Post on 27-Dec-2019
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2.5 Knochen
• Ausgangspunkt Collagen = auf Zugbelastung optimiertes Protein
• Mineralisierung: Einlagerung harter anorganischer Kristalle � Komposit
• Sehne � mineralisierte Sehne � Knochen:
§Anstieg des Elastizitätsmoduls
§Erniedrigung der maximalen Dehnung εmax(Dehnung 0,78 %, Kompression 0,84 %)
§Erhöhung der maximalen Spannung σmax
• Knochen: auf Zug- und Druckbelastung optimiert !
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2.5.1 Hierarchische Strukturierung
Wiederholung: hierarchische Struktur von Collagen
Mineralisierung: Einbau von Hydroxyapatit in Zwischenräume (Gaps):
Dahllit Ca5(PO4,CO3)3OH, 3 nm Durchmesser, < 40 nm Länge
138
Packung der Mineralkristalle in Collagen-Fibrillen:
R. B. Martin, D. B. Burr, Skeletal Tissue Mechanics, Springer, New York (1998)
Biomineralisierung
TEM
139
D. Vashishth, Biomedical Engineering Department, Rensselaer Polytechnic Institute
Messung der mechanischen Eigenschaften von Knochen
140
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 0.01 0.02 0.03 0.04
Strain
Str
ess
(MP
a) Wet Bone
Veränderung der mechanischen Eigenschaften von Collagen durch Biomineralisation
• Streckgrenze!
Collagen Knochen
• Anstieg des Elastizitätsmoduls• Erniedrigung der maximalen Dehnung εmax
(größer in Kompression!)• Erhöhung der maximalen Spannung σmax
141
84
(11)
2.0
(0.15)
68
(7)
1.39
(0.24)
5.6
(0.8)
Torsion
210
(22)
1.22
(0.16)
207
(23)
1.19
(0.11)
22.4
(2.5)
Compression
159
(8)
3.89
(0.79)
131
(5)
0.80
(0.03)
22.9
(2.2)
Tension
U.Stress
(MPa)
U.Strain
(%)
Ystress
(MPa)
Ystrain
(%)
G
(GPa)
E
(GPa)Loading
Vashishth, Deepak. “Fracture of cortical bone under controlled crack propagation and combined axial-torsional loadings.” PhD Thesis, University of London, UK.
Streckgrenze
1422 Knochenarten:
(1) kompakter Knochen (Osteon; cortical)außen am Knochen: feste Wand von Röhrenknochen, Gelenkköpfe
(2) schwammartiger Knochen (Trabeculae; cancellous)Gewichtseinsparung durch lockere Struktur
Erinnerung: so ähnlich alles schon mal gesehen...
Knochen-Geometrie
Trabekel-Struktur
lamellare Struktur , Mineralverteilung
mineralisierte Collagen-Fibrillen
Collagen-Moleküle
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HaverschesSystem
Knochen ist ein lebendes Organ mit erheblichem Stoffwechsel!
• Osteon hat Blutgefäße im Zentrum, konzentrische Neubildung von Knochenmaterial
• primär: neu gebildet; sekundär: „Ersatz“ für bestehenden Knochen, Remodellierung
• Osteoklasten bauen Knochen ab (Tunnel)
• Osteoblasten füllen wieder auf (bis auf Haverschen Kanal)
Grenze: Zementlinien
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2.5.2 Beispiele mechanischer Optimierung
(1) lamellare Osteon-Struktur
verschiedene Modelle zur Lamellen-Struktur (basierend auf Mikroskopie)
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ortsauflösende Röntgen-Kleinwinkelstreuung: Orientierung der Mineralpartikel (SAXS)
O. Paris et al., Cell. Mol. Biol. 46(5), 993 (2000)
Osteon
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(2) Orientierung und Größenverteilung der Hydroxyapatit-Kristalle
SAXS-Experiment mit Ortsauflösung, da• ideale Größe (1 ... 100 nm)• Dichtekontrast Hydroxyapatit - Collagen
2D-Streubild von Plättchen
Streukurve: (spez.) Oberfläche σ der Mineralpartikel aus Porod-Plotmittlere Dicke: (mit Φ : spez. Volumen der Partikel)
Variation: 2 – 4 nm; größer mit zunehmendem Alter
Optimierung an Gelenkköpfen
σ/)1(4 Φ−Φ=T
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außen: kleinere Kristalle (jüngerer Knochen?)
Streukurve: gemittelte Intensitätsverteilung
O. Paris et al., Cell. Mol. Biol. 46(5), 993 (2000)
Orientierung
Größe
Trabeculae