توصيفگر ها :
بافت متراكم استخوان , شكست , روش ميدان فاز , تخلخل , روش المان محدود
چكيده فارسي :
بافت استخواني كورتيكال از واحدهاي استوانه‌اي شكل به نام استئون تشكيل شده‌اند كه وظيفه مقاومت در برابر شكستگي و انتقال بار اعمالي را دارند. اين بافت متراكم در ساختار سلسله مراتبي استخوان قرار گرفته است. در مقياس ريزساختار، مكانيزم‌هاي سفت كننده بالقوه زماني اتفاق مي‌افتند كه ترك‌ها با اجزاي سازنده ريزساختار استخواني در تعامل باشند و ريزترك‌ها به‌راحتي در امتداد رابط‌هاي ضعيف يا به‌اصطلاح خطوط سيماني شكل مي‌گيرند. با افزايش سن، خواص شكست بافت استخواني كورتيكال تغيير مي‌كند و بافت استخوان ممكن است شكننده‌تر و مستعد شكستگي شود. بااين‌حال، رابطه بين افزايش خطر شكستگي و تغييرات وابسته به افزايش سن و بيماري‌هاي استخواني در ساختار و تركيب استخوان كورتيكال به‌درستي كشف نشده است. مدل‌سازي محاسباتي مي‌تواند به‌عنوان روشي مكمل براي تكنيك‌هاي تجربي در شناسايي و تشخيص اثرات مكانيزم‌هاي آسيب مختلف بر روي استخوان كورتيكال به كار گرفته شود. به‌منظور بررسي تأثير خواص مكانيكي و ويژگي‌هاي مورفولوژيكي ريزساختار بر شكستگي استخوان كورتيكال، مدل شكست ميدان فاز به دليل توانايي آن در شناسايي مسيرهاي پيچيده ترك، به هم پيوستن و انشعاب ترك‌ها براي شبيه‌سازي پيدايش و انتشار ترك‌ها از طريق بافت بينابيني و استئون‌ها پياده‌سازي شد. از سوي ديگر، توانايي مدل ناحيه چسبي مبتني بر سطح (CZM) و مدل ميدان فاز براي مدل‌سازي مشاهدات تجربي گسيختگي پيوند بين بافت بينابيني و استئون‌ها مقايسه شدند. چارچوب مدل‌سازي محاسباتي توسعه داده‌شده بر اساس تصاوير ميكروسكوپي براي حجمك نماينده (RVE) شامل بافت بينابيني، استئون‌ها و خطوط سيماني براي انجام مطالعه پارامتري با هدف شناسايي ويژگي‌هاي مهم خواص مواد به كار گرفته شد. علاوه بر اين، به‌منظور مطالعه تأثير افزايش سن و درنتيجه افزايش تخلخل بر پاسخ شكست بافت استخواني كورتيكال، چندين نمونه حجمك نماينده با درصد تخلخل 0%، 7/3%، 7%، 9% و 15% مدل‌سازي شدند. نتايج حاصله نشان مي‌دهند كه برخلاف مدل‌هاي محاسباتي پيشين ازجمله رويكرد سطوح چسبي كه قادر به مدل‌سازي انحراف ترك در مواجهه با خطوط سيماني و يا نفوذ ترك به استئون‌ها نيستند، مدل ميدان فاز به‌خوبي توانايي مدل‌سازي الگوهاي پيچيده ترك در هندسه‌هاي دو‌بعدي و سه‌بعدي را داراست. به‌عنوان‌مثال، با افزايش تخلخل از 7/3% به 15% ترك توسط كانال‌هاي هاورسيان جذب مي‌شود و انرژي كرنشي كل و حداكثر بار قابل‌تحمل به ترتيب 54% و 36% كاهش مي‌يابند. از سوي ديگر، افزايش نسبت عدم تطابق در خواص شكست بين ماتريس بينابيني و استئون‌ها از 15% به 70% منجر به انحراف بيشتر مسير رشد ترك توسط خطوط سيماني مي‌شود.
چكيده انگليسي :
The cortical bone tissues are composed of tightly packed cylinder-shaped units called osteons, which are designed to resist fracture and transmit loads. Cortical bones are arranged in hierarchical structures in the osseous tissue. At the microscale, most robust toughening mechanisms occur when cracks interact with osteonal microstructures, and microcracks easily form along the weak interfaces. As individual ages, the fracture properties of cortical bone change, and bone tissue may become more brittle and predisposed to fracture. Still, the relationship between fracture resistance reduction and age-dependent changes in the structure and composition of cortical bone is not well established. Computational modeling can serve as a complementary method to experimental techniques in identifying and distinguishing the effects of various damage mechanisms on cortical bone. The phase-field model is implemented to investigate the influence of mechanical properties and morphological features of microstructure on cortical bone fracture due to its ability to capture arbitrary crack paths, crack merging, and branching. In addition, the surface-based cohesive zone (CZM) and phase field models are employed to capture the debonding between the interstitial tissue and the osteons, as observed in experiments. The computational modeling framework has been applied to simplified representative volume element (RVE) geometry comprising interstitial tissue, osteons, and cement lines based on microscopy images to perform a parametric study aimed at identifying critical material properties. Moreover, to mimic the aging process in cortical bone and study the impact of increased porosity of the tissue on fracture response, several RVEs with 0%, 3.7%, 7%, 9%, and 15% porosity have been simulated. The results show that, unlike the earlier computational fracture models (e.g. CZM) that are incapable of modeling the crack deflection in cement lines or the penetration of cracks into osteons, the phase model can predict complex crack patterns in 2D and 3D geometries. For instance, simulations show that by increasing the porosity from 3.7% to 15%, the crack is absorbed by the Haversian channels, and the total strain energy and the maximum applied load decrease by 54% and 36%, respectively. On the other hand, increasing the mismatch in fracture properties between interstitial matrix and osteons from 15% to 70% leads to more crack deflection by cement lines.
