A CSONTOK BIOMECHANIKÁJA

A CSONTOK SZERKEZETE

A csontok felépítésének alapja: lehető legkisebb tömeg mellett lehető legnagyobb teherbírás

Osztályozás alak szerint csöves (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

Epiphysis - the ‘head’ of the bone. Tömör csontállomány Szivacsos csontállomány Velőüreg Ízületi felszín 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.

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 Tömör Szivacsos Porozitás: 5-30 % Porozitás: 30-90 % Kemény Rugalmas Stress Deformáció 2% 75% Formái: lemezes sodronyszerű

A csontokra ható erők Húzó Nyomó Hajlító Nyíró Csavaró

A csontokra ható erők nyújtó (húzó)

torziós/csavaró

de ellentétes irányú erő, Húzóerő A 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 F ̴ A Kétszer akkora terület Kétszer akkora erő/ellenállás

Nyomóerő A 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

amely a test részecskéit, illetve végeit egymáson elcsúsztatja Nyíróerő A nyíróerő két azonos nagyságú, nem egy vonalon ható, egymás felé mutató erő, amely a test részecskéit, illetve végeit egymáson elcsúsztatja A nyíróerő párhuzamos a test transzverzális síkjával és merőleges a test hosszúsági tengelyére

Csavaró erő A 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 rajta F ̴ r4 Kétszer akkora sugár tizenhatszor akkora erő/ellenállás

Terhelés hatására deformáció 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.

Egy (kettő) a test hosszúsági tengelyére merőlegesen ható erő, Hajlító erő A hajlító erő Egy (kettő) a test hosszúsági tengelyére merőlegesen ható erő, amely a test részecskéit az egyik oldalon közelíti, a másik oldalon tavolítja L s ̴ L3 A hajlító erő merőleges a test hosszúsági tengelyére Kétszer akkora hossz nyolcszor akkora lehajlás

Csont teherbírása Comparison of published human tibia compact bone material properties in axial compression

Stress (MPa) 250 200 150 200 100 130 50 70 NYOMÓ HÚZÓ NYÍRÓ

F=P•A Fnyomóerőmax=55,4kN Példa: csont felszín = Tibia külső kör felszín-belső kör felszín Tibia Acsont=1,252∏-0,652∏ Acsont=3,579cm2=0,0003579m2 Pátlag=155MPa F=P•A Fnyomóerőmax=55,4kN

FESZÜLÉS (STRESS) – MEGNYÚLÁS (STRAIN)

Erő FÉM ÜVEG CSONT Deformáció

stress - strain tulajdonságok Kérgi vagy tömör csont feszülésnövekedése (stiffnesse) nagyobb, mint a szivacsos csontoké. 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 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

három pontos hajlítás

NÉGY pontos hajlítás

10 N M= 10x 0.4 = 4 Nm M1=10x0.15= 1.5 M2=10x0.15= 1.5 M1 + M2= 3 Nm

Terület tehetetlenségi nyomaték B x H3 12 4 x 1 2 x 2 1 x 4 4/12 16/12 64/12

A CSAVAR ÉS HELYÉNEK HATÁSA A CSONT MECHANIKAI VISELKEDÉSÉRE

IMMOBILIZÁCIÓ

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

Életkor hatása

Az életkor hatása a stress-strain jellemzőkre

Osteoporosis Fiatal Idős

Fiatal Idős

CSONTSŰRŰSÉG L2-L3-L4 femur nyak rádius g/cm2 1.35 1.22 1.18 1.02 0.77 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 g/cm2

CSONTSŰRŰSÉG 13 aktív súlyemelõk 34 29.6 volt ugróatléták (40 -55 év) 27 L2-L4 femur nyak edzett menopauza utáni nõk 3.8 edzettlen menopauza utáni nõk -1.9 -10 10 20 30 40 százalék