CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL HUESO Y DE ALGUNOS MATERIALES PARA SU REEMPLAZO

MARCO TEORICO

ENSAYO DE MATERIALES

Con el ensayo de los materiales deben determinarse los valores de resistencia, verificarse las propiedades y establecerse el comportamiento de aquellos bajo la acción de las influencias externas. El factor económico juega un rol de importancia en el campo de la fabricación en general, imponiendo un perfecto conocimiento de los materiales a utilizar, de manera de seleccionarlos para cada fin y poder hacerlos trabajar en el límite de sus posibilidades, cumpliendo con las exigencias de menor peso, mejor calidad y mayor rendimiento. En los ensayos físicos se determinan generalmente la forma y dimensiones de los cuerpos, su peso específico y densidad, contenido de humedad, etc., y en los mecánicos la resistencia, elasticidad y plasticidad, ductilidad, tenacidad y fragilidad, etc.

Clasificación de los esfuerzos:

• Esfuerzos normales

Son producidos por cargas que tienden a trasladar a las secciones transversales en un determinado sentido

- Tracción y compresión

Se obtiene cuando las fuerzas exteriores, de igual magnitud, dirección y sentido contrario, tienden a estirar (tracción) o aplastar (compresión) el material según el eje en que actúan.

- Flexión

Tiene lugar cuando se producen pares de fuerzas perpendiculares al eje, que provocan el giro de las secciones transversales con respecto a las inmediatas.

• Esfuerzos tangenciales

Son generados por pares de cargas, que actúan en el plano de las secciones transversales y tienden a producir sus giros o deslizamientos.

- Torsión

Se origina por efecto de pares que actúan sobre los ejes de las secciones transversales, produciendo el giro de las mismas en sus planos.

- Corte

Las fuerzas actúan normales al eje del cuerpo, desplazando entre sí las secciones inmediatas.

Estudio de la tracción

Realización del los Ensayos de Tracción

Los ensayos de tracción, compresión, torsión y flexión pueden realizarse con una máquina Universal que es una máquina semejante a una prensa cuyo émbolo produce tracciones, compresiones y flexiones a voluntad, aplicando las cargas deseadas a la probeta colocada y sujetada en la máquina por medio de mordazas adecuadas, la maquina universal determina el punto de fluencia, el valor máximo de carga y la deformación para un esfuerzo aplicado.

Probeta:

- Son generalmente barras de sección regular (normalizadas), o tomarse un tramo del producto a ensayar. Sus extremidades son de mayor sección, para facilitar la fijación de la probeta a la máquina de tracción. En las probetas se hacen dos marcas entre las cuales se mide la longitud L (puntos calibrados).

Un esquema de la máquina de ensayo de tracción se muestra en la siguiente figura

Figura 1. Diagrama de rotura por tracción

Figura 2. Ensayo de tracción

En este gráfico, se diferencian varias zonas: una zona elástica, en la cual la probeta se deforma como resultado del esfuerzo, pero si se suspende la carga, el material recupera su forma original; una zona plástica, durante la cual el material sufre deformaciones permanentes; una región en la cual el material se sigue deformando aún si se suspende el esfuerzo; y finalmente la rotura del mismo.

Características del Ensayo de tracción uniaxial

• Durante el ensayo se miden elongación de la probeta y carga aplicada.

• Con esos datos se calculan tensiones y deformaciones (ingenieriles) y se traza la curva correspondiente.

• De la curva se obtienen el módulo elástico, la tensión de fluencia, la tensión máxima y la deformación ingenieril a fractura (como una medida de la ductilidad).

• Después de la fractura, la longitud final y la sección se usan para calcular elongación porcentual y reducción de área porcentual, que indican ductilidad del material.

De la carga y elongación se calculan tensiones verdaderas y deformaciones verdaderas, que sirven para caracterizar el comportamiento del material en la región elastoplástica.

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS TEJIDOS OSEOS

El sistema óseo humano está diseñado para proteger órganos internos y para proporcionar tanto apoyos rígidos al cuerpo como sitios de atadura de músculos facilitando su accionar y de esta forma contribuir a estabilizar y movilizar al cuerpo. Los huesos tienen propiedades mecánicas únicas que le permiten realizar estas funciones, constituye uno de los materiales más rígidos del cuerpo. Entre sus características relevantes se destaca su notable capacidad de auto reparación ante eventuales degradaciones o daños, así como su veloz adaptación a los cambios en el campo de tensiones reinantes.

Se reconocen dos tipos fundamentales de estructuras óseas. Por un lado el hueso cancellous (llamado también trabecular o esponjoso) y por otro el cortical (llamado también compacto). El hueso cortical posee 4 veces más masa que el hueso trabecular. El material básico de ambos huesos pareciera ser el mismo y la distinción entre ellos estaría dada por el grado de porosidad y su distribución. El rango de porosidad del hueso cortical es de 5% al 30%, mientras que en el hueso trabecular es del 30% al 90%. La porosidad del hueso no es fija y puede cambiar con el transcurso del tiempo en respuesta a una alteración de cargas, enfermedad y envejecimiento.

El hueso trabecular está siempre rodeado por el hueso cortical. Este tipo de hueso se encuentra típicamente en los huesos alargados formando una especie de cobertura de contención o delimitación del hueso trabecular, constituyendo una cáscara del mismo.

Figura 3. Se muestra el fémur y un corte transversal de la cabeza donde el tejido óseo es esponjoso, en el centro del fémur el tejido es compacto, así como en la superficie.

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS HUESOS

Las propiedades mecánicas del hueso se determinan mediante ensayos de tracción, compresión, torsión, o de corte sobre especímenes. A partir de estos ensayos se pueden determinar la respuesta en términos de Fuerza – Desplazamiento, definiendo así las propiedades estructurales, o bien en términos de Tensión – Deformación, determinando las propiedades materiales.

En general los huesos están sometidos a una amplia variedad de estados de carga. Al estar de pié una persona solicita a su fémur a un estado de compresión. Eventualmente puede también estar sometido a una flexocompresión, con una porción del hueso sometido a tracción. También puede presentarse una solicitación de corte en el caso que la pierna golpeé con una mesa.

PREGUNTAS SOBRE LA PRÁCTICA

1. Explique en detalle cómo influye el estado de hidratación y, en general, los componentes orgánicos y biológicos, en la curva tensión – deformación uniaxial del hueso cortical.

El tejido óseo está constituido por sustancias orgánicas e inorgánicas. Un 70% del hueso está conformado por materia inorgánica, de la cual hace parte un componente cerámico: la Hidroxiapatita. La Hidroxiapatita presente en el hueso, junto con el calcio, son los que otorgan la resistencia a la comprensión y otro tipo de tensiones a las que se ve sometido el hueso permanentemente; así un tejido de este tipo con un bajo contenido mineral implica una mayor probabilidad de sufrir daños como fisuras o en el peor de los casos fracturas.

El 30% restante lo conforma la fase orgánica que determina la estructura y las propiedades mecánicas y bioquímicas del hueso, de este 30% aproximadamente el 90% está formado por colágeno tipo 1 que es de baja solubilidad y el 10% restante está formado por proteínas no colàgenas como factores de crecimiento y citoquinas, proteínas osteoinductivas, osteonectina, osteopectina entre muchas otras y por otros tipos de colágeno, lípidos y otras macromoléculas.

La hidratación es importante, principalmente en la respuesta mecánica del colágeno, porque el agua facilita el deslizamiento de las fibras de colágeno. Por esto el agua es precisamente la encargada del comportamiento elástico no lineal (deformación plástica), que al mismo tiempo está relacionado con la viscoelásticidad

En un hueso deshidratado se altera el deslizamiento de las fibras asociado a la pérdida de agua lo que incide directamente en cambios de las propiedades mecánicas inherentes al hueso hidratado. Una de estas propiedades alteradas es la resistencia a la tracción, la cual aumenta ligeramente en relación con el hueso hidratado, conferida principalmente por la dureza propia de la hidroxiapatita aunque no se presente un mecanismo de deformación permanente; también aumenta la fragilidad del material disminuyendo la ductilidad propia del hueso y su tenacidad aproximadamente en un 50%, lo que se refleja una capacidad para absorber la energía que absorbería en condiciones normales de hidratación y gráficamente evidenciada en la reducción del área bajo la curva esfuerzo contra deformación debido que en este caso el hueso presentaría una menor deformación antes de la rotura, conllevando a una mayor fragilidad y rigidez .

Por lo tanto la falta de hidratación hace al hueso más frágil y menos resistente, sacrifica la ductilidad y la resistencia a la tracción del hueso, aumentando

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