Skip to Main Content

      

BLOG ANSYS

March 3, 2020

Progettare impianti migliori: il materiale osseo è più resistente dell'acciaio?

Potrei dire che la natura è l'ingegnere più antico e migliore del mondo. Nel corso dei millenni, ha ripetuto i nostri progetti e perfezionato i nostri componenti per diventare più leggeri, più resistenti e altamente ottimizzati.

Di conseguenza,  gli ingegneri stanno iniziando a imparare dagli esempi della natura attraverso la scienza della biomimetica.

Tuttavia, alcuni potrebbero pensare che sia improbabile che le nostre ossa superino i materiali che utilizziamo per progettare prodotti di uso quotidiano. Potresti chiederti:

L'osso è più resistente dell'acciaio?

Le ossa sono più resistenti del cemento?

Beh, dipende.


La natura ha ottimizzato le nostre strutture ossee per millenni.

L'osso ha tipicamente un modulo elastico simile al cemento ma è 10 volte più forte nella compressione.

Per quanto riguarda il confronto con l'acciaio inossidabile, l'osso ha una resistenza alla compressione simile ma è tre volte più leggero.

Quindi, cosa succede quando un osso viene così compromesso che gli ingegneri devono intervenire? Si scopre che il genio della natura è ancora più evidente quando cerchiamo di sostituire il suo lavoro.
 

Perché il materiale osseo è così resistente?

Sebbene gli impianti siano una necessità per molte persone, le loro prestazioni nel tempo non possono essere paragonate alla longevità dell'osso medio. Ad esempio, potrebbero essere necessari dai 60 agli 80 anni prima che un'articolazione del ginocchio si esaurisca. Tuttavia, una protesi del ginocchio è fortunata a durare un quarto di quel tempo.


Un ginocchio potrebbe durare dai 60 agli 80 anni mentre uno artificiale potrebbe durare dai 15 ai 20 anni.
 

Gli ingegneri devono progettare i loro impianti per gestire un carico elevato. Durante le attività quotidiane, come camminare o saltare, una tipica struttura scheletrica potrebbe subire carichi che vanno da quattro a 20 volte il peso corporeo di una persona. Questi carichi possono essere sotto forma di:

  • Compressione
  • Torsione
  • Cesoia
  • Tensione

Come fa l'osso a resistere a queste forze? È grazie alla sua microstruttura composita. L'osso è costituito da fibre di collagene che sono irrigidite da un denso riempimento e minerali circostanti. Contiene inoltre:

  • Vasi sanguigni
  • Cellule viventi
  • Proteine
  • Acqua

Allo stesso modo, i compositi sono diventati una parte importante della progettazione e della selezione dei materiali. Tuttavia, il fatto che l'osso possa adattarsi e cambiare al suo ambiente è una caratteristica difficile da imitare per gli ingegneri. Di conseguenza, stanno utilizzando sia la selezione dei materiali che la progettazione per iterare i loro impianti fino a quando non soddisferanno le loro aspettative.
 

Gli ingegneri continuano la ricerca di sostituti del materiale osseo

Poiché gli ingegneri non sono in grado di replicare tutto ciò che un osso può fare, i loro dispositivi medici sono ottimizzati per casi d'uso specifici.

Ad esempio, quando un paziente ha bisogno di un innesto osseo, gli ingegneri si concentrano sulla corrispondenza della chimica e della microstruttura dell'osso rimanente. Una buona opzione qui è il fosfato di calcio perché stimola la crescita ossea, promuove la guarigione e aiuta l'integrazione dei materiali innestati.


Tessuto osseo
 

Le sostituzioni articolari hanno le loro sfide. In questo caso, gli ingegneri dovranno trovare un materiale che abbia le stesse prestazioni dell'osso circostante. Queste proprietà del materiale variano in base all'età, al sesso, al peso, allo stile di vita del paziente e altro ancora. Gli ingegneri dovranno inoltre garantire che il materiale abbia le giuste proprietà di resistenza alla corrosione e di biocompatibilità.

Utilizzando uno strumento di selezione dei materiali, gli ingegneri possono abbinare il materiale corretto a un paziente e alle sue condizioni mediche. In alternativa, gli ingegneri utilizzeranno un software di intelligenza dei materiali per aiutare a progettare nuovi materiali con prestazioni migliori rispetto a quelle attualmente sul mercato.

Per saperne di più, guarda il webinar: Material Intelligence: dalla selezione alla gestione.

Tutti i nomi di marchi, prodotti, servizi e caratteristiche, loghi e slogan di ANSYS, Inc., come Ansys e Ansys Granta, sono marchi o marchi registrati di ANSYS, Inc. o delle sue consociate negli Stati Uniti o in altri paesi.

Scopri cosa può fare Ansys per te

Contattaci subito

* = Campo obbligatorio

Grazie per averci contattato!

We’re here to answer your questions and look forward to speaking with you. A member of our Ansys sales team will contact you shortly.

Immagine del footer