Numeričko i eksperimentalno modeliranje procesa deformiranja kortikalnoga koštanoga tkiva

Osnovna mehanička svojstva koštanog tkiva su anizotropnost, heterogenost i viskoznost, a svakodnevnom aktivnošću u kosti nastaju mikrooštećenja koja u kontinuiranom procesu pregradnje iščezavaju. Pretpostavka je da do akumuliranja oštećenja u kosti dolazi zbog toga što s cikličkim opterećenjima stvaranje oštećenja postaje brže od pregradnje što može dovesti i do njenog loma. Zbog svoje vrlo složene strukture još nije predložen dovoljno točan konstitutivni model za opisivanje nelinearnog i vremenski ovisnog ponašanja kortikalnog koštanog tkiva. U okviru eksperimentalnih istraživanja u radu je najprije istražen proces deformiranja kompozitnog materijala koji ima slično mehaničko ponašanje kao ljudska kortikalna kost. To je omogućilo efikasnije i točnije definiranje konstitutivnog modela, koji je osim na analizirani kompozitni materijal primjenjiv i na goveđe i ljudsko kortikalno koštano tkivo. Razlog tome je što je kod eksperimentalnog istraživanja goveđeg kortikalnog koštanog tkiva bilo većih „rasipanja“ rezultata u odnosu na kompozitni materijal, što je otežalo procjenu parametara materijala. Osim za slučaj vlačnog puzanja, prikazano je ponašanje kosti za slučaj cikličkog tlačnog puzanja s naknadnim rasterećivanjem. Za isti način opterećivanja istraženo je ponašanje epruveta uzetih u poprečnom smjeru kosti, što u literaturi nije dovoljno istraženo. \Na taj način provedena eksperimentalna istraživanja omogućuju bolje razumijevanje nelinearnog i vremenski ovisnog ponašanja kortikalnog koštanog tkiva. \Na temelju eksperimentalnih podataka i primjenom formulacija sličnih onima za inženjerske materijale predložen je konstitutivni model za akumuliranje oštećenja u kortikalnom koštanom tkivu koji spreže mehanizme oštećenja s efektima viskoelastičnosti i viskoplastičnosti. Pritom su postojeći modeli viskoelastičnosti i oštećenja te model viskopastičnosti iz literature spregnuti zajedno što do sada nije napravljeno. Pokazano je da je predloženi konstitutivni model primjenljiv na različite slučajeve cikličkih opterećenja koji uključuju puzanje materijala s naknadnim rasterećivanjem. U okviru numeričkog modeliranja, izvedeni su jednodimenzijski i trodimenzijski numerički algoritmi za rješavanje konstitutivnih jednadžbi na razini materijalne točke te su implementirani u formulaciju konačnih elemenata. Iz prikazanih rezultata je vidljivo da predloženi numerički algoritam točno opisuje proces deformiranja kortikalnog koštanog tkiva za slučaj cikličkog puzanja s naknadnim rasterećivanjem u usporedbi s eksperimentalnim rezultatima. Dobiveni eksperimentalni rezultati zajedno s predloženim numeričkim algoritmom omogućit će realnu analizu koštanih prijeloma