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Ansys 블로그

March 3, 2020

더욱 향상된 임플란트 설계: 강철보다 뼈 소재가 단단할까?

저는 자연이 세계에서 가장 오래되고 최고의 기술자라고 주장할 수 있습니다. 수천 년에 걸쳐, 우리의 디자인을 반복하고, 우리의 구성 요소들을 완벽하게 만들어서 더 가볍고, 더 강하고, 고도로 최적화하게 되었습니다.

결과적으로, 엔지니어는 생체 모방 과학을 통해 자연의 예를 배우기 시작했습니다..

그러나

의 뼈가 우리가 일상적인 제품을 디자인하는 데 사용하는 재료들을 능가하지는 않을 것이라고 생각하는 사람들이 있을 것이다. 다음 질문을 할 수 있습니다.

강철보다 뼈가 단단할까?

뼈가 콘크리트보다 단단합니까?

음, 경우에 따라 다를 것입니다.


네이처는 수천 년 동안 뼈 구조를 최적화하고 있습니다.

뼈는 일반적으로 콘크리트와 비슷한 탄성 계수를 갖고 있지만, 압축 시에는 10배의 탄성률을 가지고 있습니다.

스테인레스 스틸과 비교할 경우, 뼈는 유사한 압축 강도를 가지고 있지만 세 배 더 가볍습니다.

따라서

엔지니어들이 개입해야 할 정도로 뼈가 손상되었을 때 어떤 일이 일어날까요? 자연의 천재성은 우리가 그 작업을 대체하려고 할 때 더욱 분명하다는 것이 밝혀졌습니다.
 

왜 뼈의 무물성이 강력할까요?

임플란트는 많은 사람들에게 필수적인 것이지만 시간이 지나면서 그들의 성능은 평균적인 뼈의 수명과 비교할 수 없을 정도입니다. 예를 들어, 무릎 관절이 마모되기까지 60~80년이 걸릴 수 있습니다. 그러나, 무릎을 교체하면 해당 시간의 4분의 1 밖에 유지할 수 없습니다.


일반적인 무릎은 60~80년동안 지속될 수 있고 인공적인 무릎은 15~20년정도 지속될 수 있습니다.

엔지니어는 대형 로드를 처리하기 위해 임플란트를 설계해야 합니다. 걷기 또는 뛰기와 같은 일상적인 활동 중에 일반적인 스켈레톤 프레임워크는 사용자의 체중의 4~20배에 해당하는 로드를 경험할 수 있습니다. 이러한 로드의 형식은

입니다.
  • Compression
  • Torsion
  • 전단
  • Tension

뼈가 이러한 힘을 어떻게 유지할까요? 바로 합성 미세구조 때문입니다. 뼈는 고밀도의 충전재 및 주변 광물에 의해 보강된 콜라겐 섬유로 구성됩니다. 또한 이것을 포함합니다.

  • 혈관
  • 살아있는 셀
  • 단백질

마찬가지로, 구성요소는 재료 디자인 및 선택의 중요한 부분이 되었습니다. 하지만, 뼈가 환경에 적응하고 변화할 수 있다는 사실은 엔지니어들이 모방하기에는 어려운 특성입니다. 결과적으로, 이들은 물질 선택과 디자인을 사용하여 예상을 충족할 때까지 임플란트를 반복합니다.
 

엔지니어들은 이러한 뼈를 대체할 물질을 계속 찾고 있습니다.

엔지니어는 뼈의 모든 것을 복제할 수 없기 때문에, 의료 장치 설계는 특정 활용 케이스에 최적화되어 있습니다.

예를 들어, 환자가 뼈 이식이 필요한 경우, 엔지니어는 나머지 뼈의 화학 및 미세구조를 일치시키는 데 중점을 둡니다. 여기서 좋은 옵션은 인산칼슘입니다. 이는 뼈 성장을 자극하고 치유를 촉진하며 그래프팅된 물질의 통합을 돕기 때문입니다.


뼈 조직

관절의 대체재는 고유한 문제점을 가지고 있습니다. 이러한 경우 엔지니어들은 주변 뼈의 성능과 일치하는 재료를 찾아야 합니다. 이러한 물질적 특성은 환자의 연령, 성별, 체중, 생활방식 등에 따라 달라질 것입니다. 또한, 엔지니어들은 이러한 재료에 올바른 내식성 및 생체적합성 특성이 있는지 확인해야 합니다.

자재 선택 도구를 사용하여 엔지니어는 적절한 자재를 환자 및 해당 의료 상태와 일치시킬 수 있습니다. 대신, 엔지니어들은 재료 정보 소프트웨어를 사용하여 현재 시장에 있는 것보다 더 나은 성능을 발휘할 수 있도록 새로운 재료를 설계하는 데 집중할 수 있을 것입니다.

자세한 정보는 웨비나를 통해 확인하세요. 재료 정보: 선택에서 관리까지 .

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