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.
Позавчера, 18:20
5 минут
Илья Ведмеденко

Согласно решению Арбитражного суда Амурской области, строительство стартового комплекса «Ангара» на Восточном должны приостановить. Напомним, стартовый стол создают под тяжелую ракету «Ангара-А5», которую хотят применить для испытаний космического корабля нового поколения.

Вчера, 16:44
4 минуты
Илья Ведмеденко

Новейший марсоход NASA в первый раз проехал по Красной планете: всего аппарат преодолел 6,5 метра. Ранее ровер прислал первые снимки с поверхности Марса.

Вчера, 10:55
31 минута
Василий Парфенов

Минувшая неделя озарилась одним из самых впечатляющих достижений человечества — успешной посадкой сложнейшего робота весом более тонны на поверхность другой планеты. Более того, этот процесс впервые снимали на видео сразу несколько камер в высоком разрешении. Опубликованный NASA ролик оказался не только занимательным зрелищем, но и самой настоящей научно-детективной короткометражкой.

2 марта
4 минуты
Сергей Васильев

Обнаружены кости приматов, живших сразу после мел-палеогенового вымирания: похоже, наши общие предки появились задолго до гибели динозавров.

Позавчера, 18:20
5 минут
Илья Ведмеденко

Согласно решению Арбитражного суда Амурской области, строительство стартового комплекса «Ангара» на Восточном должны приостановить. Напомним, стартовый стол создают под тяжелую ракету «Ангара-А5», которую хотят применить для испытаний космического корабля нового поколения.

1 марта
7 минут
Василий Парфенов

Итак, к многоразовым ракетам мы все уже привыкли, хорошо. Что дальше? Правильно, спутники. И это не шутка: следующее поколение аппаратов в «созвездии» GPS получит возможность апгрейда прямо на орбите, что позволит продлить их срок службы.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

15 февраля
9 минут
Василий Парфенов

Новость, которую странно публиковать на серьезном научно-популярном портале, но от реальности не убежишь. Уфологи всего мира могут радоваться: американские военные официально признали, что изучали места крушения НЛО и в их распоряжении есть некие аномальные объекты, свойства которых выходят за рамки известных науке материалов.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: