Послухайте якість кісток, як ультразвук допомагає виявити мікроструктуру та еластичну функцію кісток
Послухайте якість кісток: як ультразвук допомагає виявити мікроструктуру та еластичну функцію кісток
Інститут Юлія Вольфа та школа регенеративної терапії Берлін-Бранденбург
Харит - Берлінський університет
Augustenburger Platz 1
13353 Берлін, Німеччина
Laboratoire dImagerie Paramtrique
CNRS, Університет П'єра та Марії Кюрі-Париж 6
F75006 Париж, Франція
Технічний університет Дармштадт
64293 Дармштадт, Німеччина
Laboratoire dImagerie Paramtrique
CNRS, Університет П'єра та Марії Кюрі-Париж 6
F75006 Париж, Франція
Популярна версія паперу 5pBB9
Представлено в п’ятницю вдень, 23 квітня 2010 року
159-та зустріч ASA, Балтимор, доктор медичних наук
Складні технічні матеріали, які використовуються у повсякденному житті, часто надихаються природою. Легкі стільникові конструкції та армовані вуглецевим волокном сендвіч-композити, наприклад, використовуються для конструювання літаків, автомобілів або сучасного спортивного обладнання та спрямовані на оптимізацію різних властивостей, наприклад вага, в'язкість і міцність, яких неможливо досягти одним матеріалом. Приклади прийняття конструктивних концепцій від природи для проектування технічних матеріалів та конструкції приладів датуються століттями, до першої концепції літаючої машини Леонардо да Вінчі в 1488 році. Однак наші сучасні знання про природні концепції для досягнення бажаної функції все ще обмежена, і вивчення функціональних наслідків конкретних варіацій дизайну є в центрі уваги досить молодої та зростаючої дослідницької дисципліни, яка називається Biomimetics .
Тверді біологічні тканини, напр. мінералізовані сухожилля, кістки та зуби є природними прикладами досягнення унікальних комбінацій, а також великої мінливості жорсткості та міцності. Всі ці тканини мають загальний будівельний матеріал - колагенову фібрилу, яка посилена дрібними мінеральними кристалами. Однією з яскравих особливостей цих тканин є здатність пристосовуватися до змінних умов навантаження за допомогою декількох, але добре організованих структурних конструкцій цього будівельного блоку на декількох рівнях ієрархічної організації (рис. 1).
Фігура 1. Ієрархічна будова компактної кістки: а) компактна кістка в довгому діафізі; б) остеони, утворені ламелями; в) кісткові ламелі, виготовлені із сендвіч-сполуки мінералізованих плівок фібрили колагену зі змінною орієнтацією; г) плівка мінералізованих колагенових фібрил з єдиною орієнтацією д) основний будівельний матеріал: мінералізована колагенова фібрила; f) позафібрилярна матриця. Від Reisinger et al. [1].
Для виживання скелет тварин і людей повинен забезпечувати стабільність, підтримку та захист внутрішніх органів від механічних впливів у поєднанні зі здатністю швидкого та енергоефективного руху, необхідного для збору їжі, полювання чи втечі від інших мисливських тварин. Більше того, ця функціональність повинна зберігатися протягом усього життя, що вимагає адаптації до змінних умов під час дозрівання та старіння, а також механізмів ремонту, які дозволяють і поступове відновлення мікропошкоджень, і відновлення макроскопічних дефектів, тобто переломів.
Для досягнення цих цілей кістка використовує різні дизайнерські концепції, напр. посилення м’якої та гнучкої колагенової матриці жорсткими, але крихкими мінеральними частинками, сандвічеве змішування анізотропних (спрямованих) плівок, зменшення ваги спрямованими порами та губчастими сітками. Адаптація та ремонт здійснюється армією клітин, що спеціалізуються або на зондуванні, видобутку, або на побудові кісткової тканини. В цілому це призводить до надзвичайно динамічного, легкого жорсткого і міцного складного матеріалу, який зазвичай здатний зберігати свою функцію протягом усього життя.
Цей принцип адаптації кісток широко прийнятий як закон Вольфса про адаптацію кісток, заснований на класичній праці Юліуса Вольфа під назвою Das Gesetz der Transformation der Knochen (Закон трансформації кісток), опублікованій у 1892 р. [2]. З тих пір механічні властивості кісток інтенсивно досліджувались від макроскопічних до наноскопічних механічних випробувань, візуалізації та чисельних підходів.
Незважаючи на те, що було розкрито багато деталей генетики, біології, патології та механіки кістки, ми все ще не маємо детального розуміння будови кісток на нано- та мікромасштабах. Існуючі теоретичні моделі кісток дозволяють лише обмежений опис макроскопічної функції (наприклад, стійкості та стійкості до відмов) на основі структурних та композиційних особливостей на менших ієрархічних рівнях організації. Однак такі моделі мають вирішальне значення, напр. i) розуміти механічні та біологічні механізми адаптації кісток, ii) прогнозувати результат анаболічних (нарощування кісток) або антирезорбтивних стратегій лікування, iii) визначати дизайнерські концепції технічних матеріалів з однаково хорошими поєднаннями властивостей, таких як кістка та iv) забезпечувати краще розуміння походження властивостей механічної стійкості кісток. Останнє має особливе значення, оскільки допомогло б дослідникам розробити новий клас неінвазивних, неіонізуючих, діагностичних систем на основі ультразвуку, які дозволять безпечно та надійно прогнозувати та контролювати ризик переломів та загоєння переломів.
Для досягнення цієї мети потрібні як експериментальні дані неоднорідних пружних і структурних параметрів з усіх шкал довжини (від сантиметра до нанометрової шкали), так і теоретичні моделі, які можуть моделювати поведінку деформації на основі цих даних.
Якщо звукові хвилі поширюються крізь матеріал, їх пружні взаємодії викликають невеликі оборотні деформації (стиснення, розширення або зсув). Швидкості цих деформацій визначаються пружними властивостями та масовою щільністю матеріалу. Цей принцип десятиліттями застосовувався для неінвазивної та неруйнівної оцінки технічних матеріалів та біологічних тканин [3-6]. Фокусовані ультразвукові перетворювачі, які випромінюють короткі імпульси та вимірюють амплітуду відбиття, можуть використовуватися як віртуальний кінчик пальця для зондування пружної реакції поверхні матеріалу. Скануючи датчик по поверхні, можна отримати пружні карти. Розмір цього віртуального кінчика пальця залежить від числової апертури звукового поля та акустичної частоти і може змінюватись на кілька порядків (від 10 мм на 100 кГц до 0,5 м на 2 ГГц) [7-14].