Peran mineral dalam kekakuan tulang

Karena mineral jauh lebih kaku daripada kolagen dan air, tidak mengherankan bahwa

modulus elastisitas meningkat dengan mineralisasi. Sayangnya, meskipun banyak usaha, nampak

adanya ketidakstabilan nilai analitis yang membuat kekakuan mineral meningkat pada tingkat

yang dilakukan. Upaya awal dari Katz (1971) menunjukkan bahwa letak kekakuan diantara

tulang yang telah diprediksi yang disebut model Reuss dan Voigt, namun batas ini begitu jauh

sehingga tidak membantu. Beberapa upaya telah dilakukan, misalnya, Sasaki et al. (1991) dan

Wagner dan Weiner (1992) memprediksi kekakuan tulang dalam satu arah, tetapi gagal untuk

memprediksi dengan benar anisotropi mekanik tulang sejauh mana kekakuan tulang berbeda

ketika dimuat dalam arah yang berbeda. Kemungkinan kurangnya solusi analitis adalah (1) arah

sumbu panjang kristal mineral sangat bervariasi sepanjang tulang, lebih beberapa mikrometer,

dan (2) bahwa kita benar-benar mengabaikan aspek rasio kristal mineral - rasio terbesar dengan

dimensi sedikit. Kedua variabel yang sangat penting dalam setiap persamaan berkaitan fraksi

volume mineral untuk modulus Young elastisitas (Jäger dan Fratzl, 2000).

Fritsch dan Hellmich (2007), di lain sisi, mengklaim bahwa sebagian besar mineral

berada di luar kolagen dan berorientasi pada setiap arah, dan karena itu dapat dimodelkan

sebagai obyek bola isotropik dalam matriks kolagen mekanis anisotropik. Mereka mengusulkan

sebuah micromechanical model tulang di mana anisotropi yang diperkirakan dengan baik, dan

yang mana terdapat anisotropi yang berbeda pada skala panjang yang berbeda. Hal ini sulit untuk

mengetahui apa yang membuat perlakuan yang berlawanan dari mineral, namun banyak model

dari mereka yang nampaknya untuk memprediksi kedekatan nilai dengan yang dihasilkan untuk

tes ultrasonik.

Apa yang telah ditunjukkan bahwa ketika tulang tegang, ketegangan mineral kurang

dari regangan keseluruhan spesimen. Hal ini bisa diharapkan, tentu saja, namun hal itu sangat

baik untuk melihat kemungkinan yang masuk akal dalam eksperimental. Rasio regangan seluruh

jaringan kolagen unyuk regangan fibril dalam regangan mineral partikel dalam tulang basah

ditemukan oleh Gupta et al. (2006) menjadi sekitar 12 : 5 : 2. Hasil yang sama, meskipun pada

spesimen yang relatif kering, ditemukan oleh Fujisaki dan Tadano (2007).

Peranan mineral dalam keberhasilan dan keretakan tulang

Efek dari perubahan mineralisasi pada sifat retakan lebih jelas daripada efek pada

kekakuan. Apa yang terjadi ketika hasil tulang (jika menghasilkan, patahan sepenuhnya rapuh)

bahwa microfractures akan berkembang. terdapat patahan tulang yang pada awalnya kecil, atau

sedikit linier 'gangguan' dari tulang (Burr et al, 1985;. Zioupos, 2001). Patahan tersebut bisa

sangat pendek, sekitar panjang 5 µm (Gambar 1.10;. Reilly, 2000), meskipun banyak pekerja

berkonsentrasi pada yang lebih besar, retakan masih lebih jelas, sekitar 100 µm. Titik kritisnya

mengakibatkan pemulaian retakan, dan karenanya meningkat, pemenuhan spesimen, tetapi tidak

meningkatkan panjang jika beban meningkat.

Kerja yang dilakukan dalam memperluas spesimen biasanya digunakan dalam

mengalikan jumlah microfractures, dan dengan meningkatkan pemenuhan spesimen. Akhirnya

beberapa sekering, menjadi sangat panjang dan berbahaya, dan spesimen patah menjadi dua.

Dalam perbesaran mineralisasi tulang proses inisiasi dari microfractures dihambat, dan tulang

menjadi semakin lebih rapuh.

Salah satunya dapat menjelaskan hal ini dengan menyarankan apabila mineralisasi

meningkat ada kecenderungan untuk kristal mineral bergabung membentuk gumpalan yang lebih

besar, yang lebih lemah dari benjolan kecil. Gao et al. (2003).

Gambar 1.10 mikroskop

confocal tulang kompak dimuat dalam ketegangan

(horizontal dalam gambar ini). Gelap bintik

horizontal memanjang adalah kekosongan osteosit. pita gelap di bagian bawah adalah pembuluh darah.

Microdamage, terutama yang berasal di daerah kekosongan osteosit, berjalan kira-kira normal terhadap arah beban. Kerusakan (yang bukan dari retak paten, karena spesimen masih memiliki kekakuan yang cukup dan tidak berantakan) memiliki panjang sekitar 5 µm. (Courtesy Dr Gwen Reilly).

Mengukur dan memperdalam saran kami yang sebelumnya (Currey, 1984),

menunjukkan bahwa ukuran yang sangat kecil dari kristal mineral terlalu kecil untuk

memungkinkan mereka untuk membolehkan dalam perkembangan 'Griffith' cacat, dan karena itu

mereka akan sangat kuat, maka setiap kurangnya kohesi baik akan di bahan organik, atau

menghubungkan mineral organik. Gao et al. juga menunjukkan bahwa ada aspek rasio optimal

dari kristal mineral, dan hal ini berkaitan dengan komposisi organic. Mutiara ibu, dalam kulit

moluska, memiliki sekitar 3% bahan organic dan aspek rasio agak rendah, sekitar 10, sedangkan

tulang memiliki komposisi organic yang tinggi, dan aspek rasio yang jauh lebih tinggi, mungkin

setinggi 30-40 dalam perkembangan tulang. Nilai-nilai untuk tulang dan mutiara ibu akan

cenderung membuat mineral dan fraktur bahan organik pada tegangan yang sama, Situasi

optimal. Ballarini et al. (2005) di sisi lain menganggap bahwa ukuran Kristal yang kecil tidaklah

penting, saat kristal kecil patah, maka kekuatan tulang tergantung pada fitur lain yang mencegah

kegagalan bencana tersebut.

Ada sejumlah upaya dari pemeriksaan retakan permukaan untuk menentukan apakah

tulang itu patah dalam mineral, material organik, atau pada antarmuka antara mereka. Pekerjaan

ini biasanya melibatkan pemeriksaan dengan resolusi tinggi pemindaian mikroskop elektron atau

dengan memindai penyelidikan nanomicroscopy. Kami harus mengakui bahwa kami menemukan

gambar jauh lebih sedikit meyakinkan daripada para penulis, dan menurut saya hal ini belum

terselesaikan.

Gambar 1.11 : Radiography to identify eventual fractures after a knee injury, (Bone fracture -

Wikipedia, the free encyclopedia.html).

Tai et al. (2006) menggunakan pendekatan yang sama sekali berbeda, menunjukkan

bahwa dalam kompresi butiran kristal berinteraksi dengan gesekan, dan karena mekanisme ini

tidak tersedia dalam tegangan, perbedaan ini menyumbang kekuatan tulang yang lebih rendah

dalam ketegangan. kami tidak menemukan namun tetap meyakini, tapi kami menyebutkan

karena hal tersebut sangat berbeda dengan pendekatan kebanyakan orang.