částí, tvořící krční páteř se podstatně liší. Obratle Kostní tkáň. Remodelace kostní tkáně. Meziobratlové destičky Vazy a svaly.

2. Obecné mechanické vlastnosti biologických materiálů Kostní tkáň Kost není v pravém smyslu tkáň, ale spíše orgán. Komplexní biomateriál. Mechanické vlastnosti odlišné v závislosti na struktuře, na směru zatížení, na zátěžové historii a lokalitě. Nehomogenní a anizotropní (vzhledem k remodelaci). Remodelace kostní tkáně Celoživotní proces obnovy kostní tkáně, který je závislý na mnoha faktorech (například na mechanickém působení). Tvorba osteofytů (kostních výrůstků) je viditelný projev remodelace.

Meziobratloví destička: Sestává z několika tkání: 2. Obecné mechanické vlastnosti biologických materiálů Materiálové vlastnosti meziobratlového destičky Meziobratloví destička: Sestává z několika tkání: z vazivového prstence, dřeňového vlákna, z okrajové vrstvy hyalinní chrupavky. Na okraji chrupavčité destičky přirůstající k obratlovým tělům a vazivový prstenec tvořený kolagenními vlákny uspořádanými do šroubovic se střídavým směrem společně prostorově vymezují jádro, tvořené převážně tekutinou (gelem). Anulus fibrosus je prstenec cirkulárně probíhajících vláken vazivové chrupavky a fibrozního vaziva při obvodu disku. Vlákna na vnějším obvodu se ještě šikmo překřižují a vytvářejí strukturu zvyšující pevnost. Nucleus pulposus je vodnaté řídké jádro diskovitého tvaru, které se nachází uvnitř meziobratlového disku.

2. Obecné mechanické vlastnosti biologických materiálů Materiálové vlastnosti meziobratlového destičky Struktura meziobratlové destičky: 1 - vazivové prstence (Anulus fibrosus), 2 - vodnaté jádro (Nucleus pulposus). Meziobratlový disk funguje jako pružný systém mezi jednotlivými obratli. Mechanické vlastnosti výrazně závisí na věku a případném předchozím poškození (úrazy, životní styl a metabolické vlivy).

2. Obecné mechanické vlastnosti biologických materiálů Materiálové vlastnosti kostní tkáně obratle patří mezi krátké kosti, jsou složené ze dvou druhů kostní tkáně: kompakty, která tvoří tenkou vrchní vrstvu kosti, spongiósy, která je uvnitř kosti. Oba dva druhy mají rozdílnou a složitou strukturu. Vazivový obal kosti tvoří periostem nebo-li okostice. Spongióza Houbovitá kostní tkáň skládající se z kostních trámečků. Trámečky jsou uspořádány tak, že tvoří prostorovou síť. Lamely trámečků jsou ploché, tenké a jejich počet se liší podle tloušťky trámečků. Uspořádání trámečků odpovídá směru největšího zatížení, jejich síla potom vnitřní distribuci mechanického napětí přenášeného kostí.

2. Obecné mechanické vlastnosti biologických materiálů Materiálové vlastnosti kostní tkáně obratle Kompakta se skládá z lamel 3 druhů. Z Haversových lamel. Haversovy lamely tvoří základní strukturu kompakty. Haversovy lamely obklopují Haverské kanálky, které obsahují cévy a nervy. Z intersticiálních (vmezeřených) lamel. Což jsou zbytky starších rozrušených Haversových lamel. Intersticiální lamely vznikají přestavbou lamelosní kosti. Z povrchových lamel. Lemují kost rovnoběžně s vnějším a vnitřním povrchem.

2. Obecné mechanické vlastnosti biologických materiálů Materiálové vlastnosti kostní tkáně obratle Haversovy kanálky. Skladba kompakty: 1 - Haversovy lamely, 2 - intersticiální lamely, 3 - povrchové (plášťové) lamely, 4 - lamely trámečků spongiosní kosti.

Obecné mechanické vlastnosti kostí : Nelineární. Nehomogenní. 2. Obecné mechanické vlastnosti biologických materiálů Materiálové vlastnosti kostní tkáně Obecné mechanické vlastnosti kostí : Nelineární. Nehomogenní. Anizotropní. Viskoelastické. S přihlédnutím k obtížnému stanovení materiálových parametrů je často při modelování model zjednodušen a materiál modelu je uvažován jako: Lineárně elastický. Homogenní.

Vlivů ovlivňují materiálové a mechanické vlastnosti kostí je mnoho. 2. Obecné mechanické vlastnosti biologických materiálů Vlivy ovlivňující materiálové vlastnosti obratlů Vlivů ovlivňují materiálové a mechanické vlastnosti kostí je mnoho. věk, fyzická zdatnost, nemoci. Osteoporóza proces metabolické degradace kostí, kdy dochází především vlivem hormonálních změn poplatných věku pacienta ke změně materiálových vlastností kostí. dochází k řídnutí a ztenčování kostních trámečků, snižuje se tak pevnost kosti. Ta tím pádem nabývá jiných materiálových vlastností, stává se křehčí a náchylnější ke zlomení. Další negativní aspekty: Osteomalacie = onemocnění způsobené neadekvátní nebo opožděnou mineralizací osteoidu. Nemoci typu Pagetovy choroby, renální osteodystrofie, osteopetróza.

2. Obecné mechanické vlastnosti biologických materiálů Osteoporóza Rozdíl v hustotě kostní tkáně při onemocnění osteoporózou.