جلسه دفاع پایان نامه کارشناسی ارشد (آقای مجتبی عبدالخانی)
موضوع: مدل‌سازی شکست به روش میدان فاز در بافت استخوانی کورتیکال انسان
ارائه دهنده: مجتبی عبدالخانی
استادان راهنما: دکتر مصطفی جمشیدیان
استادان مشاور: دکتر محمد سیلانی
استادان داور: دکتر مهدی جوانبخت، دکتر محمد مشایخی
چکیده:
بافت استخوانی کورتیکال از واحدهای استوانه‌ای شکل به نام استئون تشکیل شده‌اند که وظیفه مقاومت در برابر شکستگی و انتقال بار اعمالی بدون ایجاد تغییر شکل را دارند. این بافت متراکم در ساختار سلسله مراتبی استخوان قرار گرفته است. وجود تنوع ساختاری به اسکلت اجازه می‌دهد تا خطر شکستگی را به‌وسیله کاهش یا توقف سرعت انتشار ترک کاهش دهد. در مقیاس ریزساختار، مکانیسم‌های سفت کننده بالقوه زمانی اتفاق می‌افتند که ترک‌ها با اجزای سازنده ریزساختار استخوانی در تعامل باشند و ریزترک‌ها به‌راحتی در امتداد رابط‌های ضعیف یا به‌اصطلاح خطوط سیمانی ایجاد می‌شوند. با افزایش سن، خواص شکست بافت استخوانی کورتیکال تغییر می‌کند و بافت استخوان ممکن است شکننده‌تر و مستعد شکستگی شود. بااین‌حال، رابطه بین کاهش مقاومت به شکستگی و تغییرات وابسته به افزایش سن و بیماری‌های استخوانی در ساختار و ترکیب استخوان کورتیکال به‌درستی کشف نشده است. درنتیجه، مطالعه و شناسایی افراد مستعد پوکی استخوان و شکستگی حیاتی است. هدف این پایان‌نامه درک چگونگی تأثیر ریزساختار بر انتشار ترک در بافت استخوانی کورتیکال است. تکنیک‌های عددی برای بررسی تأثیر خواص مکانیکی و ویژگی‌های مورفولوژیکی ریزساختار بر شکستگی استخوان کورتیکال استفاده شدند. مدل شکست میدان فاز با استفاده از سابروتین تعریف‌شده توسط کاربر (UMAT) در نرم‌افزار تجاری Abaqus به دلیل توانایی آن در شناسایی مسیرهای پیچیده ترک، به هم پیوستن و انشعاب ترک‌ها برای شبیه‌سازی پیدایش و انتشار ترک‌ها از طریق بافت بینابینی و استئون‌ها پیاده‌سازی شد. از سوی دیگر، توانایی مدل ناحیه چسبیده مبتنی بر سطح (CZM) و مدل میدان فاز برای مدل‌سازی مشاهدات تجربی گسیختگی پیوند بین بافت بینابینی و استئون‌ها مقایسه شدند. چارچوب مدل‌سازی محاسباتی توسعه داده‌شده بر اساس تصاویر میکروسکوپی برای حجمک نماینده (RVE) شامل بافت بینابینی، استئون‌ها و خطوط سیمانی برای انجام مطالعه پارامتری با هدف شناسایی ویژگی‌های مهم خواص مواد به کار گرفته شد. علاوه بر این، به‌منظور مطالعه تأثیر افزایش سن و درنتیجه افزایش تخلخل بر پاسخ شکست بافت استخوانی کورتیکال، چندین نمونه حجمک نماینده با درصد تخلخل مختلف مدل‌سازی شدند. نتایج حاصله نشان می‌دهند که برخلاف مدل‌های محاسباتی پیشین که قادر به مدل‌سازی انحراف ترک در مواجهه با خطوط سیمانی و یا نفوذ ترک به استئون‌ها نیستند، مدل میدان فاز به‌خوبی توانایی مدل‌سازی الگوهای پیچیده ترک در هندسه‌های دو‌بعدی و سه‌بعدی را داراست. به‌عنوان‌مثال، عدم تطابق در خواص شکست (نرخ آزادسازی انرژی بحرانی) بین ماتریس بینابینی و استئون‌ها می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر رفتار پس از تسلیم و انحراف مسیر رشد ترک داشته باشد. از سوی دیگر، همان‌گونه که داده‌های تجربی گزارش‌شده برای استخوان کورتیکال نشان داده‌اند، افزایش تخلخل در پژوهش فعلی منجر به کاهش انرژی کرنشی کل و حداکثر بار قابل‌تحمل قبل از شکست می‌شود. همچنین، کاهش استحکام و نرخ آزادسازی انرژی بحرانی رابط‌های خطوط سیمانی منجر به انحراف ترک توسط این رابط‌ها می‌شود. شایان‌ذکر است که مدل‌سازی خطوط سیمانی به‌وسیله سطوح ناحیه چسبیده قادر به شبیه‌سازی مکانیزم جذب ترک توسط کانال‌های هاورسیان نیست و درنتیجه، باعث ایجاد محدودیت در بررسی تأثیر خواص استئون‌ها و افزایش تخلخل بر پاسخ شکست می‌شود. به‌طورکلی، پژوهش فعلی نقش کلیدی تخلخل و ناهمسانگردی مواد اجزای ریزساختار را در شکنندگی بافت استخوانی کورتیکال نشان می‌دهد و بر ضرورت استفاده هم‌زمان از تکنیک‌های تجربی و عددی برای مطالعه آسیب موضعی تأکید می‌کند. مدل‌سازی محاسباتی می‌تواند به‌عنوان روشی مکمل برای تکنیک‌های تجربی در شناسایی و تشخیص اثرات مکانیسم‌های آسیب مختلف بر روی استخوان کورتیکال به کار گرفته شود.