Un estudio numérico de la degradación de la tenacidad a la fractura inducida por deshidratación en el hueso cortical humano

Se desarrolló un modelo de método de elementos finitos extendido (XFEM) en 2D para simular pruebas de tenacidad a la fractura por flexión en tres puntos para hueso humano realizadas en condiciones hidratadas y deshidratadas. Las microestructuras óseas y las trayectorias de las grietas observadas mediante imágenes de micro-CT se simularon utilizando un modelo de daño XFEM. Se dedujeron tensiones críticas de daño para los osteonas, la matriz y las líneas de cemento tanto en condiciones hidratadas como deshidratadas, y se encontró que la deshidratación disminuye las tensiones críticas de daño en aproximadamente un 50%. Se realizaron estudios paramétricos posteriores utilizando los diversos modelos microestructurales para entender el impacto de las variaciones individuales de tensiones críticas de daño en el comportamiento de la fractura. El estudio reveló el impacto significativo de las tensiones críticas de daño de la línea de cemento en las trayectorias de las grietas y la tenacidad a la fractura durante las primeras etapas del crecimiento de la grieta. Además, se encontró una sensibilidad significativa de la resistencia al crecimiento de las grietas y las trayectorias de las grietas en los valores de tensión crítica de las líneas de cemento en los entornos hidratados, donde un pequeño cambio en los valores de tensión crítica de las líneas de cemento puede alterar la trayectoria de la grieta para dar una reducción significativa en la resistencia a la fractura. En contraste, en el estado deshidratado donde la tenacidad es baja, la sensibilidad a los cambios en los valores de tensión crítica de las líneas de cemento es baja. En general, nuestro modelo XFEM pudo proporcionar nuevas ideas sobre cómo la deshidratación afecta los micromecanismos de fractura en el hueso y este enfoque podría ampliarse aún más para estudiar los efectos del envejecimiento, la enfermedad y las terapias médicas en las fracturas óseas.