Algemene biomechanica
H1: biomechanica van botten en botweefsel
0. Inleiding
Doel vh skelet:
- Beschermen van inwendige organen
- Aanhechting van weke delen
- Verschaffen van kinematische schakels
- Bewegen mogelijk maken
Algemene eigenschappen:
- Verandering in botdichtheid (= botcellen per oppeenheid) ifv de belasting bv
osteoporose na inactiviteit
- Veranderingen in vorm ifv de belasting bv na fractuurgenezing
1. Botomvorming (Wet van Wolff)
Botomvorming/ botremodellering = eigenschap ve bot om zich aan te passen ad
mechanische eisen die eraan w gesteld door het veranderen van afmeting, vorm en
structuur.
- De belasting mag niet in een te korte tijd veel toenemen.
- De vorm ve bot w niet alleen door de funtie bep maar ook door erfelijke factoren.
- Het aanpassingsvermogen is niet overal ih skelet gelijk: plaatselijke aanleg vh bot
speelt rol.
- Het aanpassingsvermogen op een bep plaats op een bot is niet gelijk voor alle
belastingsverrichtingen.
- Bot past zich meer aan aan een veranderlijke belasting dan aan een constante
belasting.
Hoe?
- Bij belasting op buiging ontstaan er piëzo-elektrische eigenschappen vh bot. Ad
drukzijde ontstaat – elektrische spanning en ad trekzijde + elektrische spanning. Ad
drukzijde w osteoblasten aangetrokken welke botgroei induceren. Ad trekzijde
ontstaat botafbraak. Dit effect komt voor in droog bot en w toegeschreven a
collageen.
, - Botvorming leidt toto drukverschillen in botvloeistoffen. Vloeistof w gedwongen
door het bot te stromen via de wanden vd haverse kanalen. Dit ionentransport
veroorzaakt elektrische spanningen (=potentiaalverloop). Door samendrukking
ontstaat ad buitenkant – spanning, door uitrekking ontstaat + spanning. – elektrische
spanning stimuleert groei en + spanning botafbraak. Dit effect komt voor in levend
bot.
- Daar waar bot het zwaarst belast w ontstaan microscopische scheurtjes.
Beschadiging induceert botgroeistimulatie. = repetitief proces.
- Druk op de groeischijf stimuleert botgroei. Bij buigbelasting ontstaat ad drukzijde
meer bot dan ad trekzijde. Bot groeit id richting waar de buigende kracht vandaan
komt. Buiging verminderd de doorbloeding met als gevolg verlaagde
zuurstofspanning, welke botgroei kan stimuleren.
Het vervormingstempo is een belangrijke stimulus voor botgroei eerder dan de grootte vd
vervorming.
Invloed van elektrische spanning op botstofwisseling?
Neg elektrische spanning veroorzaakt lagere zuurstofspanning wrdoor hogere PH optreedt.
Dit stimuleert botgroei. Neg elektrische spanning trekt ook osteoblasten aan.
Klinisch belang: therapie met elektromagnetische golven: rond de breuk w een – lading
gevormd. Drdoor w een – spanningsveld geinduceerd, wrdoor snellere genezing zou
optreden.
Langdurige belastingsvermindering veroorzaakt:
- Vermindering vd calciumhydroxyapatiet id spongiosa en id compacta.
- Daarna vermindering vd botmatrix
Massadichtheid vd spongiosa is vnl afh vd schuifspanningen.
2. Mechanische eigenschappen van normale botten en van botweefsel
Mechanische eigenschappen van bot: STERKTE en STIJFHEID
Belasting geeft vervorming en spanning
➔ Belastings-vervormingskromme:
- Punt A: geen belasting en geen vervorming
- Belasting binnen het elastische gebied en drna wegnemen: structuur neemt opnieuw
oorsp lengte aan en dus geen blijvende vervorming (terug nr intiële vertrekpunt A)
2
, - Als belasting toeneemt komt er een punt waarop de materiaalvezels gaan vloeien.
B = vloeigrens.
- Wnr belasting voorbij dit punt toeneemt en ih niet-elastische gebied (het plastische
gebied) vd kromme komt te liggen zal blijvende vervorming optreden (naar punt D’)
- Wnr belasting in dit niet-elastische gebied voortgaat, w een punt bereikt waar de
structuur breekt. Weefsel gaat over de mechanische grens. C = breekpunt
- Integraal vd opp onder curve zegt iets over energie die je hebt in het botweefsel.
Sterkte vd structuur:
- De belasting die de structuur kan verdragen voordat deze bezwijkt
- De vervorming die mag plaatsgrijpen tot het punt van bezwijken
- De energie die kan w opgenomen voordat een breuk optreedt
De belastings-vervormingscurve heeft nut voor het bep vd sterkte en stijfheid van
structuren die versch in afmeting, vorm en materiaalsamenstelling.
De sterkte in termen van energieopname w aangeduid door de grootte vh opp onder de
kromme. De sterkte is dus de energie die w opgeslaan ih materiaal.
De belastbaarheid in termen van belasting en vervorming w aangeduid door het
breekpunt.
De stijfheid vd structuur blijkt uit de helling vd kromme ih elastische gebied.
Spanningsrekkromme = belastings-vervormingscurve
De spanning in een bep punt is de belasting in dat punt per opp-eenheid die zich ontwikkelt
op een plat vlak binnen een structuur als reactie op een belasting van buitenuit, dwz de
kracht per opp-eenheid (N/cm2 = MPa). Ongeacht de opp of doorsnede kunnen we
botstructuren vgl omdat we ze uitdrukken per opp-eenheid -> normaliseren.
Rek is de vervorming op een belaste plaats, zowel compressie als tractie. De mate van
vervorming per lengteenheid. Er treedt lengteverandering of een afschuiving op. Rek is de
mate van vervorming (verlenging of verkorting) gedeeld door de oorsp lengte vd structuur.
Het is een dimensieloze grootheid. Je kan dus een lang bot vgl met een kort bot want de
afmetingen spelen geen rol meer want we berekenen per lengte-eenheid. Afschuiving =
hoekvervorming is de mate van hoekverandering in een structuur, uitg in de radiaal.
3
, Spanningsrekkromme van 3 materialen:
Het elastische gebied vd kromme is voor bot enigszins
gebogen, wat aangeeft dat het bot zich niet-lineair
elastisch gedraagt.
Zacht metaal: lang gerekt, plastisch gebied, elastisch
gedrag is lineair
Glas: geen plastisch gebied
Metaal heeft de steilste helling en heeft het stijfste
materiaal
Einde vd curve = breekpunt
De stijfheidswaarde w verkregen door de spanning in welk punt dan ook ih elastische
gebied vd kromme te delen door de rek in dat punt. = elasticiteitsmodulus van Young
Hoe stijver het materiaal, hoe hoger de modulus -> metaal > glas > bot
Verschil in niet-elastisch gedrag van twee materialen:
Toe te schrijven aan verschillen die zich voordoen op micromechanisch vlak tijdens het
vloeien. Vloeien vh bot bij rekproeven w veroorzaakt door loslating van osteonen en het
ontstaan van microfractuurtjes. Het vloeien van metaal bij rekproeven w veroorzaakt door
het optreden van afschuiving doordat atomen van hun plaats geraken. Glas vervormt
weinig voordat het breekt en heeft dus geen niet-elastisch (plastisch) gebied id
spanningsrekkromme. Zacht metaal vervormt aanzienlijk voordat het breekt en heeft een
langgerekt niet-elastisch gebied.
Een bros materiaal vervormt weinig vooraleer het breekt en heeft bijgevolg een invloed op
het breukvlak bv glas heeft geen plastisch gebied.
Een taai materiaal vervormt aanzienlijk voordat het breekt hetgeen een breukvlak geeft dat
na reconstructie niet meer de oorsp vorm geeft bv metaal heeft een lang plastisch gebied.
Poreusheid: w bep door het volume bot dat bestaat uit niet gemineraliseerd weefsel uitged
in %. Corticaal bot: 5% - 30%. Spongieus bot: 30%-90% -> grote heterogeniteit afh van
botbelasting
4
H1: biomechanica van botten en botweefsel
0. Inleiding
Doel vh skelet:
- Beschermen van inwendige organen
- Aanhechting van weke delen
- Verschaffen van kinematische schakels
- Bewegen mogelijk maken
Algemene eigenschappen:
- Verandering in botdichtheid (= botcellen per oppeenheid) ifv de belasting bv
osteoporose na inactiviteit
- Veranderingen in vorm ifv de belasting bv na fractuurgenezing
1. Botomvorming (Wet van Wolff)
Botomvorming/ botremodellering = eigenschap ve bot om zich aan te passen ad
mechanische eisen die eraan w gesteld door het veranderen van afmeting, vorm en
structuur.
- De belasting mag niet in een te korte tijd veel toenemen.
- De vorm ve bot w niet alleen door de funtie bep maar ook door erfelijke factoren.
- Het aanpassingsvermogen is niet overal ih skelet gelijk: plaatselijke aanleg vh bot
speelt rol.
- Het aanpassingsvermogen op een bep plaats op een bot is niet gelijk voor alle
belastingsverrichtingen.
- Bot past zich meer aan aan een veranderlijke belasting dan aan een constante
belasting.
Hoe?
- Bij belasting op buiging ontstaan er piëzo-elektrische eigenschappen vh bot. Ad
drukzijde ontstaat – elektrische spanning en ad trekzijde + elektrische spanning. Ad
drukzijde w osteoblasten aangetrokken welke botgroei induceren. Ad trekzijde
ontstaat botafbraak. Dit effect komt voor in droog bot en w toegeschreven a
collageen.
, - Botvorming leidt toto drukverschillen in botvloeistoffen. Vloeistof w gedwongen
door het bot te stromen via de wanden vd haverse kanalen. Dit ionentransport
veroorzaakt elektrische spanningen (=potentiaalverloop). Door samendrukking
ontstaat ad buitenkant – spanning, door uitrekking ontstaat + spanning. – elektrische
spanning stimuleert groei en + spanning botafbraak. Dit effect komt voor in levend
bot.
- Daar waar bot het zwaarst belast w ontstaan microscopische scheurtjes.
Beschadiging induceert botgroeistimulatie. = repetitief proces.
- Druk op de groeischijf stimuleert botgroei. Bij buigbelasting ontstaat ad drukzijde
meer bot dan ad trekzijde. Bot groeit id richting waar de buigende kracht vandaan
komt. Buiging verminderd de doorbloeding met als gevolg verlaagde
zuurstofspanning, welke botgroei kan stimuleren.
Het vervormingstempo is een belangrijke stimulus voor botgroei eerder dan de grootte vd
vervorming.
Invloed van elektrische spanning op botstofwisseling?
Neg elektrische spanning veroorzaakt lagere zuurstofspanning wrdoor hogere PH optreedt.
Dit stimuleert botgroei. Neg elektrische spanning trekt ook osteoblasten aan.
Klinisch belang: therapie met elektromagnetische golven: rond de breuk w een – lading
gevormd. Drdoor w een – spanningsveld geinduceerd, wrdoor snellere genezing zou
optreden.
Langdurige belastingsvermindering veroorzaakt:
- Vermindering vd calciumhydroxyapatiet id spongiosa en id compacta.
- Daarna vermindering vd botmatrix
Massadichtheid vd spongiosa is vnl afh vd schuifspanningen.
2. Mechanische eigenschappen van normale botten en van botweefsel
Mechanische eigenschappen van bot: STERKTE en STIJFHEID
Belasting geeft vervorming en spanning
➔ Belastings-vervormingskromme:
- Punt A: geen belasting en geen vervorming
- Belasting binnen het elastische gebied en drna wegnemen: structuur neemt opnieuw
oorsp lengte aan en dus geen blijvende vervorming (terug nr intiële vertrekpunt A)
2
, - Als belasting toeneemt komt er een punt waarop de materiaalvezels gaan vloeien.
B = vloeigrens.
- Wnr belasting voorbij dit punt toeneemt en ih niet-elastische gebied (het plastische
gebied) vd kromme komt te liggen zal blijvende vervorming optreden (naar punt D’)
- Wnr belasting in dit niet-elastische gebied voortgaat, w een punt bereikt waar de
structuur breekt. Weefsel gaat over de mechanische grens. C = breekpunt
- Integraal vd opp onder curve zegt iets over energie die je hebt in het botweefsel.
Sterkte vd structuur:
- De belasting die de structuur kan verdragen voordat deze bezwijkt
- De vervorming die mag plaatsgrijpen tot het punt van bezwijken
- De energie die kan w opgenomen voordat een breuk optreedt
De belastings-vervormingscurve heeft nut voor het bep vd sterkte en stijfheid van
structuren die versch in afmeting, vorm en materiaalsamenstelling.
De sterkte in termen van energieopname w aangeduid door de grootte vh opp onder de
kromme. De sterkte is dus de energie die w opgeslaan ih materiaal.
De belastbaarheid in termen van belasting en vervorming w aangeduid door het
breekpunt.
De stijfheid vd structuur blijkt uit de helling vd kromme ih elastische gebied.
Spanningsrekkromme = belastings-vervormingscurve
De spanning in een bep punt is de belasting in dat punt per opp-eenheid die zich ontwikkelt
op een plat vlak binnen een structuur als reactie op een belasting van buitenuit, dwz de
kracht per opp-eenheid (N/cm2 = MPa). Ongeacht de opp of doorsnede kunnen we
botstructuren vgl omdat we ze uitdrukken per opp-eenheid -> normaliseren.
Rek is de vervorming op een belaste plaats, zowel compressie als tractie. De mate van
vervorming per lengteenheid. Er treedt lengteverandering of een afschuiving op. Rek is de
mate van vervorming (verlenging of verkorting) gedeeld door de oorsp lengte vd structuur.
Het is een dimensieloze grootheid. Je kan dus een lang bot vgl met een kort bot want de
afmetingen spelen geen rol meer want we berekenen per lengte-eenheid. Afschuiving =
hoekvervorming is de mate van hoekverandering in een structuur, uitg in de radiaal.
3
, Spanningsrekkromme van 3 materialen:
Het elastische gebied vd kromme is voor bot enigszins
gebogen, wat aangeeft dat het bot zich niet-lineair
elastisch gedraagt.
Zacht metaal: lang gerekt, plastisch gebied, elastisch
gedrag is lineair
Glas: geen plastisch gebied
Metaal heeft de steilste helling en heeft het stijfste
materiaal
Einde vd curve = breekpunt
De stijfheidswaarde w verkregen door de spanning in welk punt dan ook ih elastische
gebied vd kromme te delen door de rek in dat punt. = elasticiteitsmodulus van Young
Hoe stijver het materiaal, hoe hoger de modulus -> metaal > glas > bot
Verschil in niet-elastisch gedrag van twee materialen:
Toe te schrijven aan verschillen die zich voordoen op micromechanisch vlak tijdens het
vloeien. Vloeien vh bot bij rekproeven w veroorzaakt door loslating van osteonen en het
ontstaan van microfractuurtjes. Het vloeien van metaal bij rekproeven w veroorzaakt door
het optreden van afschuiving doordat atomen van hun plaats geraken. Glas vervormt
weinig voordat het breekt en heeft dus geen niet-elastisch (plastisch) gebied id
spanningsrekkromme. Zacht metaal vervormt aanzienlijk voordat het breekt en heeft een
langgerekt niet-elastisch gebied.
Een bros materiaal vervormt weinig vooraleer het breekt en heeft bijgevolg een invloed op
het breukvlak bv glas heeft geen plastisch gebied.
Een taai materiaal vervormt aanzienlijk voordat het breekt hetgeen een breukvlak geeft dat
na reconstructie niet meer de oorsp vorm geeft bv metaal heeft een lang plastisch gebied.
Poreusheid: w bep door het volume bot dat bestaat uit niet gemineraliseerd weefsel uitged
in %. Corticaal bot: 5% - 30%. Spongieus bot: 30%-90% -> grote heterogeniteit afh van
botbelasting
4
