Новые исследования показали, что незначительные детали строения костей могут оказаться полезными для развития медицины и авиационной промышленности.
При остеопорозе, вызванном метаболическими нарушениями и возрастными изменениями, снижается прочность костей, и человек может получить перелом, даже при незначительных нагрузках. При подозрении на это заболевание или в других ситуациях, когда необходимо оценить прочность кости, обычно в первую очередь исследуют плотность костной ткани. С помощью рентгеновских снимков врачи могут установить, какую единовременную нагрузку кость способна выдержать без разрушения. В данной работе авторы обратили внимание на малоизученный фактор, влияющий на прочность при многократных циклах нагрузки и определяющий степень усталости костной ткани — микроархитектуру кости. Исследователи из Корнеллского университета опубликовали свою статью в Proceedings of the National Academy of Sciences.
В материаловедении, науке, которая исследует характеристики веществ в различных условиях, имеющих значение для практического применения конструкций, появляется понятие усталости материалов. Инженеры и архитекторы часто используют это понятие, однако оно может быть полезно и применимо к человеческому телу.
Внутренняя структура кости образована вертикальными пластинчатыми «распорками», которые обеспечивают ее прочность при воздействии чрезмерной нагрузки, и горизонтальными стержневидными частями, которые ранее воспринимались как не несущие основной нагрузки. Исследователи выдвинули гипотезу о том, что эти «поверхностные» элементы играют более важную роль в обеспечении прочности всей костной структуры. Благодаря использованию усовершенствованного программного обеспечения, команда проанализировала архитектуру кости и установила, что по-разному кость реагирует на внезапную, кратковременную нагрузку и на продолжительную эксплуатацию. Выяснилось, что при воздействии единовременных сильных нагрузок ключевую роль играют вертикальные пластинчатые структуры, в то время как при длительном воздействии горизонтальные стержнеобразные распорки оказываются определяющими. Именно они влияют на степень износа костей.
«По словам ведущего автора исследования Кристофера Дж. Эрнандеса, с возрастом люди начинают утрачивать горизонтальные перемычки костной ткани, что повышает риск переломов под воздействием повторяющихся нагрузок.
Для проверки теоретических предположений авторы создали на 3D-принтере образец, имитирующий структуру костной ткани, используя уретанметакрилатный полимер. Изменяя толщину стержней, исследователи добились увеличения срока службы материала при циклических нагрузках в сотни раз.
Ученые считают, что модифицированные микроструктуры с улучшенными свойствами найдут широкое применение в различных сферах, включая медицину и другие отрасли. В частности, их можно использовать в аэрокосмической промышленности, где требуется создание легких материалов, способных противостоять значительным и повторяющимся нагрузкам.
«Каждый порыв ветра, воздействующий на самолет, создает цикл нагрузки, в результате чего крыло самолета подвергается нагрузкам тысячи раз во время каждого полета, — отмечает Эрнандес. — Если необходимо создать прочную и легкую конструкцию или транспортное средство, способное долго функционировать, то критически важно определить, сколько циклов нагрузки выдержит деталь до разрушения. Полученные в этом исследовании математические модели позволяют проектировщикам решетчатых конструкций находить баланс между жесткостью и прочностью при единичной нагрузке и способностью выдерживать большое количество циклов нагрузки с меньшей интенсивностью».
Ранее ученые выяснили причины хрупкости костей у ВИЧ-инфицированных, а также установили, что двухминутные пробежки укрепляют кости пожилых женщин.