Measurement of mechanical properties of a bone tissue at a microstructural level by using DSI (Depth Sensing Indentation) method

• Autorzy: Pokorska I. , Skalski K. , Makuch A. , Pawlikowski M.

Warianty tytułu

PL

Pomiary własności mechanicznych tkanki kostnej na poziomie mikrostrukturalnym z wykorzystaniem metody DSI (Depth Sensing Indentation)

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Research of tissue structures at a micro-structural level belongs to the contemporary research in Biomechanics. In the paper a theoretical analysis from Oliver-Pharr’s perspective was presented forming the basis for the measurement methods of bone tissue mechanical properties such as hardness and elasticity modulus. The aim of the study was to emphasize the fundamental assumptions in the analysis which lead to the diversified notions of hardness called technical and normal ones. In the experimental part of the paper, using appropriately prepared trabecular and cortical bone tissues, the measurements of the depth of the indenter penetrating with the applied loadings were made. They enable particularly to determine the elasticity modulus. The aim of this research was the assessment of the material properties of bone structures, having in mind the energetic aspects of the curve (indenter loading-depth) obtained in the cycle: non-elastic (plastic, viscoelastic …) loading and elastic unloading.

PL

Badania struktur tkankowych na poziomie mikrostrukturalnym należą do wspołczesnych w Biomechanice. W pracy przedstawiono analizę teoretyczną w ujęciu Olivera-Pharra leżącą u podstaw metod pomiarów własności mechanicznych tkanek kostnych takich jak twardość oraz moduł sprężystości. Celem opracowania było uwypuklenie podstawowych założeń w analizie, które prowadzą do zróżnicowanych pojęć twardości zwanych techniczną i normalną. W części eksperymentalnej pracy przeprowadzono, na stosownie przygotowanych tkankach kości gąbczastej i zbitej, pomiary głębokości zagłębiania wgłębnika przy zadanych obciążeniach. Umożliwiają one w szczególności określenie modułu sprężystości. Celem tych badań była ocena własności materiałowych struktur kostnych z uwagi na energetyczne aspekty krzywej (obciążenie-głębokość wgłębnika) otrzymanej w cyklu: obciążenie niesprężyste (plastyczne, lepko-sprężyste…) i odciążenie sprężyste.

Słowa kluczowe

EN

trabecular bone; cortical bone; Young's modulus; hardness

PL

kość gąbczasta; kość korowa; moduł Younga; twardość

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Mechaniki Precyzyjnej
• Czasopismo: Inżynieria Powierzchni
• Rocznik: 2015
• Tom: nr 1
• Strony: 68--74
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Pokorska I.

• Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa

autor

Skalski K.

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
• [e-mail]
• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania,

autor

Makuch A.

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania,
• Politechnika Warszawska, Instytut Mechaniki Poligrafii

autor

Pawlikowski M.

• Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa

Bibliografia

• [1] Carter D.R., Hayes W.C.: The compressive behavior of bonę as a two-phase porous structure. „J. Bone Joint Surg Am.", 1977, vol. 59, no 7, p. 954-962.
• [2] Cheng Y.T., Cheng C.M.: Scaling relationship in conical indentation of elastic-perfectly plastic solid. „Int. J. Solid Structure", 1999, vol. 36, s. 1231-1243.
• [3] Cowin S.C., Doty S.B.: Tissue Mechanics. Springer, 2007.
• [4] Currey J.D.: Bones: Structures and Mechanics Princeton University Press, 2002.
• [5] Cyganik Ł., Binkowski M., Kokot G., Rusin T., Popik P., Bolechała F., Nowak R., Wróbel Z., John A.: Pre-diction of Young's modulus of trabeculaein micro scaleusingmacro-scale's relationships between bone density and mechanical properties. „Journal of the mechanical behavior of biomedical materials", 2014, vol. 36, p. 120-134.
• [6] Kokot G.: Wyznaczanie własności mechanicznych tkanek kostnych z zastosowaniem cyfrowej korelacji obrazu, nanoindentancji oraz symulacji numerycz-nych. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2013.
• [7] Litniewski J.: Determination of the elasticity coeffi-cient for a single trabecula of a cancellous bonę: Scanning Acoustic Microscopy approach. „Ultra-sound in Medicine and Biology", 2005, vol. 31, no 10, p.1361-1366.
• [8] Oliver W.C., Pharr G.M.: Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology. „Journal of Materials Research", 2004, vol. 19, no 1, p. 3-20.
• [9] Rho J.Y., Roy M.E., Tsui T.Y., Pharr G.M.: Elastic properties of microstructural components of human bonę tissue as measured by nanoindentation. „J. Biomed Mater Res", 1999, vol. 45, no 1, p. 48-54.
• [10] Schuh CA: Nanoindentation studies of materials. „Materials Today", 2006, vol. 9, no 5, p. 32-40.
• [11] Sneddon l.N.: The relation between load and penetration in the axisymmetric boussines problem for a punch of arbitrary profile. „International Journal of Engineering Science", 1965, vol. 3, no. 1, p. 47-57.
• [12] Soons J., Lava P., Debruyne D., Dirckx J.: Full-field optical deformation measurement in biomechanics: Digital speckle pattern interferometry and 3D digital image correlation applied to bird beaks. „Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials", 2012, vol. 14, p. 186-191.
• [13] Sztefek P., et al.: Using digital image correlation to determine bone surface strains during loading and after adaptation of the mouse tibia. „Journal of Biomechanics", 2010, vol. 43, p. 599-605.
• [14] PN-EN ISO 14577-1: Metale - Instrumentalna próba wciskania wgłębnika do określania twardości i innych własności materiałów - Część 1: Metoda badania, PKN, 2005.
• [15] Kokot G., Binkowski M., John A., Gzik-Zroska B.: Advanced mechanical testing methods in determining bone material. Mechanika: Proceedings of 17th Interna¬tional Conference, Kaunas 2012, p. 139-143.
• [16] Betiuk M., Pokorska l., Marchlewski P.: Zastosowanie techniki badawczej DSI oraz Recatest do oceny struktury i jakości warstw wytwarzanych technologią hybrydową. „Inżynieria Powierzchni", 2012, nr 2, s. 38.