Новое открытие в микроструктуре человеческих костей поможет усовершенствовать самолеты — Naked Science
22 ноября
7 минут
Полина Гершберг

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.

Позавчера, 19:02
5 минут
Полина Гершберг

Для женщин, которые хотят получить пользу от тренировок, важнее всего создать привычку.

9 часов назад
2 минуты
Илья Ведмеденко

В результате крушения нового ударного вертолета Ми-28УБ погибли двое летчиков.

Позавчера, 13:51
23 минуты
Александр Березин

Спутниковые снимки показывают: отказ от пахоты в Штатах ведет к росту урожайности при снижении затрат. Россия, где был создан этот метод, сегодня его почти не применяет. Разбираемся, почему так получилось и чем он лучше традиционной вспашки.

Позавчера, 19:02
5 минут
Полина Гершберг

Для женщин, которые хотят получить пользу от тренировок, важнее всего создать привычку.

9 декабря
3 минуты
Денис Гордеев

Меняющаяся структура глобального рынка автомобилей приведет к массовым сокращениям.

11 декабря
4 минуты
Сергей Васильев

В янтаре сохранились не только перья динозавров, но и пившие их кровь насекомые мелового периода.

15 ноября
6 минут
Никита Шевцов

Ученые впервые воспроизвели в реальности парадокс друга Вигнера. В результате физики выяснили, что квантовые явления субъективны: каждый наблюдатель может иметь свои альтернативные факты насчет них, и все они будут правдивы.

Позавчера, 19:02
5 минут
Полина Гершберг

Для женщин, которые хотят получить пользу от тренировок, важнее всего создать привычку.

4 декабря
39 минут
Александр Березин

В 2017 году от рака умерло 9,6 миллиона человек, и с каждым годом эта цифра будет расти. Есть ли способы остановить наступление этой болезни на человеческие жизни?

[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: