[논문 리뷰] Tensile material properties of human rib cortical bone under quasi-static and dynamic failure loading and influence of the bone microstucture on failure characteristics

Damien Subit, Eduardo del Pozo de Dios외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 01.

Automotive and Human Injury Biomechanics인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 약 0.07%/s의 정적( quasi-static) 및 약 170%/s의 동적( dynamic) 하중 조건에서 인간 갈비뼈 경화조직의 인장 특성을, 제약을 최소화하고 순수 인장 상태를 확보하기 위한 새로운 클램프 기법을 사용하여 특성화한다. 주요 발견은 비가소성 없이 등방성 탄성 거동를 보였지만, 미세구조적 비균질성으로 인해 파손이 일반적으로 시험 구역 외부에서 발생하여 균질성 가정이 도전받고 있으며, 흉부 유한요소모델링에서 미세구조 기반 모델이 필요함을 시사한다.

ABSTRACT

Finite element models of the thorax are under development to assist vehicle safety researchers with the design of countermeasures such as advanced restrain systems. Computational models have become more refined with increasing geometrical complexity as element size decreases. These finite element models can now capture small geometrical features with an attempt to predict fracture. However, the bone material properties currently available, and in particular the rate sensitivity, have been mainly determined from compression tests or tests on long bones. There is a need for a new set of material properties for the human rib cortical bone. With this objective, a new clamping technique was developed to test small bone coupons under tensile loading. Ten coupons were harvested from the cortical shell of the sixth and seventh left ribs from three cadavers. The coupons were tested to fracture under quasi-static (target strain rate of 0.07 %/s) and dynamic loading (target strain rate of 170 %/s). Prior to testing, each coupon was imaged with a computed micro-tomograph to document the bone microstructure. An optical method was used to determine the strain field in the coupon for the quasi-static tests. The rib bone coupons were found to be elastic, with brittle fracture. No plastic behavior was observed in this test series. The bone coupons were assumed isotropic, homogeneous and elastic linear, and the average Young's modulus for the quasi-static tests (13.5 GPa) and the failure stresses (quasi-static: 112 MPa, dynamic: 124.6 MPa) were in line with published data. Fracture however did not always occur in the gage area where the cross-sectional area was the smallest, which contradicted the assumption of isotropy and homogeneity. The comparison with material properties obtained for long bones suggests that the effective cross-section has an effect on the calculated material properties.

연구 동기 및 목표

• 인간 갈비뼈 경화조직의 정적 및 동적 하중 조건에서의 인장 재료 특성을 규명하는 것.
• 소형 뼈 쿠폰에 대해 제약을 최소화하고 순수 인장 하중을 보장하는 데 목적이 있는 새로운 클램프 기법을 개발하고 검증하는 것.
• 특히 다공성과 횡단면 변화를 포함한 뼈의 미세구조가 파손 특성과 파손 위치에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 유한요소모델에서 갈비뼈 경화조직에 대해 등방성과 균질성을 가정하는 것이 실제 기계적 거동을 정확히 반영하는지 평가하는 것.
• 자동차 안전 및 부상 예측을 위한 흉부의 계산 모델 향상에 기여하기 위해 정밀한 재료 특성 데이터를 제공하는 것.

제안 방법

• 3명의 인간 시신의 6번 및 7번 왼쪽 갈비뼈에서 10개의 경화조직 쿠폰을 수확하였다.
• 예비 하중 없이 축방향 인장 하중을 적용하고, 고정에 의한 응력 집중을 줄이기 위해 맞춤형 설계된 클램프 시스템을 사용하였다.
• 일반적인 시험기로 정적(0.07%/s) 및 동적(170%/s) 인장 시험을 수행하여 파손까지 진행하였다.
• 시험 이전에 각 쿠폰의 내부 미세구조를 촬영하기 위해 마이크로 컴퓨터 단층촬영(micro-CT)을 사용하였다.
• 정적 하중 조건에서의 전체 영역 변형률 분포를 측정하기 위해 광학 디지털 이미지 상관 분석(DIC)을 적용하였다.
• 쿠폰 길이에 따라 효과적 횡단면적을 마이크로-CT를 통해 분석하여 기하학적 및 미세구조적 영향이 명시적 재료 특성에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인간 갈비뼈 경화조직의 인장 재료 특성은 정적 하중 조건과 동적 하중 조건에서 어떻게 다를까?
• RQ2 다공성과 변동하는 경화조직 두께와 같은 미세구조적 비균질성이 파손 초기화 및 위치에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 갈비뼈 경화조직의 유한요소모델에서 등방성과 균질성을 가정하는 것이 실제로 기계적 거동을 정확히 반영하는가?
• RQ4 마이크로-CT에서 유도된 효과적 횡단면적과 측정된 재료 특성 및 파손 거동 간의 상관관계는 어떠한가?
• RQ5 다공성 및 트라베큘라 연결과 같은 미세구조적 특성이 국소 응력 집중을 유도하고 파손을 유도하는 데 기여하는가?

주요 결과

• 정적 및 동적 하중 조건 모두에서 뼈는 비가소성의 연성 없는 거동를 보였고, 가시적인 비탄성 변형은 관찰되지 않았다.
• 정적 하중 조건에서 평균 엘라스티시티 모odulus는 13.5 GPa였고, 동적 하중 조건에서도 13.5 GPa로 일관되게 나타났다. 이는 이전 연구 결과와 일치한다.
• 정적 하중 조건에서 파손 응력은 112 MPa였고, 동적 하중 조건에서는 124.6 MPa로 나타나 하중 속도에 따라 강도가 증가하는 경향을 보였다.
• 파손이 항상 시험 구역(최소 횡단면적)에서 발생하지 않아 등방성·균질성 가정에 도전하는 결과를 보였다.
• 마이크로-CT 촬영 결과 경화조직 셸의 다량의 다공성과 구조적 비균질성이 확인되었으며, 다공성과 두께 변화가 하중 전달에 영향을 미쳤다.
• 예측된(균질성 기반)과 관측된(비균질성 기반) 파손 위치 간의 괴리로 인해, 미세구조가 단순한 기하학적 요소를 초월해 파손 메커니즘에 중대한 영향을 미친다는 점이 확인되었다.