Ascultați calitatea oaselor Cum ajută ultrasunetele să dezvăluie microstructura și funcția elastică în os
Ascultați calitatea oaselor: Cum ajută ultrasunetele să dezvăluie microstructura și funcția elastică a oaselor
Institutul Julius Wolff și Școala de terapii regenerative din Berlin-Brandenburg
Charit - Universittsmedizinin Berlin
Augustenburger Platz 1
13353 Berlin, Germania
Laboratoire dImagerie Paramtrique
CNRS, Université Pierre și Marie Curie-Paris 6
F75006 Paris, Franța
Universitatea Tehnică din Darmstadt
64293 Darmstadt, Germania
Laboratoire dImagerie Paramtrique
CNRS, Université Pierre și Marie Curie-Paris 6
F75006 Paris, Franța
Versiune populară a hârtiei 5pBB9
Prezentat vineri după-amiază, 23 aprilie 2010
A 159-a reuniune ASA, Baltimore, MD
Materialele tehnice sofisticate care sunt folosite în viața de zi cu zi sunt adesea inspirate de natură. Construcțiile ușoare în fagure și compozite sandwich armate cu fibră de carbon, de exemplu, sunt utilizate pentru a construi avioane, mașini sau echipamente sportive moderne și au ca scop optimizarea diferitelor proprietăți, de ex. greutate, rezistență și rezistență care nu pot fi atinse de un singur material. Exemple de adoptare a conceptelor structurale din natură pentru proiectarea materialelor tehnice și construcția dispozitivelor datează de secole, până la primul concept de mașină zburătoare de Leonardo da Vinci în 1488. Cu toate acestea, cunoștințele noastre actuale despre concepte naturale pentru a realiza o funcție dorită este încă limitată, iar investigarea consecințelor funcționale ale variațiilor specifice de proiectare este centrul disciplinei de cercetare destul de tânără și în creștere, numită Biomimetics .
Țesuturi biologice dure, de ex. tendoanele mineralizate, osul și dinții sunt exemple naturale de realizare a combinațiilor unice și, de asemenea, o mare variabilitate a rigidității și rezistenței. Toate aceste țesuturi au un element comun care constituie o fibrilă de colagen care este întărită de mici cristale minerale. Una dintre caracteristicile izbitoare ale acestor țesuturi este capacitatea de a se adapta la condiții de încărcare variabile prin aranjamente structurale multiple dar bine organizate ale acestui bloc de construcție la mai multe niveluri de organizare ierarhică (Fig. 1).
figura 1. Structura ierarhică a osului compact: a) osul compact în diafiză lungă; b) osteoni formați din lamele; c) lamele osoase, realizate dintr-un compus sandwich din pelicule de fibrilă de colagen mineralizat cu orientări variabile; d) film de fibrile de colagen mineralizat cu o singură orientare e) bloc de construcție de bază: fibrila de colagen mineralizat; f) matrice extra-fibrilară. De la Reisinger și colab. [1].
Pentru supraviețuire, scheletul animalelor și al oamenilor trebuie să ofere stabilitate, sprijin și protecție a organelor interne împotriva impacturilor mecanice, în combinație cu capacitatea de locomoție rapidă și eficientă din punct de vedere energetic, necesară pentru a colecta hrană, a vâna sau a scăpa de la alte animale de vânătoare. Mai mult, această funcționalitate a fost păstrată pe tot parcursul vieții, ceea ce necesită adaptarea la condiții variabile în timpul maturării și îmbătrânirii, dar și mecanisme de reparații care permit ambele, o reparație incrementală a microdeteriorării și refacerea defectelor macroscopice, adică fracturi.
Pentru a atinge aceste obiective, osul folosește diverse concepte de proiectare, de ex. întărirea unei matrici de colagen moi și flexibile prin particule minerale rigide, dar fragile, compoziția sandwich a filmelor anizotrope (direcționale), reducerea greutății prin porii direcționali și rețelele spongioase. Adaptarea și repararea sunt realizate de o armată de celule specializate fie în detectarea, extragerea sau construirea țesutului osos. În total, acest lucru duce la un material compus extrem de dinamic, ușor, rigid și dur, care este de obicei capabil să își mențină funcția pe tot parcursul vieții.
Acest principiu al adaptării osoase este larg acceptat ca legea Wolffs a adaptării osoase bazată pe opera clasică a lui Julius Wolff intitulată Das Gesetz der Transformation der Knochen (Legea transformării oaselor), publicată în 1892 [2]. De atunci proprietățile mecanice ale osului au fost investigate intens prin teste mecanice macroscopice până la nanoscopice, imagistică și abordări numerice.
Deși au fost descoperite multe detalii despre genetică, biologie, patologie și mecanica osului, încă ne lipsește o înțelegere detaliată a structurii osoase la nano și microscală. Modelele teoretice osoase existente ne permit doar o descriere limitată a funcției macroscopice (de exemplu, stabilitate și rezistență la eșec) bazată pe caracteristici structurale și compoziționale la niveluri ierarhice mai mici de organizare. Cu toate acestea, astfel de modele sunt cruciale, de ex. să i) să înțeleagă mecanismele mecanice și biologice ale adaptării osoase, ii) să prezică rezultatul strategiilor de tratament anabolizant (de construcție osoasă) sau antiresorptiv, iii) să definească concepte de proiectare pentru materiale tehnice cu combinații la fel de bune de proprietăți precum osul și iv) o mai bună înțelegere a originii proprietăților de rezistență mecanică a oaselor. Acesta din urmă are o importanță deosebită, deoarece ar ajuta cercetătorii să proiecteze o nouă clasă de sisteme de diagnostic non-invazive, neionizante, bazate pe ultrasunete, care să permită o predicție și o monitorizare sigură și fiabilă a riscului de fractură și a vindecării fracturilor.
Către acest obiectiv, sunt necesare atât date experimentale ale parametrilor elastici și structurali eterogeni de la toate scalele de lungime (de la centimetru până la scala nanometrică), cât și modele teoretice care pot simula comportamentul de deformare pe baza acestor date.
Dacă undele sonore se propagă printr-un material, interacțiunile lor elastice provoacă mici deformări reversibile (compresie, expansiune sau forfecare). Viteza acestor deformări este determinată de proprietățile elastice și de densitatea de masă a materialului. Acest principiu a fost folosit de zeci de ani pentru evaluarea neinvazivă și nedistructivă a materialelor tehnice și a țesuturilor biologice [3-6]. Traductoarele cu ultrasunete focalizate care emit impulsuri scurte și măsoară amplitudinea de reflecție pot fi utilizate ca un vârf virtual al degetului pentru a testa răspunsul elastic al suprafeței unui material. Prin scanarea traductorului pe suprafață, se pot obține hărți elastice. Dimensiunea acestei vârfuri deget virtuale depinde de diafragma numerică a câmpului sonor și de frecvența acustică și poate fi variată pe mai multe ordine de mărime (de la 10 mm la 100 kHz până la 0,5 m la 2 GHz) [7-14].