A CSONTOK BIOMECHANIKÁJA

A CSONTOK SZERKEZETE

A csontok felépítésének alapja:

lehető legkisebb tömeg mellett lehető legnagyobb teherbírás

Osztályozás alak szerintcsöves (végtagok)lapos (mellcsont, koponya)szabálytalan (csigolyák)

A csontmátrix szerves, szervetlen anyagokat és folyadékot tartalmaz

Szerves – 39%, 95 % kollagén, 5% proteoglykan

Szervetlen – 49%, ásványi anyag (kálcium hydroxiapetite kristályok)

Folyadék – 12%

A csont fejlődése

Hyaline cartilage - covers the ends of the bones, stops them rubbing together and absorbs shock.Epiphysis - the ‘head’ of the bone.Cancellous bone - spongy bone that stores the red bone marrow; where blood cells are made.Epiphyseal plate – the area where bones grow in length.Diaphysis - the shaft. Compact bone – hard, dense bone. It gives strength to the hollow part of the bone. Periosteum – a protective layer where there is no hyaline cartilage. Ligaments and tendons attach to the periosteum.Medullary cavity/marrow cavity - contains the yellow bone marrow; where white blood cells are made.

Tömör csontállománySzivacsos csontállományVelőüregÍzületi felszín

Central Harvesian canal

Ásványi anyag tartalom – keménység

Kollagén – erő

A csont mechanikai tulajdonságai a kollagén és ásványi anyag tartalom közötti egyensúlyt fejezik ki.

A csont ásványi anyag tartalom jelentősége:

• a testnek merev támaszt ad,

• a test ásványi anyag tartalmának homeosztázisát tartja fenn

A CSONTOK TÍPUSAI

Porozitás: 5-30 %Porozitás: 5-30 % Porozitás: 30-90 %Porozitás: 30-90 %

Tömör Szivacsos

Formái: lemezes sodronyszerű

KeményKemény RugalmasRugalmas

StressStress DeformációDeformáció

2%2% 75%75%

A csontokra ható erők

• Húzó

• Nyomó

• Hajlító

• Nyíró

• Csavaró

terheletlen

nyújtó (húzó)

nyomó

A csontokra ható erők

nyírótorziós/csavaró

hajlító

HúzóerőA húzóerő

két azonos nagyságú,

egy vonalon ható,

de ellentétes irányú erő,

amely a test részecskéi, illetve a test végei közötti távolságot

növeli

A húzóerő párhuzamos a test hosszúsági tengelyével és

merőleges a test transzverzális síkjára

Kétszer akkora terület

Kétszer akkora erő/ellenállás

F 8 A

NyomóerőA nyomóerő

két azonos nagyságú,

egy vonalon ható,

egymás felé mutató erő,

amely a test részecskéi, illetve a test végei közötti távolságot

csökkenti

A nyomóerő párhuzamos a test hosszúsági tengelyével és

merőleges a test transzverzális síkjára

A nyíróerő párhuzamos a test transzverzális síkjával és

merőleges a test hosszúsági tengelyére

NyíróerőA nyíróerő

két azonos nagyságú, nem egy vonalon ható, egymás felé mutató erő,

amely a test részecskéit, illetve végeit egymáson elcsúsztatja

Csavaró erőA csavaróerő

két azonos nagyságú, a test tengelye körül ható, egymás felé mutató erő,

amely a test részecskéit, illetve végeit ellentétes irányban

forgatja

A csavaróerő párhuzamos a test transzverzális síkjával és

merőleges a test hosszúsági tengelyére, de nem megy át rajtaKétszer akkora sugár

tizenhatszor akkora erő/ellenállás

F 8 r4

The rat ulna is strained more on the medial (top) surface when loaded. The bottom figure shows the strain profile across the loaded ulna. The strains are designated in units

of microstrain. Positive values are tensile strain and negative values are compressive strain. Bone formation is shown in the right panel. The bright lines within the bone

show labels at the beginning of loading.

Terhelés hatására

deformáció

Hajlító erőA hajlító erő

Egy (kettő) a test hosszúsági tengelyére merőlegesen ható

erő, amely a test részecskéit az egyik

oldalon közelíti, a másik oldalon tavolítja

A hajlító erő merőleges a test hosszúsági tengelyére

L

Kétszer akkora hossz

nyolcszor akkora lehajlás

s 8 L3

Csont teherbírása

Comparison of published human tibia compact bone material properties in axial

compression

200

13070

NYOMÓ HÚZÓ NYÍRÓ0

50

100

150

200

250

Stress (MPa)

csont felszín =külső kör felszín-belső kör felszín

Acsont=1,252∏-0,652∏

Acsont=3,579cm2=0,0003579m2

Pátlag=155MPa

F=P•A

Fnyomóerőmax=55,4kN

Példa:

Tibia

FESZÜLÉS (STRESS) – MEGNYÚLÁS (STRAIN)

FÉM

ÜVEG

CSONT

Erő

Deformáció

A tömör csont nagyobb stress hatásnak áll ellent, mint a nyújtó hatásnak

2%-os nyújtásnál szakadás, törés

Szivacsos csont 75 %-os nyújtás után törik

Nagy elasztikus energia tároló kapacitás

stress - strain tulajdonságok

Kérgi vagy tömör csont feszülésnövekedése (stiffnesse) nagyobb, mint a szivacsos csontoké.

2013.2.13

Összetett erőhatás

A nyújtás irányának hatása a stress-strain görbékre

Terhelés sebességváltozásának hatása a csont deformációjára

Sérülés különböző terhelések hatására

Csont regenerációja

Fáradásos törés

A CSAVAR ÉS HELYÉNEK HATÁSA A CSONT MECHANIKAI A CSAVAR ÉS HELYÉNEK HATÁSA A CSONT MECHANIKAI VISELKEDÉSÉREVISELKEDÉSÉRE

IMMOBILIZÁCIÓ

bed rest ： ~ 1% of loss of bone mass per week

Életkor hatása

Az életkor hatása a stress-strain jellemzőkre

Fiatal Idős

Osteoporosis

Fiatal Idős

1.35

1.18

0.77

1.22

1.02

0.77

L2-L3-L4L2-L3-L4

femur nyakfemur nyak

rádiusrádius

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

g/cmg/cm22

CSONTSŰRŰSÉG

13

29.6

34

27

3.8

-1.9

aktív súlyemelõk

volt ugróatléták (40 -55 év)

edzett menopauza utáni nõk

0 10 20 30 40-10

százalék

L2-L4

femur nyak

CSONTSŰRŰSÉG

edzettlen menopauza utáni nõk