خواص مكانيكي و رفتار سازه‌اي استخوان در سطح نانو با به‌كارگيري المان‌هاي چسبنده

Mechanical Properties and Structural Behavior of Bone at Nano Scale with Cohesive Element

استخوان بافت بيولوژيكي معدني بوده كه اجزاء اصلي آن داراي خواص مكانيكي بسيار متفاوتي مي‌باشند. علائم باليني برخي از بيماري‌ها در سطح ماكرو رخ داده ولي علت آن تغيير ساختار استخوان در سطح نانو مي‌باشد، بنابراين انجام مطالعات در سطوح نانو و ميكرو ضروري مي‌باشد. در تحقيق حاضر خواص الاستيك و رفتار استخوان در سطح نانو با روش اجزاء محدود مدل‌سازي شده و از لايه‌هاي چسبنده استفاده شده است. پس از صحت‌سنجي مدل، نتايج توزيع تنش و خواص الاستيك آن با نتايج تحليلي مقايسه شده است. نسبت كرنش مواد معدني به كل مدل كه در مطالعات پيشين ارزيابي نشده، براي مصالح بينابيني مختلف ارائه شده است. تاثير تغيير نسبت حجمي مواد معدني و خصوصيات مكانيكي كلاژن بر رفتار مدل نيز بررسي شده است. نتايج مقايسه مدل عددي با ساير مدل‌ها نشان دهندۀ تطابق بسيار خوبي مي‌باشد. مصالح بينابيني كلاژن و صفحات معدني با خواصي ناشناخته مهم‌ترين عامل گسيختگي فيبريل كلاژن معدني بوده و حضور لايه ضخيم آب با پيوندهاي واندوالسي و برشي ويسكوز به عنوان محتمل‌ترين لايۀ چسبنده مي‌باشد. خواص غيرخطي كلاژن سبب ايجاد تغييرات چشمگيري در مدل شده و جهت كاهش محاسبات در مدل‌هاي سه‌بعدي، مي‌توان از ساختار تك سلولي با شرايط مرزي پريوديك استفاده نمود.

Bone is a biological tissue whose main components are different from the mechanical aspect. Some of the bone diseases are due to mutations in the bone structure at the nano scale, while their clinical symptoms appear at the macro scale. Therefore, the evaluation of bone at micro and nano scales is important. In the current study, the finite element modeling is performed to evaluate the mechanical properties and behavior of bone at the nano scale and the cohesive element is applied. After its verification, the stress distribution and elastic properties are compared with the analytical model. Limited studies are available on strain ratio and it is presented for different cohesive elements in the current study. The influence of mineral volume fraction and mechanical properties of collagen is investigated. The comparison between finite element models and the other ones demonstrate an excellent agreement. The collagen- hydroxyapatite interface with unknown mechanical properties is the most important parameter in the model and the thick water layer with Van der Waals interaction and viscous shear is determined as the most probable cohesive layer. The parametric studies indicate the significant effect of nonlinear collagen on the model. To decrease the calculation in models, the proposed unit cell with periodic boundary conditions could be employed.