Gerinim hızının kortikal kemiğin mekanik özellikleri üzerindeki etkisinin incelenmesi
Investigation of effect of strain-rate on the mechanical properties of cortical bone
Yazar: KENAN TÜFEKCİ
Danışman: PROF. DR. CAHİT KURBANOĞLU ; YRD. DOÇ. DR. RAMAZAN KAYACAN
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Bölümü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Quasi-statik ve dinamik olmak üzere mekanik malzeme deneyleri içeren iki kısımdan oluşan bu tezde kemiğin mukavemetinde rol oynayan iki önemli etken çalışılmıştır: gerinim (şekil değiştirme oranı) hızının kortikal kemiğin mekanik özelliklerine etkisi ve gama radyasyonu ile sterilizasyonun kortikal allograft kemiğin mekanik özelliklerine etkisi.Kemik mukavemetinin gerinim (şekil değiştirme oranı) hızına bağlı olarak değiştiği bilinmektedir. Fizyolojik yükleme aralığında yer alan herhangi bir yükleme hızının rijitlik, akma gerilmesi, maksimum gerilme ve tokluk gibi malzeme özellikleri üzerindeki etkisi önemli oranlarda olmasa da gerinim hızının çok yüksek olduğu darbe durumlarında malzemenin mukavemeti ve rijitliğinde önemli oranlarda artış meydana gelebilmektedir. Bu çalışmanın birinci kısmında, yüksek gerinim hızının kortikal kemiğin mekanik özelliklerine etkisi deneysel olarak incelenmiştir. Bu amaçla, atın ayak kemiklerinden hazırlanan numunelerin Ayrık Hopkinson Basınç Çubuğu (SHPB) deney sistemi kullanılarak dinamik basma deneyleri gerçekleştirilmiş ve numunelerin yüksek gerinme hızlarında gösterdikleri gerilme-gerinme davranışları benzer numuneler kullanılarak gerçekleştirilen quasi-statik basma ve çekme deneylerinden elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Yüksek gerinme hızında SHPB deney sistemi kullanılarak basma deneyi uygulanmış numunelerin maksimum gerilme ve elastisite modülü değerlerinde statik olarak yüklenmiş numunelerden elde edilen değerlere kıyasla büyük oranda artış meydana gelmiştir. Buna rağmen SHPB deneylerinde maksimum gerilme noktasına ulaşılır ulaşılmaz numunede ani hasar oluşmuş ve yük taşıma kapasitesini tamamen kaybetmiştir. Ayrıca gerilme maksimum değerine ulaştığında hızlı bir şekilde sıfıra düşmüştür. Quasi-statik olarak yüklenmiş numunelerde ise maksimum gerilmeye ulaşıldıktan sonra yükte bir miktar düşüş meydana gelmekte ve sonra uzun denilecek bir miktarda yükün yatay devamı söz konusudur.Kemik naklinde kullanılacak allograft kemiklerin viral ve bakteriyel bulaşmaya yol açmaması için gama radyasyonu ile sterilizasyon işlemine tabi tutulması yaygın olarak kullanılan yöntemlerden biridir. Buna rağmen gama radyasyonu ile sterilizasyon işlemi kemiğin malzeme özelliklerinde de istenmeyen düşüşlere yol açabilmekte ve bu düşüşler allograft kemiklerin yük taşıma görevlerinden dolayı klinik uygulamaların ana sorunlarından biri olmaktadır. Bu çalışmanın ikinci kısmında gama radyasyonu ile sterilizasyon işleminin kortikal allograft kemiğin mekanik özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Bunun için iki deney gurubu oluşturulmuştur : sterilize edilmemiş (kontrol) numuneler gurubu ve gama radyasyon ile sterilize edilmiş numuneler gurubu. Sterilizasyon işlemi 30 kGy dozunda yapılmıştır. Quasi-statik deneyler sonucunda sterilize edilmiş numunelerin akma gerilmesi, maksimum gerilme, maksimum gerinme ve tokluk değerlerinde önemli oranlarda düşüş görülmüştür. Buna rağmen elastisite modülü gibi akma öncesi özelliklerinde kayda değer değişme görülmemiştir. Dinamik SHPB basma deneyleri sonucunda ise elastisite modülü ve maksimum gerilme değerlerinde artış meydana geldiği görülmüş, buna rağmen maksimum gerinme değerinde değişme görülmemiştir.Elde edilen mekanik özellikler açısından bütün deney gurupları arasındaki istatistiksel karşılaştırmalar Mann-Whitney testi ile yapılmış ve anlamlı farklılık için P<0.05 seçilmiştir.

Abstract:
A two-part investigation has been conducted in this study: the effect of strain rate on the mechanical properties of cortical bone and the effect of sterilization by gamma radiation on the mechanical properties of cortical bone allografts.The strength of bone is known to be dependent on the rate of loading. Over a range of loading rates consistent with normal physiological loads, the effects of loading rate on mechanical properties such as stiffness, yield strength, ultimate stress and toughness, vary modestly with rate. However, in impact loading situations, strength and stiffness can increase considerably. The present study was undertaken to examine the effect of high strain rate on the mechanical properties of equine cortical bone by examining the compressive stress-strain behavior of cortical bone under high speed loading using a Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) and comparing that behavior to similar samples loaded in quasi-static compression and tension. Mechanical tests have shown that samples loaded at high speeds using SHPB demonstrated greatly increased compressive mechanical properties compared to statically loaded samples, but failed with extreme abruptness, developing almost complete loss of load carrying capability once ultimate stress was reached. Moreover, under dynamic loading conditions, the stress after reaching its maximum value, drops rapidly to zero. This is in contrast to the quasi-statically loaded samples, which typically displayed a relatively long plateau following the initial drop after reaching the maximum stress.Gamma radiation has been widely used for sterilization of bone allografts due to its efficacy to avoid viral and bacterial disease contamination. However, gamma radiation sterilization impairs the material properties of bone which is a major clinical concern since bone grafts are used in load bearing applications. The effect of gamma radiation on the quasi-static and dynamic mechanical properties of cortical bone was also accessed in this study. The cortical bone samples were divided into two groups: an untreated control specimens and specimens subjected to gamma radiation sterilization. A dose of 30 kGy was used to sterilize the bone samples. Quasi-static mechanical tests have shown that gamma-irradiated cortical bone has decreased yield stress, ultimate stress, maximum strain and toughness. However, the pre-yield properties, specifically the elastic modulus, were unchanged. High-speed compression tests have shown that gamma-irradiated cortical bone has increased elastic modulus and ultimate stress. However, the ultimate strain was unchanged.Differences among the mean values of the mechanical properties for all testing groups were determined by the Mann?Whitney test at a significance level of P<0.05.