Estudio de las propiedades Mecánicas del Sistema Óseo53

Estudio de las propiedades Mecánicas del,Sistema Oseo

Alvaro Mendoza'

(Segunda parte)

REsUMEN

Los estudios se hicieron bajo la supervisión del área de,Biomecánica. Los ensayos dieron a conocer los valores realesde los esfuerzos mecánicos que es capaz de resistir el tejidoóseo. Se elaboraron curvas de esfuerzo-deformación, con laayuda de deformímetros mecánicos y rosetas de deformación,encontrándose las diferentes propiedades mecánicas y dandouna base sólida para estudios posteriores en el área, que ayudenaún más al desarrollo de la bioingeniería en Colombia.

INTRODUCCIÓN

LAfinalidad del presente trabajo es determinar los ensayosmás apropiados que se llevan a cabo para conocer las

principales propiedades mecánicas en el tejido óseo. Se buscasintetizar dentro de una gran cantidad de variables que afectan laspropiedades mecánicas de los huesos, cuáles son las principalesque afectan el hueso en "vivo" y al tejido óseo al ser extraído paraluego ser ensayado.

Debido a la ausencia de investigaciones sobre las propiedadesmecánicas en huesos humanos, este trabajo busca aportar datossobre el comportamiento mecánico y poder dar bases concretaspara futuros estudios.

Se quiere también implantar una normalización en los ensayos,que permitan una comparación de resultados de diferentesinvestigaciones y eliminar el efecto de algunas variables, dándolesmayor confiabilidad a los resultados obtenidos.

Además, se busca crear conciencia sobre la importancia deltema proponiendo estudios más especializados que aporten nuevosdatos y sean de aplicación en nuestro medio.

En un primer trabajo que fue publicado en la revista Ingenieriae Investigaci6n número 23, los ensayos que se realizaron fueronsobre huesos largos, adoptando como probeta de ensayo al huesointacto (completo).

El material hueso 10 suministró el hospital San Juan de Diosproveniente de amputaciones de adultos, de donde se obtuvoprincipalmente tibia, en menor cantidad fémur y peroné.

··f·

Las muestras se mantuvieron frescas y humedecidas ensolución de Ringer y almacenadas por corto tiempo (1 día) enel refrigerador.

Los ensayos realizados con los huesos intactos fueron decompresión, flexión, torsión e impacto. Se registraron losvalores de los ensayos, pero éstos presentaron grandesdesviaciones, debido a la gran cantidad de factores que influyenen el comportamiento y que no se pueden manejar. Por ejemplo,en la compresión se necesita que la carga sea central y pasepor el eje centroidal de la pieza (hueso), y esto es prácticamenteimposible.

En el ensayo de flexión se requiere que el elemento searecto y tenga una sección transversal simétrica, y el hueso noes recto ni posee simetría.

Para el ensayo de torsión se requiere que el elemento tengauna sección transversal circular. Si analizamos el hueso, ésteno cumple las condiciones necesarias para realizar ensayos decompresión, flexión ni torsión.

Entonces, las propiedades mecánicas sacadas con base enel hueso completo, nos permite sólo conocer valorespromedios, debido a las irregularidades geométricas y a laanisotropía del hueso.

El procedimiento que se adoptará para el estudio de laspropiedades mecánicas, está basado en probetas extraídas delhueso, específicamente del tercio medio. Para controlar laanisotropía del hueso, las muestras que se escogen poseen unadirección tangencial-longitudinal.

Para que las propiedades mecánicas puedan compararsefácilmente, es necesario cumplir condiciones que aseguren esacomparabilidad de los resultados que son las condiciones desemejanza:

• La geometría (forma y dimensiones de la probeta).• La mecánica (velocidad de aplicación de la carga).• La física (humedad y temperatura).• Unificación en el método de la fabricación de las

probetas.

I Ingeniero Mecánico Profesor Departamento de Ingeniería Mecánica UniversidadNacional

54

l. ENSAYO DE 'fRACCIÓN

Revista Ingenieria e Investigación No. 41 Diciembre de 1998

Este es un ensayo bastante representativo de las propiedadesmecánicas como límite de elasticidad, fluencia, carga máxima,resistencia a la rotura, etcétera.

El problema consiste en que se tuvo que diseñar yfabricar un dispositivo que contemplara el tamaño de laprobeta (lo= 50 mm) y a la vez se pudiera adaptar a la máquinauniversal de ensayos.

El montaje de la probeta de tracción y su dispositivo desujeción-mordaza se muestra en la figura 1.

¡"SI... i

. t Iii! - ..' 11.,J.'~ t, r' .

, ,¡ f. '

I

Figura 1. Ensayo de tracción. Montaje

En la figura 2 se observa el tamaño de una probeta detracción acompañada con otra probeta que muestra la fallacaracterística en éste ensayo.

Figura 2. Probeta de tracción y falla característica

Los resultados del ensayo de tracción muestran que en laprobeta no se presenta acuellamiento en la zona de fractura,pero hay flujo plástico que no registran los materiales frágiles.

Se observa el inicio visual de flujo plástico, pues el huesoen esa zona se torna de color opaco, trata de extenderse sobreel hueso, para luego romper de una manera estrepitosa.

En la figura 3. se muestra el comportamiento y la magnitudde las propiedades mecánicas a tracción.

Dlforlll8Cl6nFigura 3. Diagrama Esfuerzo de Tracción

Cuadro 1. Propiedades mcc4nicas a tracción (Tejido óseo)

n ENSAYO DE COMPRESIÓN

Para los ensayos de compresión se utilizaron probetas deltercio medio tangencial-longitudinal; no se detectó ruido en lafalla, y ésta se localiz6 en los sitios de contacto con la mordazay por líneas rectas que suelen formar ángulos deaproximadamente 30" con la carga aplicada.

Las probetas de compresión son más pequeñas que las detracción, y la medición de la deformación es más complicadadebido al tamaño reducido.

En la figura 4 se muestra un esquema de las probetas y laforma de la falla.

Figura 4. Probetas para compresión y fallas características

En la figura 5 se muestra el montaje de las probetas acompresión, en la máquina universal de ensayos.

Los resultados del ensayo de compresión se muestran en lafigura 6 y se compara con la tracción, presentándose unaumento en el esfuerzo de fluencia y en la resistencia últimaSe observa un comportamiento más rígido que la tracción enel 30%-40%.

Estudio de las propiedades Mecánicas del Sistema Óseo

55

Figura 5. Ensayo de compresión. Montaje

120

t100!.

8o 8 5ti o

Daform ación

Noo..oo cooo

cooo

Figura 6. Diagrama esfuerzo de compresión

CUADRO 2. PROPIEDADES MECÁNICAS A LA COMI'IU!SIÓN (TEnoo ÓSEO)

ProDled.d Mamltud Unidad ..! Resistencia óltima 107.5 MPa

, fluencia &6.9 MPaM6dulo de elasticidad 10.& GPaDeformación elástica 085 %Deformación total 180 %

m. ENSAYO DE FLEXIÓN

La forma de la probeta es un pequeño paralelepípedorectangular de sección transversal 5 x 5 (mm') y una longitudde 65 mm. Su ensayo es la de una viga simplemente apoyadacon carga central, para permitir una fácil determinación delos esfuerzos. La forma del punzón central debe ser adecuadapara la aplicación de la carga.

Se tuvo cuidado del sitio de donde se extrajo la probeta,su dirección de aplicación de carga e influencia de lavelocidad de aplicación de la carga.

De manera similar al ensayo de tracción no se observaacuellamiento en el sitio de la carga, pero sí una pequeñadeformación plástica de la probeta en forma de arco. Seobserva un cambio de color en el sitio donde va a ocurrir elflujo plástico y luego vienen la rotura acompañada de ruidoun poco fuerte.

En la figura 7 se observan los tipos de probetasgeneralmente utilizadas para el ensayo de flexión. La figura8 muestra el montaje de una de esas probetas. Para poderrealizar el ensayo, se diseñaron y construyeron losdispositivos que se muestran en la figura 8.

Los resultados del ensayo de compresión se muestran enla figura 9 y se compara con la tracción y compresión; sucomportamiento es un valor medio entre estas dossolicitaciones

Figura 7. Probetas para flexión; falla característica

Figura 8. Ensayo de flexión. Montaje

120

100

l 80

i!

j 60

40

20

oo § ~ ~ ~ ~

N ... .. .,~ o ~ so o o

Deformación

Figura 9. Diagrama de esfuerzo de compresión, tracción y flexión

CUADRO 3. PROPIEDADES MEcÁNICAS A LA FLEXIÓN (TEnoo ÓSEO)

56Revista Ingenieria e Investigación No. 41 Diciembre de 1998

Los resultados de los ensayos realizados en el laboratoriode diseño y comparados con resultados que da la literaturatécnica se muestran en el cuadro 4.

IV. RESULTADOS

En los ensayos realizados se construyeronaproximadamente, 23 probetas de material hueso, provenientede personas de sexo femenino y masculino de estrato 2 y cuyaedad oscilaba entre los 47 y 58 años.

CUADRO 4. CoMPARACIÓN DI! RIlSULTADOS OBTBNIDOS

1~lllTlilLas diferencias entre los resultados encontrados, pueden

originarse en parte porque no se tiene una buena informaciónde cómo se obtuvieron las propiedades mecánicas en laliteratura técnica o que los huesos que fueron ensayados poseíandeficiencia de pronto en calcio, fósforo y algunos carbonatos.

CONCLUSIONES

Una vez finalizado el trabajo sobre los ensayos y con baseen los resultados logrados, las conclusiones pueden ser:

• En su comportamiento mecánico, el hueso es un materialdeformable que obedece aproximadamente a la ley deHooke; además, tiene un comportamiento anisotrópico yviscoelástico ya que posee propiedades diferentes, según ladirección del tejido óseo y la variable tiempo que hay quetenerla en cuenta en la aplicación de la carga.

• El hueso está constituido por dos tipos de tejido, el esponjosoy el compacto. Las propiedades mecánicas logradas, sehicieron únicamente sobre tejido compacto que es unmaterial compuesto y más resistente.

• El material hueso colombiano es posible que tenga una bajacalidad de tejido óseo, debido a una nutrición regular, nivelde actividad deportiva baja y condiciones ambientales malas

RECOMENDACIONES

• Dar continuidad al estudio de propiedades mecánicas parael hueso.

• Realizar un número mayor de ensayos con huesos paraobtener valores más confiables en los resultados.

• Realizar ensayos de impacto en huesos, en donde se puedaevaluar el efecto de energía de choque y relacionarlo conlos accidentes.

• Realizar ensayos con modelos de huesos, aplicando técnicascomo elementos finitos, para evaluar el efecto de la formavariable de los huesos, bajo el concepto de igualdad deresistencia.

• Realizar estudios junto con los hospitales, sobre consumode calcio, vitamina D y yodo en Colombia. Realizar ensayosestadísticos para tener una buena confiabilidad en estudiosposteriores.

BIBUOGRAFÍA

l. GA YNOR EV ANS, F. Strees and Strain in Bones. Thomas Publisber, Springfieldll1inois, U.S.A 1978

2. MARTENS, M. "Th« Geometrical propertles 01 Human Femur" Archives 01orthopaedic and troumatic Surgery, /98/.