Новое открытие в микроструктуре человеческих костей поможет усовершенствовать самолеты — Naked Science
7 минут
София Жаботинская

Новое открытие в микроструктуре человеческих костей поможет усовершенствовать самолеты

Ученые выяснили, как кажущиеся незначительными особенности строения костей могут помочь медицине и авиастроению.

Рентгеновский снимок кости
Рентгеновский снимок кости / © Munson, Cornell University, 2019.

При остеопорозе, связанном с нарушением обмена веществ и возрастными изменениями, падает прочность костей, и человек рискует практически «на ровном месте» получить перелом. При подозрении на это заболевание или в иных случаях, заставляющих определить прочность кости, как правило, обращают основное внимание на плотность костной ткани. Используя рентгеновские снимки, врачи могут определить, какую нагрузку единоразово выдержит кость не сломавшись. Авторы этой работы обратились к недооцененному фактору, влияющему на прочность в течение многих повторяющихся циклов нагрузки и определяющему степень усталости костного материала — микроархитектуры кости. Исследователи из Корнеллского университета опубликовали свою статью в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Понятие усталости материалов вводится в материаловедении — науке, изучающей свойства вещества в различных условиях, важные для прикладного использования созданных из них конструкций. Как правило, этим понятием оперируют в инженерии и архитектуре, однако в целом оно вполне применимо и к нашему телу.

Внутренняя архитектура кости состоит из вертикальных пластинчатых «распорок», которые определяют ее прочность при перегрузке, и горизонтальных стержневидных частей, которые кажутся просто «покрытием», не несущим основной нагрузки. Авторы предположили, что все не так просто и что эти «витринные» элементы, на самом деле, тоже значимы для прочности всей структуры. С помощью более совершенного программного обеспечения команда проанализировала архитектуру кости и выяснила, что есть разница в том, как кость реагирует на резкую и короткую нагрузку и как — на долговременный износ. Оказалось, если при единовременных сильных нагрузках важны вертикальные пластинчатые структуры, то на длинной дистанции горизонтальные стержнеобразные распорки имеют решающее значение. Именно они определяют степень усталости костей.

«Когда люди стареют, они сначала теряют эти горизонтальные распорки, увеличивая вероятность того, что кость сломается от множественных циклических нагрузок», — поясняет ведущий автор работы Кристофер Дж. Эрнандес.

Авторы проверили теоретические выкладки, распечатав на 3D-принтере образец с архитектурой, подобной костной ткани из уретанметакрилатного полимера. Варьируя толщину стержней, ученые смогли увеличить усталостную долговечность материала до 100 раз.

Исследователи полагают, что такие конструктивно измененные усиленные микроструктуры можно будет применить в массе областей, как в медицине, так и вне нее. Например, их можно внедрять в аэрокосмической промышленности, где сверхлегкие материалы должны выдерживать огромные и многократные нагрузки.

«Каждый порыв ветра, который ударяет самолет, вызывает цикл нагрузки на него, поэтому крыло самолета загружается тысячи раз за каждый полет, — говорит Эрнандес. — Если вы хотите сделать долговечное устройство или транспортное средство, которое будет легким и будет работать долго, тогда действительно важно, сколько циклов нагрузки может пройти деталь, прежде чем она сломается. И математические зависимости, которые мы получили в этом исследовании, позволяют любому, кто проектирует одну из этих решетчатых конструкций, сбалансировать потребности в жесткости и прочности под одной нагрузкой с необходимостью выдерживать многие, многие циклы нагрузки более низкого уровня».

Ранее ученые выяснили причины хрупкости костей у ВИЧ-инфицированных, а также установили, что двухминутные пробежки укрепляют кости пожилых женщин.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
20 октября
4 минуты
Сергей Васильев

Глубоко в носоглотке ученые обнаружили новую — четвертую — пару крупных слюнных желез, о существовании которой ранее никто не подозревал.

Позавчера, 11:36
5 минут
Илья Ведмеденко

Разработанный для NASA космический аппарат OSIRIS-REx коснулся поверхности Бенну — небольшого околоземного астероида, входящего в группу Аполлонов. Возвращение зонда на Землю запланировано на 2023 год.

Сегодня, 09:40
5 минут
Сергей Васильев

Американского жука Nosoderma diabolicum не раздавит даже проехавший по нему автомобиль: жесткие надкрылья насекомого выдерживают огромные нагрузки благодаря необычным структурам, напоминающим соединение деталей пазла.

20 октября
4 минуты
Сергей Васильев

Глубоко в носоглотке ученые обнаружили новую — четвертую — пару крупных слюнных желез, о существовании которой ранее никто не подозревал.

16 октября
6 минут
Василий Парфенов

Несмотря на устоявшееся мнение, согласно которому газотурбинные двигатели (ГТД) почти достигли технологического совершенства и прироста характеристик более чем на единицы процентов в новых моделях ждать не стоит, инженеры продолжают искать способы радикально их улучшить. Компания GE Aviation уже до конца 2020 года собирается представить предсерийные экземпляры своих революционных силовых установок, которые должны быть на 20% долговечнее, на 35% экономичнее и будут иметь улучшенную на 80% энерговооруженность, чем предыдущие аналогичные модели.

19 октября
4 минуты
Ольга Иванова

Международная группа ученых сделала рентгеновские снимки грудного отдела тела муравьев, проанализировав их мышцы и внутренний скелет. В результате исследователи выяснили, что сила этих насекомых связана с потерей способности летать.

28 сентября
29 минут
Александр Березин

Сентябрь 2020 года принес в Закавказье войну — столкновение Азербайджана и Нагорного Карабаха получило большой размах, общее число жертв, судя по всему, уже перевалило за сотню, а Ереван и Баку объявили мобилизацию (в Азербайджане — частичную). Объективного смысла в войне для самих участников нет. Баку не победит, но и Армения от конфликта ничего не выиграет. Пользу конфликт, однако, объективно принесет Турции, а также тем, кто поставляет в Азербайджан оружие. Возникает вопрос: почему война оказалась возможна, несмотря на дружественную позицию России к Армении, и зачем на нее пошли в Баку? И есть ли у Еревана разумный выход из назревающей бойни?

16 октября
6 минут
Денис Гордеев

Люди со второй и четвертой группами крови с большей вероятностью переболеют Covid-19 в тяжелой форме.

20 октября
4 минуты
Сергей Васильев

Глубоко в носоглотке ученые обнаружили новую — четвертую — пару крупных слюнных желез, о существовании которой ранее никто не подозревал.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: