Modelo constitutivo para tejido óseo humano : propiedades mecánicas del hueso cortical de costilla

Abstract

This dissertation deals with obtaining the mechanical properties of the cortical bone of the human ribs. One hundred one samples from 76 donors were tested for this study. The number of tested samples significantly outnumbers the usual number of samples in most studies of this type. A useful system has been designed and implemented for measuring the mechanical properties from tensile tests. The tested specimens were obtained from the micro-samples of cortical bone. The proposed relations for the characteristic values of the mechanical behavior involve anthropometric variables, such as the age, the gender of the donor and the fractal dimension of the cross section of the tested specimen. Probability distributions were calculated from the results of the tests and expressions for the mean values and the deviations of the parameters (such as ultimate stress, maximum strain, modulus of linear elasticity, toughness, or yielding stress) were proposed. The methodology and the obtained results are consistent with the literature. Furthermore, a novel methodology for obtaining the mechanical parameters of the cortical bone of human ribs, without using destructive testing, was established. The thesis has direct application in several areas: firstly, it gives new tools in the areas of simulation of the mechanical behavior of human rib and, secondly, it is useful for the design of vehicle restraint systems which act primarily on the costal arch.

La tesis doctoral versa sobre la obtención de las propiedades mecánicas del hueso cortical de costilla humana. Se han ensayado 101 muestras provenientes de 76 donantes, número notablemente mayor al habitual en este tipo de trabajos de investigación. Se han diseñado los útiles e implementado un sistema de medida para, a partir de ensayos de tracción, obtener las propiedades mecánicas en micro-probetas extraídas del hueso cortical. En la tesis se proponen relaciones para los valores característicos del comportamiento mecánico basados en variables no invasivas, como son la edad, el sexo del donante y la dimensión fractal de la sección de la probeta ensayada. A partir de resultados obtenidos en los ensayos se han calculado las distribuciones de probabilidad de los mismos, proponiendo expresiones de valores medios y desviaciones para parámetros como la tensión última, la deformación máxima, el módulo de elasticidad lineal, la tenacidad, o la tensión del límite elástico. Tanto el trabajo realizado como los resultados que se derivan son coherentes con la literatura científica existente. Además se propone una metodología novedosa para la obtención de los parámetros mecánicos característicos del hueso cortical de costilla humana sin tener que realizar ensayos destructivos. La tesis tiene una aplicación directa en varios ámbitos: por un lado, dota de nuevas herramientas en los ámbitos de la simulación del comportamiento mecánico de la costilla humana así como es de utilidad para el diseño de sistemas de retención de vehículos que actúan fundamentalmente sobre el arco costal.