background image

 

71 

Rozdział 5 
WYBRANE ZAGADNIENIA Z WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW W ODNIESIENIU DO 
TKANEK CZŁOWIEKA
 
 

     Aktywność  komórek  wpływa  na ich  kształtowanie, rozmiary  oraz skład chemiczny. Kość posiada 

również zdolność dostosowania się do zewnętrznego środowiska. Według teorii Funga [10], wszelkie 

zmiany w strukturach tkankowych organizmów żywych są związane z przemianą materii. Dla dobrego 

zrozumienia procesów wzrostu oraz zmian struktur kostnych niezbędna jest ocena stanów naprężeń i 

odkształceń w okresie przemian w danym organizmie.  

 

5.1. Terminologia 

 
     W  biomechanice  niekiedy  występują  problemy  w  znalezieniu  wspólnej  terminologii  określającej 

własności  materiałów  tkankowych  oraz  implantów.  Własności  mechaniczne  opisują  dany  materiał, 

gdy  poddany  jest  on  określonym  obciążeniom,  co  umożliwia  analizę  porównawczą  wybranych 

materiałów.  Dla  zdefiniowania  niektórych  własności  mechanicznych  materiałów  używa  się  określeń 

[25]: 

Wytrzymałość – zdolność materiału do przenoszenia obciążeń bez jego zniszczenia; 

Twardość – odporność materiału na odkształcenia trwałe pod wpływem sił skupionych działających na 

małą powierzchnię tego materiału; 

Sprężystość  –  zdolność  materiału  do  odzyskania  pierwotnego  kształtu  i  wymiarów  po  usunięciu 

obciążeń, wywołujących odkształcenie; 

Plastyczność – zdolność materiału do osiągania nowych kształtów oraz zachowania tych kształtów po 

zdjęciu obciążenia, bez naruszania spójności (pęknięć); 

Ciągliwość – zdolność materiału do ulegania dużym odkształceniom trwałym pod działaniem sił bez 

pęknięć; 

Kruchość  –  właściwość  materiału  polegająca  na  jego  pękaniu  bez  uprzednich  znaczniejszych 

odkształceń plastycznych. 

     Najczęściej stosowane określenia: 

 - naprężenie – rozkład siły na danej powierzchni (F/A) [N/m

2

]; 

 - wydłużenie (skrócenie) - bezwymiarowa wielkość miary zmiany długości ((l-l

0

)/l

0

); 

-  E  -  moduł  Younga  (współczynnik  proporcjonalności)  -  zmiana  naprężenia  wymagana  dla  zmiany 

wydłużenia (E=

/

) [N/m

2

];  

- ciągliwość - energia na jednostkę wielkości wymagana do pęknięcia materiału (T = 

 

 d

) [m]. 

 

 

 

 

background image

 

72 

5.2. Przypadki wytrzymałościowe 

 
     W  celu  określenia  własności  mechanicznych  materiałów  poddanych  określonym  stanom 

naprężenia, prowadzi się badania wytrzymałościowe. Elementarne przypadki wytrzymałości próbki, o 

kształcie pręta, to zginanie, rozciąganie, ściskanie, skręcanie i ścinanie [4,8]. 

     Wiedza związana ze znajomością własności mechanicznych i strukturalnych tkanek miękkich oraz 

kostnych  jest  podstawowym  warunkiem  wstępnym  dla  teoretycznych,  numerycznych  oraz 

eksperymentalnych  przybliżeń  w  analizie  fizjologicznych  funkcji  ciała.  Wszelkie  uszkodzenia 

narządów zależą od własności materiałów, kości oraz tkanek miękkich. Dotyczy to zarówno urazów, 

jak  i  zmian  chorobowych,  wynikających  z  patologii.  W  literaturze  istnieje  wiele  opracowań 

dotyczących  badań  własności  omawianych  struktur  (tkanki  miękkie  i  kostne)  [1,18,24].  Zwykle 

badania  te  przeprowadza  się  na  małych  próbkach  wypreparowanych  z  kości  lub  całych  więzadłach, 

ścięgnach,  itd.  Badania  na  próbkach  odbywają  się  w  ściśle  określonych  warunkach  obciążeń,  przy 

znanych kierunkach i wartościach naprężeń oraz odkształceń. Z reguły, badania własności materiałów 

tkanek określane są z prób rozciągania oraz skręcania (czasami również ścinania). Jednocześnie należy 

uwzględnić, czy są to tkanki świeże, balsamowane czy też wysuszone. Ważne jest miejsce pobrania i 

opis dawcy, czyli wiek, waga, płeć, itd., jak też warunki realizacji badania, np. szybkość odkształcania 

i temperatura. 

 
5.2.1.  Zginanie
 

 
     W  układzie  mięśniowo-szkieletowym  człowieka  dominują  w  zasadzie  obciążenia  ściskające  i 

rozciągające.  Wynika  to  z  geometrycznego  ukształtowania  oraz  obciążenia  (np.  stawy,  przyczepy 

mięśni)  [1].  Układ  szkieletowy  znajduje  się  zwykle  w  warunkach  złożonego  stanu  obciążeń.  W 

analizie  własności  mechanicznych  kości,  biomechanika  posługuje  się  analogiami  wziętymi  z 

mechaniki  klasycznej.  Podczas  zginania  (czystego),  górne  włókna  belki  są  rozciągane,  a  dolne 

ściskane (rys. 5.1) 

 

Rys. 5.1. Zginanie pręta [92] 

 

Rys. 5.2. Zginanie wskutek wywierania siły na głowę kości udowej [92] 

background image

 

73 

 

W  wyniku  analizy  przypadku  zginania  kości  zauważono,  że  kość  łamie  się  po  stronie  rozciągania 

(wypukłej)  i  jest  dość  odporna  na  ściskanie  (rys.  5.2).  W  cienkich  kościach  występują  większe 

naprężenia  niż  w  kościach  grubych.  W  analizie  różnych  stanów  naprężeń,  ich  wartości  w  istotny 

sposób zależą od przekroju poprzecznego,  momentu bezwładności  względem  osi (podczas zginania) 

oraz momentu biegunowego przekroju względem środka ciężkości (podczas skręcania). 

     W  ciele  ludzkim  można  zauważyć  dwa  rodzaje  obciążenia,  które  powodują  zginanie  kości:  pod 

wpływem obciążenia bocznego oraz naprężenia osiowego na końcach kości (rys. 5.3) 

a) 

 b) 

 

Rys. 5.3. Zginanie kości pod wpływem obciążenia: a) bocznego, b) osiowego 

 

5.2.2. Rozciąganie  

 
     Rozciąganie  powoduje  wydłużenie  i  pocienienie  kości,  a  jego  źródłem  są  przeważnie  mięśnie. 

Rozciąganie  jest  zjawiskiem  typowym  dla  kości  gąbczastych  (rys.  5.4)  [1].  Zachowanie  struktury 

zależy tylko od własności materiału i płaszczyzny przecięcia a nie zależy od kształtu.  

 

Rys. 5.4. Rozciąganie pręta [92] 

 

Zachowanie  różnych  materiałów  poddanych  siłom  rozciągającym  lub  ściskającym  określa  prawo 

Hooke’a:  „naprężenie  pojawiające  się  w  ciele  odkształcanym  jest  proporcjonalne  do  względnego 

odkształcenia  ciała,  czyli  odkształcenie  ciała  pod  wpływem  działającej  nań  siły  jest  wprost 

proporcjonalne do tej siły (prawdziwe dla odkształceń sprężystych)” (rys. 5.5) [8].  

 

Rys. 5.5. Prawo Hooke’a [93] 

background image

 

74 

 

Prawo Hooke’a można opisać wzorem (1): 

   

 

 

 

 

(1) 

gdzie:  l

0

  –  początkowa  (bez  działania  siły)  długość  pręta  (w  układzie  SI  w  metrach:  m), 

l  – 

wydłużenie (ogólnie  odkształcenie), czyli zmiana  długości pręta (w układzie SI  w  metrach:  m),  – 

siła  powodująca  odkształcenie  (w  układzie  SI  w  niutonach:  N  =  kg·m/s

2

),  S  –  pole  przekroju 

poprzecznego  (w  układzie  SI  w  metrach  kwadratowych:  m

2

),  K  –  współczynnik  charakteryzujący 

materiał (w układzie SI w jednostkach: m·s

2

/kg) [8]. 

     Prawo  Hooke’a  nie  jest  prawem  stuprocentowo  ścisłym.  Dla  materiałów  sprężystych  (np.  guma) 

stosuje  się  ono  do  stosunkowo  największych  odkształceń.  Jednak,  prędzej  czy  później,  zwiększenie 

siły  wyprowadzi  odkształcane ciało  z  obszaru proporcjonalności,  czyli  z  obszaru stosowalności tego 

prawa. Typowy przebieg rozciągania ciała przedstawiony jest na rys. 5.5. Zawiera on kilka obszarów 

zachowania, w których zjawisko odkształcenia przebiega w odmienny sposób [8,93]:  

1.  obszar  stosowalności  prawa  Hooke’a  -  w  obszarze  tym  zwiększenie  siły  np.  o  50%  spowoduje 

przyrost wydłużenia w tym samym stosunku – czyli też 50%; 

2. obszar sprężystości – obszar, w którym ciało nie odkształca się trwale, co oznacza, że po ustaniu 

działania siły  ciało  wraca do pierwotnego  kształtu. Jednak  w  obszarze tym  zwiększenie siły  o 

10%  może  spowodować  zwiększenie  wydłużenia  np.  o  12%,  czy  15%,  czyli  wzór  na  prawo 

Hooke’a już nie obowiązuje; 

3.  początkowy  obszar  odkształceń  trwałych  -  dalsze  zwiększanie  siły  wiąże  się  z  postępującym 

rozciąganiem  materiału,  jednak  w  obszarze  tym  ciało  zatraca  swój  pierwotny  kształt,  co 

oznacza, że ustąpienie siły nie spowoduje skurczenia się rozciąganego materiału do początkowej 

długości; 

4. obszar plastyczności – w obszarze tym zwiększanie odkształcenia nie wiąże się ze zwiększeniem 

siły  –  siła  o  stałej  wartości  można  „wyciągać”  ciało  i  kształtować  je  w  szerokim  zakresie 

wydłużeń; 

5. obszar poprzedzający zerwanie – całkowite zerwanie ciała następuje w punkcie Z. Jednak aby do 

niego dojść, trzeba jeszcze nieco zwiększyć siłę w stosunku do tej, która wystarczała w obszarze 

plastyczności. 

Proporcje  obszarów  przedstawionych  na  rys.  5.5  mogą  różnić  się  w  zależności  od  materiału,  np. 

wykres  dla  materiałów  twardych  i  kruchych  będzie  bardzo  stromy  (duży  moduł  Younga),  a  obszar 

sprężystości będzie krótki: plastelina ma długi obszar plastyczności (mały moduł Younga), natomiast 

materiały sprężyste mają stosunkowo duże dwa początkowe obszary. 

 

 

 

background image

 

75 

5.2.3. Ściskanie 

 
     Wskutek  ściskania  kość  staje  się  krótsza  i  grubsza,  przy  czym  następuje  złamanie  osteonów, 

jednostek  morfologicznych  kości  zbitej  (rys.  5.6).  To  zjawisko  jest  typowe  dla  kręgów.  Podczas 

ściskania znaczenie ma kształt oraz rozmiar kości. 

 

Rys. 5.6. Ściskanie pręta [92] 

 

W  kościach  występuje  złożony  stan  naprężeń,  jak  wynika  z  układu  sił  działających  w  stawach  oraz 

budowy  geometrycznej  ukształtowania  stawów,  jak  również  całej  kości  (rys.  5.7).  Najczęstszym 

przypadkiem  w  kościach  długich  kończyn  dolnych  jest  kombinacja  obciążeń  ściskających  oraz 

rozciągających. Stan naprężenia w dowolnym przekroju wynika z sumowania naprężeń pochodzących 

od obciążeń osiowych oraz gnących. 

ściskanie

rozciąganie

ściskanie

rozciąganie

 

Rys. 5.7. Złożony stan naprężeń kości udowej bliższej [94] 

 

5.2.4. Skręcanie 

 
     Jeżeli  pręt  o  długości  l  poddany  zostanie  działaniu  momentu  skręcającego  (przyłożenie  pary  sił), 

przyłożonego  w  płaszczyźnie  prostopadłej  do  jego  osi  w  jednym  końcu,  a  drugi  koniec  zostanie 

obciążony  podobnym momentem, lecz przeciwnie skierowanym, nastąpi zrotowanie, czyli skręcenie 

płaszczyzn (zrotowanie jednego końca względem drugiego) (rys. 5.8). 

 

Rys. 5.8. Skręcanie pręta [92] 

 

Zastosowane  siły  powodują  wewnętrzne,  kątowe  przemieszczenie  w  kierunkach  przeciwnych  i 

możliwe  jest  pękanie  kości  gąbczastej.  Wytrzymałość  na  skręcanie  zależy  zarówno  od  własności 

materiałowych,  jak  i  własności  strukturalnych.  Skręcanie  powoduje  trzy  rodzaje  naprężeń: 

rozciągające, ściskające oraz ścinające. 

background image

 

76 

5.2.5. Ścinanie 

 
     Ścinanie  powoduje  zmianę  kształtu,  lecz  wielkość  pozostaje  taka  sama  (rys.  5.9).  Kość  jest 

najmniej wytrzymała na ścinanie. 

 

Rys. 5.9. Ścinanie 

 

     Istnieją  różne  rodzaje  obciążeń:  jednoosiowe,  dwuosiowe  i  trójosiowe  oraz  punktowe  i 

równomiernie rozłożone (rys. 5.10) 

a) 

  b) 

 

Rys. 5.10. Obciążenie: a) punktowe, b) równomiernie rozłożone [92] 

 

5.3. Wytrzymałość zmęczeniowa 

  
    Elementy kostne, mięśniowe i więzadłowe, generalnie tkanki człowieka, są narażone na obciążenia 

zmienne  w  czasie. Organizm praktycznie cały czas pozostaje  w ruchu,  w związku z czym  elementy 

ciała  człowieka  są  stale  obciążone.  Wartości  tych  obciążeń  oraz  ich  amplituda  ulegają  ciągłym 

zmianom.  Z  badań  doświadczalnych  wynika,  że  powtarzające  się  obciążenia  zmienne  mogą 

doprowadzić  do  zniszczenia  danego  elementu  nawet  wówczas,  gdy  naprężenia  wywołane  tymi 

obciążeniami  są  znacznie  mniejsze  od  doraźnej  wytrzymałości  danego  elementu.  Zjawisko 

zmniejszenia  wytrzymałości  elementów  pod  obciążeniami  zmiennymi  wiąże  się  ze  zmęczeniem 

materiału [1,8,18,24].  

     Podczas  zmęczenia  struktur  kostnych  pod  wpływem  cyklicznych  obciążeń,  obserwuje  się 

pojawienie progresywnie rosnących mikropęknięć, które mogą się kumulować w postaci pęknięć lub 

całkowitych złamań, jeśli  wartość odkształceń  lub liczba cykli będzie  odpowiednio duża. Analizując 

badania  kliniczne  wynika,  że  najczęściej  urazy  spowodowane  przekroczeniem  wytrzymałości 

zmęczeniowej obserwowane są wśród zawodowych sportowców, rekrutów w wojsku, uprawiających 

jogging oraz biegaczy-amatorów [18].  

     Wyznaczenie  granicy  własności  zmęczeniowych  materiałów  tkankowych  jest  praktycznie 

niemożliwe. Kości są zabudowane tkankami miękkimi i w ciele człowieka mogą wykazywać wyższą 

wytrzymałość zmęczeniową niż podczas badań na preparatach, na co może  mieć  wpływ przesycenie 

płynami  ustrojowymi  żywej  kości.  Ponadto,  w  zależności  od  wieku  człowieka,  kości  posiadają 

odmienne zakresy  wytrzymałości  zmęczeniowej. Kości  dzieci  wykazują  większe  odkształcenia przed 

background image

 

77 

momentem  zerwania  lub  pęknięcia,  ponieważ  są  mniej  zmineralizowane  i  ich  rekonstrukcja  jest 

znacznie szybsza. Pod działaniem zmiennych obciążeń następuje tzw. polaryzacja kości i masa kostna 

powiększa  się  po  stronie  potencjału  ujemnego,  a  zmniejsza  się  po  stronie  potencjału  dodatniego. 

Efekty te są widoczne  np. podczas zginania  kości,  które powoduje  odpowiednie przeformowanie  jej 

struktury. Po stronie większych krzywizn kości znajdują się ładunki dodatnie, a tam, gdzie są mniejsze 

krzywizny,  ładunki  ujemne,  które  działają  pobudzająco  na  tworzenie  się  nowej  tkanki  kostnej. 

Występujące napięcia, zwłaszcza w kościach długich, osiągają wartości rzędu 3 mV/N [1,20]. 

     Związki  pomiędzy  naprężeniami  i  odkształceniami  dla  kości  są  zupełnie  inne,  niż  dla  większości 

materiałów  konstrukcyjnych,  ponieważ  z  punktu  widzenia  biomechaniki  tkanka  kostna  stanowi 

materiał anizotropowy. Kości są zdolne do przystosowywania swojej struktury wewnętrznej, geometrii 

i  własności  materiałowych  do  przenoszonych  obciążeń  tak,  aby  zachować  korzystny  dla  struktur 

kostnych stan naprężeń i odkształceń, o czym mówi prawo Wolffa [42]. Własności materiałowe tkanki 

kostnej są również  związane  z  wiekiem. Okazuje się, że  co 10  lat, pomiędzy 20 a 30 rokiem  życia, 

następuje  spadek  2%  wytrzymałości  na  rozciąganie,  tj.  odpowiednio  od  wartości  120  MPa,  do  105 

MPa  w  trzeciej  dekadzie  życia.  Jednocześnie  spadek  modułu  Younga  z  17  GPa  do  15.6  GPa  [1]. 

Zmniejszenie  odporności  tkanki  kostnej  na  obciążenia  zewnętrzne  jest  także  związane  ze  spadkiem 

fizycznej gęstości kości, a tym samym ze wzrostem jej porowatości. 

     Podsumowując,  kości  długie,  dzięki  warstwie  korowej  zbudowanej  na  kształt  współosiowych  rur, 

posiadają  dużo  większą  odporność  niż  analogiczny  lity  walec  o  tej  samej  średnicy.  Istota  gąbczasta 

nasad  posiada  taki  rozkład  beleczek  kostnych,  aby  efektywnie  przenosić  obciążenia  z  powierzchni 

stawowych.  Istota  międzykomórkowa,  złożona  z  części  niezmineralizowanej  (białkowej),  tzw. 

osceiny,  to  35%  masy  kośćca.  Złożona  jest  głównie  z  włókien  kolagenowych  przypominających 

spirale.  Część  mineralna  masy  kostnej  jest  zbudowana  w  65%  z  hydroksyapatytów.  Taka  budowa 

kości zapewnia jej następujące własności: 

1.  plastyczność – kość ulega modelowaniu zgodnie z prawem Wolff’a-Delpecha, czyli w reakcji 

na ściskanie zanika, a w reakcji na rozciąganie – powstaje [42]. Plastyczność kości zmienia się 

w funkcji czasu; 

2.  sprężystość  –  kość  posiada  pamięć  kształtu  w  związku  z  własnościami  kolagenu 

umożliwiającemu powrót do kształtu wyjściowego. Po ustąpieniu bodźca, występuje sprężyste 

ugięcie łuku kości udowej; 

3.  odkształcenie  fazowe  –  kość  podlega  cyklicznym  zmianom  kształtu,  zgodnie  z  teorią 

Sutherlanda,  która  zakłada,  że  kość  będąca  zmodyfikowaną  tkanką  łączną,  zachowuje  się  w 

swej istocie, jak ciecz [91]. 

Własności tkanki  kostnej, jako  materiału lepkosprężystego, zależą od prędkości obciążeń i czasu ich 

trwania.  Poznanie  dynamicznych  własności  kości  ma  istotne  znaczenie,  w  szczególności,  dla 

prawidłowego doboru materiału na implanty kostne, których charakterystyki powinny być zbliżone do 

charakterystyk kości.