Struktura kostiju je složena. Kosti se mogu promatrati kao specifičan materijal, točnije biološka struktura građena od koštanih mineralnih i kolagenih vlakana. Građa kosti određuje svojstva materijala te iste kosti. Biomehanika kosti ovisi o kvaliteti materijala, međutim ta svojstva materijala nisu ista tijekom života. Tijekom života mijenjaju se dva parametra: masa i struktura kostiju. Masa i struktura kostiju u srednjoj dobi ostaju manje – više postojana, ali se progresivno mijenjaju s godinama. Ova promjena svojstava značajno utječe na ponašanje kostiju prema vanjskim opterećenjima. Vanjska opterećenja su sile kojima se kost prilagođava. Naime, kost je prilagodljiva struktura unutar koje stanice tijekom godina osjećaju mehaničko opterećenje, a pod utjecajem tog opterećenja prilagođavaju koštanu masu i samu strukturu. Opisani proces naziva se mehanobiologija. U eksperimentalnim ispitivanjima ova prilagodba vanjskim utjecajima opisana je specifičnim materijalom i mehaničkim svojstvima kosti. Upravo su ta svojstva zaslužna za pojavu otpora na velike lokomotorne i mišićne sile bez pojave loma tijekom svakodnevnog kretanja, sportskih aktivnosti i slično. Razlika između materijalnih i mehaničkih svojstava je u tome što su mehanička svojstva također svojstva materijala, točnije materijalno svojstvo materijala je fizičko svojstvo materijala koje ne ovisi o količini materijala, već su to kvantitativna svojstva koja se mogu koristiti kao jedna varijabla u usporedbi s drugom. Svojstva materijala mogu biti akustična, mehanička, magnetska itd. Mehanička svojstva, kao vrsta svojstava materijala, su fizička svojstva koja određeni materijal pokazuje nakon primjene opterećenja (modul elastičnosti, vlačna čvrstoća, granica razvlačenja, granica loma itd. ) i često se koriste za opisivanje bioloških struktura kao što su kosti. To su svojstva koja uključuju standardne inženjerske parametre za mjerenje i matematičke jednadžbe koje opisuju fenomene nastale mjerenjem kako bi se bolje razumjelo korištenje čvrstih materijala. Za bolje razumijevanje funkcija kostiju dovoljni su samo neki mehanički parametri bez potrebe za matematičkom složenošću, što uvelike pojednostavljuje cjelokupni problem i područje vezano uz biomehaniku kosti. Na primjer, odnos naprezanje-deformacija koštanog materijala može se definirati poznatim Hookeovim zakonom, koji opisuje ovisnost promjene oblika materijala o vanjskom opterećenju.
Slika 1. Struktura duge kosti; bedrena kost (licenca Creative Commons)
Važnost biomehanike kostiju, osim same strukture, vezana je za proučavanje međustrukturnih položaja i kontakata pojedinih kostiju unutar lokomotornog sustava koji utječu na pravilno izvođenje pojedinog pokreta. Primjerice, kod korištenja zgloba koljena pri obavljanju svakodnevnih aktivnosti kontakt između bedrene i kosti goljenice čini površinu zglavca koja je dovoljno ravna i široka da prenese opterećenje uzrokovano određenom aktivnošću. To opterećenje se prenosi s bedrene na goljenične zglavce, naglašavajući da medijalni i lateralni zglavaca nisu jednako opterećeni tijekom određenog pokreta. Ovaj prijenos opterećenja predmet je biomehaničkih studija. Treba napomenuti da prijenos opterećenja ovisi o vrsti aktivnosti, bez obzira postoji li varus ili valgus deformacija donjih udova. Varus je pojam koji označava unutarnju rotaciju koljena, a valgus je pojam koji označava vanjsku rotaciju koljena, a pojmovi se najčešće povezuju s deformacijom koljena uz dva poznata oblika X-profil i O-profil koji se često viđaju kod profesionalnih nogometaša.
Izradila: Dr. sc. Petra Bonačić Bartolin, mag. ing. mechm
Reference:
[1] Petra Bonačić Bartolin, Numerical and experimental modeling of anterior cruciate ligament biomechanical implant support of knee joint, Doctoral thesis, 2021.
[2] A. Abdel-Wahab, S. Li, and V. V. Silberschmidt, ‘9 – Modelling fracture processes in bones’, in Computational Modelling of Biomechanics and Biotribology in the Musculoskeletal System, Z. Jin, Ed. Woodhead Publishing, 2014, pp. 268–302.
[3] T. Attia and T. L. Willett, ‘Chapter 11 – Tension and Compression Testing of Cortical Bone’, in Experimental Methods in Orthopaedic Biomechanics, R. Zdero, Ed. Academic Press, 2017, pp. 167–183.
[4] ‘Encyclopædia Britannica’, 26-Feb-2020. [Online]. Available: https://www.britannica.com/.