Техническая кость что это

Техническая кость что это

Дата введения 1989-01-01

1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Государственным агропромышленным комитетом СССР

М.Л.Файвишевский, канд. техн. наук; Т.Н.Лисина; Л.И.Изотова, канд. техн. наук

2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 09.02.88 N 217

3. ВЗАМЕН ГОСТ 16147-70, ОСТ 4979-75

4. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ

Обозначение НТД, на который дана ссылка

3.1.1; 3.1.2; 3.4.1; 3.4.2; 3.5.1; 3.5.2; 3.6.1; 3.6.2

5. Ограничение срока действия снято по протоколу N 3-93 Межгосударственного Совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 5-6-93)

6. ИЗДАНИЕ (ноябрь 2001 г.) с Изменением N 1, утвержденным в декабре 1990 г. (ИУС 3-91)

Настоящий стандарт распространяется на кость всех видов скота, допущенную ветеринарно-санитарным надзором для использования на пищевые цели, кормления пушных зверей, производства кормовой муки, товаров народного потребления, в клеежелатиновой и химической промышленности.

1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

1.1. Кость должна соответствовать требованиям настоящего стандарта и технологическим инструкциям с соблюдением санитарных правил для предприятий мясной промышленности, утвержденных в установленном порядке.

1.2. В зависимости от вида скота кость подразделяют на:

— кость крупного рогатого скота;

— кость мелкого рогатого скота;

— кость прочих видов убойного скота.

1.3. По способу обработки и получению кость подразделяют на две категории:

1.4. По производственному назначению кость подразделяют для:

— пищевых целей (пищевого жира, бульона, мясной массы, суповой кости, мясо-костных полуфабрикатов);

— производства фотографического желатина;

— производства кормовой муки;

— производства товаров народного потребления (поделочная кость);

— кормления пушных зверей.

1.5. Для пищевых целей предназначена кость I категории от всех видов скота, кроме нижней челюсти крупного рогатого скота.

1.5.1. Для производства суповой кости предназначена кость I категории:

— крупного рогатого скота (позвонки, грудная, крестцовая, кулаки, ребра);

— свиней и мелкого рогатого скота (позвонки, грудная, крестцовая, тазовая, трубчатые неопиленные, ребра).

1.5.2. Суповую кость выпускают для реализации в свежем и замороженном виде. Суповая кость, полученная от обвалки размороженного мяса, реализуется без повторного замораживания.

Соотношение анатомических наименований суповой кости определенного вида не нормируется, определяется по согласованию с потребителем.

1.5.3. Не допускается для реализации суповая кость, полученная от туш тощей упитанности, дважды замороженная, темного и кровянистого цвета, с наличием мелких кусочков, с острыми краями и костяной крошкой.

1.6. Для производства желатина предназначена кость крупного рогатого скота II категории, полученная на мясокомбинатах и мясоперерабатывающих предприятиях:

— ребра без позвонков;

— роговой стержень без рогового чехла, прихватов лобной кости и шкуры;

— отходы поделочной кости, получаемые при ее переработке.

Допускается использовать кость крупного рогатого скота I категории (лопатка, тазовая, ребра, нижняя челюсть).

1.7. Для производства фотографического желатина предназначена кость крупного рогатого скота I категории:

— ребра без позвонков;

Допускается использовать трубчатую опиленную кость крупного рогатого скота II категории после вываривания без давления пара внутри аппарата и отходы поделочной кости, получаемые при ее переработке.

Не допускается смешивать кость I и II категорий.

(Измененная редакция, Изм. N 1).

1.8. Для производства клея и кормовой муки предназначена кость I и II категорий от всех видов скота (кроме позвонков, грудной и крестцовой кости I категории).

Допускается использовать для производства кормовой муки кость I категории (позвонки, грудная и крестцовая), не отвечающую ветеринарно-санитарным требованиям.

Сборная кость для производства кормовой муки должна перерабатываться на заводах по выработке мясо-костной муки.

Не допускается для производства клея черепная кость с остатками рога и шерсти.

1.9. Для производства поделочной кости предназначены трубчатые опиленные кости крупного рогатого скота I и II категорий, кроме плечевой.

1.10. Кость II категории для производства желатина, клея (кроме сборной кости) и поделочной кости используют после вываривания без давления пара внутри аппарата.

1.11. Для кормления пушных зверей предназначена кость I категории от всех видов скота.

Кости голов свиней поставляют отдельно от других костей.

1.12. Кость должна соответствовать требованиям, указанным в табл.1 и 2.

(Измененная редакция, Изм. N 1).

Характеристика и норма для кости

производства желатина, фотожелатина

производства кормовой муки, клея

производства кормовой муки, клея

производства желатина, фотожелатина

Без загрязнений и ослизнений, поверхность не заветрившаяся, не липкая

Подсушенная на открытом воздухе естественным путем, без очагов порчи

Для кормовой муки: не регламентируется.

Для клея: заветренная или подсушенная на открытом воздухе естественным путем, без очагов гниения

Нележалая, подсушенная на открытом воздухе естественным путем, без очагов порчи

Свойственный свежей кости данного вида скота, без постороннего запаха

От светло-желтого до красновато-розового

Желтоватый с блестящим и белым оттенком

Массовая доля мякотных тканей, %, не более:

Источник

Схема использования костей

Схема использования костей различных категорий следующая:

— пуговицы, ручки для зубных щеток, ручки для ножей, шахматные фигуры, а также костный жир и т. п.

— пищевой костный жир, пищевой бульон, костная мука, костный уголь, костная чернь

— пуговицы, ручки для щеток, ручки для ножей и другие изделия

— технический костный жир, клей, костная мука (обесклеенная), костный уголь

— технический костный жир, клей, костная мука (обесклеенная), костный уголь

— костная мука, костный уголь (иногда жир и клей)

Ископаемая и могильная:

— костная зола, удобрение

Поделочная кость служит материалом для выработки костяных пуговиц, ручек для зубных щеток, рукояток для ножей, ложечек для горчицы, клавишей для роялей, шахматных фигур и других предметов широкого потребления (рис.).

Рис. Изделия из кости А Костяная пуговица. Б Пластинка домино. В Костяная ложечка. Г Костяной вязальный крючок. Д Ручка для зубной щетки

При производстве этих изделий отобранную поделочную кость прежде всего промывают в горячей воде с температурой 60-70°. На крупных мясокомбината кости моют в особых постоянно вращающихся длинных барабанах, стенки которых сделаны из перфорированных листов оцинкованного железа. Внутри барабана проходит труба с многочисленными отверстиями, через которые подается горячая вода для промывания кости. Барабан имеет уклон 1,5°, вследствие этого загружаемая с одного конца в барабан грязная кость постепенно сползает к другому концу, откуда выходит уже чистой (рис.).

Рис. Барабан непрерывного действия для мытья костей: 1 Барабан. 2 Поддерживающие ролики. 3 Станина. 4 Мотор. 5 Червячный репродуктор. 6 Цепь передачи. 1 Поддонок. 8 Отводящая труба. 9 Труба, подающая воду

Цевка на концах не опиливается, так как не имеет центральной полости; иногда она просверливается вдоль через срединное губчатое вещество.

Чтобы возможно более полно извлечь из костей жир, на крупных мясокомбинатах применяют последовательную варку кости в ряде котлов, образующих батарею.

Котлы для варки костей можно брать самой различной конструкции, но обычно они обогреваются паром, проходящим через укрепленный в котле змеевик или между двойными стенками аппарата; нередко эти котлы снабжены особыми приспособлениями для выгрузки кости.

Выварка поделочной свежей колбасной кости не только обезжиривает ее, она дает возможность получить из нее ценный пищевой костный жир и питательный бульон. При варке поделочной столовой и свалочной кости добывается технический костный жир. Во время варки поделочная кость теряет около 15% своего веса.

Из свежей рядовой кости, еще сохранившей свои органические вещества, вываривают технический или пищевой костный жир и бульон, а из обезжиренной кости вырабатывают костную муку.

При переработке эту кость прежде всего промывают горячей водой в непрерывно вращающемся барабане и дробят на мелкие куски в костедробильных и костеломных машинах. Первые дают более мелкую кость, чем вторые (рис.).

Рис. Костеломная машина

В костедробильных машинах кости загружают в особые люки; попадая в машину, они разбиваются на лету подвижными металлическими билами и отбрасываются на колосники; при этом мелкие куски проваливаются через колосники, а крупные кости подхватываются последующими билами и снова дробятся.

В костеломных машинах кости попадают между стальными зубьями. Зубья расположены в ряд (гребенкой) на внутренней стороне станины машины и на вращающемся внутри машины массивном металлическом валу. При вращении вала его зубья проходят между зубьями гребенки и ломают попавшие между ними кости (рис.).

Рис. Костедробильная машина

Из дробленой кости добывают костный жир, он извлекается из нее тремя способами:

1) варкой кости в кипящей воде в течение 6 часов и более при обычном давлении (иногда в батарее котлов);

2) вываркой кости в автоклавах под давлением в 1,5 ат в течение 4 часов или под давлением 3 ат в продолжение 2 часов;

3) экстрагированием жиров трихлороэтиленом, бензином, сероуглеродом и другими растворителями жира. Чтобы предохранить растворители от испарения, экстрагирование жира костей производится в особых герметически закрытых установках; в них проходит и отгонка растворителя.

Поскольку при выварке кости (даже под давлением) жир полностью извлечь не удается, нередко вываренную кость подвергают дополнительному обезжириванию путем экстрагирования остатка жира.

Указанным способом костный жир можно получить из любой свежей или мало лежалой кости (колбасной, столовой и даже в некоторых случаях свалочной), но выход его будет различен. Если колбасная свежая кость дает в среднем 15-18% жира (от свежего сырого веса), то столовая 5-12%, а свалочная 2-10%.

Костный технический жир представляет собой ценное сырье для мыловаренного, свечного и некоторых других производств.

Обычно костный жир отличается специфическим запахом и имеет желтый или бурый цвет.

Костный жир лучшего качества получается при экстрагировании четыреххлористым углеродом (ССl₄), несколько хуже жир, добытый вываркой,еще хуже экстрагированием бензином; в последнем случае он содержит большое количество свободных жирных кислот, кальциевых солей и красящих веществ.

При прессовании замороженного костного жира получается ценное, незамерзающее даже при очень низких температурах масло. Оно используется для смазки механизмов, работающих при особых температурах (например уличных часов).

Костный жир, вываренный из свежей колбасной кости, используется как продукт питания.

Свежая и полусвежая рядовая кость после выварки или экстрагирования из нее жира идет в клееварное производство, где из нее вырабатывают ценный столярный клей. Методы выработки клея описываются ниже, в главе о клейдающих веществах.

Обезжиренная и обесклеенная свежая, полусвежая и полевая кость или перемалывается в костную муку, или перегоняется в костный уголь, или обжигается в костную золу.

Костная мука получается от перемалывания кости в порошок. В зависимости от того, из какой кости костная мука получена, она бывает трех сортов:

Костная зола получается прокаливанием на открытом воздухе обезжиренной и обесклеенной свежей, полевой, могильной или ископаемой кости. При прокаливании все органические вещества разрушаются, поэтому костная зола состоит только из минеральных веществ кости. Используется в керамическом и силикатном производстве, особенно при выработке некоторых сортов фарфора.

Костный уголь получается в результате сухой перегонки кости. Широко используется при фильтровании, особенно в сахарной промышленности как адсорбент.

Источник

Техническая кость что это

ПРОДУКТЫ УБОЯ СКОТА

Термины и определения

Sloughtered animal products. Terms and definitions

Дата введения 1989-07-01

1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Государственным агропромышленным комитетом СССР

А.А.Белоусов, канд. вет. наук; Т.И.Бушнева; Н.В.Карасева

2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 23.06.88 N 2211

Настоящий стандарт устанавливает термины и определения понятий в области мясной промышленности.

Термины, установленные настоящим стандартом, обязательны для применения во всех видах документации и литературы, входящих в сферу действия стандартизации или использующих результаты этой деятельности.

1. Стандартизованные термины с определениями приведены в табл.1.

2. Для каждого понятия установлен один стандартизованный термин.

Применение терминов-синонимов стандартизованного термина не допускается. Недопустимые к применению термины-синонимы приведены в табл.1 в качестве справочных и обозначены пометой «Ндп».

2.1. Для отдельных стандартизованных терминов в табл.1 приведены в качестве справочных краткие формы, которые разрешается применять в случаях, исключающих возможность их различного толкования.

2.2. Приведенные определения можно при необходимости изменять, вводя в них производные признаки, раскрывая значения используемых в них терминов, указывая объекты, входящие в объем определяемого понятия. Изменения не должны нарушать объем и содержание понятий, определенных в данном стандарте.

2.3. В случаях, когда в термине содержатся все необходимые и достаточные признаки понятия, определение не приведено и в графе «Определение» поставлен прочерк.

3. Алфавитный указатель содержащихся в стандарте терминов на русском языке приведен в табл.2.

4. Термины и определения общих понятий, применяемых в мясной промышленности, приведены в приложении.

ПРИЕМКА, ПРЕДУБОЙНОЕ СОДЕРЖАНИЕ, УБОЙ И ПЕРЕРАБОТКА СКОТА

Сельскохозяйственные животные, предназначенные для переработки

Любое количество скота одного вида, пола, возраста, поступившее в одном транспортном средстве и сопровождаемое документами установленной формы

3. Живая масса скота

Фактическая масса скота в момент взвешивания

4. Приемная живая масса скота

Живая масса скота за вычетом установленных скидок

5. Скидка с живой массы скота

Установленная величина снижения живой массы скота на содержимое желудочно-кишечного тракта, стельность, суягность, супоросность, жеребость самок и навал на шкурах, определяемая при сдаче-приемке скота

6. Предубойная выдержка скота

Содержание скота без корма перед убоем в течение установленного времени

Примечание. Скоту предоставляют свободный водопой, который прекращают за три часа до убоя

7. Содержание скота на скотобазе

Уход за скотом с соблюдением ветеринарно-санитарных правил, установленного режима кормления, поения и отдыха

8. Классификация скота

Деление скота по видам, категориям, классам

Степень развития мышечной и жировой ткани, определяемая визуально и прощупыванием животного или мясных туш

10. Класс молодняка крупного рогатого скота

Характеристика молодняка крупного рогатого скота в зависимости от возраста и живой массы

11. Категория крупного рогатого скота (овец, коз)

Характеристика крупного рогатого скота (овец, коз) или их туш в зависимости от упитанности

12. Категория свиней

Характеристика свиней в зависимости от их живой массы или массы туши и толщины шпика над остистыми отростками между 6-7 спинными позвонками

13. Основание хвоста

Участок между первым хвостовым позвонком и седалищным бугром животного

Жировое отложение в области паха

Бугор крыла подвздошной кости животного

Участок брюшной стенки у поясницы в виде впадины, расположенной впереди от маклока

17. Седалищный бугор

Утолщенный боковой конец седалищной кости животного

Выдерживание скота, подозрительного по инфекционному заболеванию, с проведением мероприятий, предотвращающих возникновение или распространение заболеваний

19. Спорная группа скота

Группа скота, при приемке которой возникли разногласия

Лишение жизни животных с целью их переработки

21. Контрольный убой скота

Убой скота для определения упитанности и приемной живой массы скота при возникновении разногласий

22. Вынужденный убой скота

Убой больного скота по указанию и под контролем ветеринарной службы

23. Оглушение скота

Обездвиживание животных электротоком, механическим или другим воздействием, осуществляемое перед обескровливанием при сохранении работы сердца

24. Наложение лигатуры на пищевод

Перекрывание пищевода зажимом или перевязывание его для предотвращения вытекания содержимого преджелудка, загрязнения им поверхности туши, органов дыхания и крови животного

25. Обескровливание скота

Удаление крови из оглушенного животного

26. Крупонирование свиней

Снятие спинно-боковой части свиной шкуры.

Примечание. Наиболее ценная спинно-боковая часть шкуры называется крупоном

27. Краевые участки свиных шкур

Участки шкур свиней, предназначенные для выработки желатина, сухих животных кормов и для использования на пищевые цели

28. Шпарка туш свиней

Обработка свиных туш в шкуре или со снятым крупоном горячей водой или паровоздушной смесью с целью ослабления связи щетины в волосяной сумке

Удаление щетины и волоса со свиных туш в шкуре и с шерстных субпродуктов после шпарки

30. Опалка свиных туш

Сжигание остатков щетины, волоса и эпидермиса со свиных туш и с шерстных субпродуктов после обезволошивания

31. Промывка свиных туш

Обработка свиных туш водой с целью удаления загрязнений, остатков сгоревшей щетины и разрыхления слоя эпидермиса

32. Полировка свиных туш

Удаление со шкуры остатков сгоревшего эпидермиса и щетины после опалки

Частичное отделение шкуры от туши ножом вручную или с помощью механизированного инструмента

Полное отделение шкуры от туши

Подрез шкуры механизированным инструментом или ножом, производимый при механической съемке шкуры с целью сокращения срывов мышечной и жировой ткани

Извлечение из туши внутренних органов: ливера, желудка и кишок

37. Расчленение туши

Распиловка или разруб туши на продольные симметричные половины, а также четвертины

Удаление с внешней и внутренней поверхности туши остатков внутренних органов, сгустков крови, диафрагмы, бахромок, побитостей, абсцессов, загрязнений

Мясо на костях, полученное при убое животного после съемки шкуры, извлечения внутренних органов, отделения головы и ног.

Примечание. Свиная туша может быть в шкуре, с головой и задними ногами

Каждая из двух половин туши, разделенной симметрично вдоль хребта

41. Четвертина туши

Каждая из двух частей полутуши, разделенной в поперечном направлении на уровне последнего грудного позвонка

Содержимое рубца, сетки, книжки и кишок жвачных животных

Туши, части туши и органы скота, признанные ветеринарно-санитарным надзором непригодными для пищевых целей и допущенные для производства кормовой и технической продукции

44. Непищевые белковые отходы переработки скота

Сырье, полученное после обработки туши и органов скота, не имеющее пищевого и специального назначения, используемое для производства кормовой и технической продукции.

Примечание. К непищевым белковым отходам переработки скота относят: эмбрионы со снятой шкурой, половые органы, шлям и др.

45. Убойная масса скота

Масса парной туши после полной ее обработки, включая субпродукты и жир-сырец

Отношение убойной массы туши к приемной живой массе скота, выраженное в процентах

МЯСО И СУБПРОДУКТЫ

Туша или ее часть, представляющая совокупность мышечной, жировой, соединительной ткани и костей или без них

Источник

Микроархитектура костей как основа для сверхлегких и долговечных материалов

В скелете взрослого человека насчитывается 206 костей, которые в совокупности выполняют опорно-двигательную и защитную функцию. К сожалению, как и все другие части тела человека, кости также подвержены различным заболеваниям, повреждениям, деформациям и травмам. Одной из самых изучаемых проблем скелета является остеопороз, из-за которого нарушается внутренняя структура и плотность костей. Ранее данное заболевание изучали посредством рентгеновских снимков, позволяющих изучить структуру костей и определить слабые и прочные точки. Чаще всего ученые рассматривали прочность кости с точки зрения максимально возможной однократной нагрузки. Однако группа исследователей из Корнеллского университета решили посмотреть на проблему остеопороза под другим углом. Они предложили сравнить кость с деталью автомобиля, которая прекрасно работает достаточно долгое время, но, так или иначе, ломается ввиду длительного использованиям. Что рассказал ученым новый метод анализа костей, какие структурные изменения костей можно предотвратить или изменить, и как данный труд может способствовать в борьбе с остеопорозом и даже помочь авиации? Об этом мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.

Основа исследования

Центральным тезисом данного труда является: механические свойства микроархитектурных материалов могут быть улучшены за счет геометрии материала, а не за счет его композиции (состава).

Сверхлегкие микроархитектурные материалы могут изначально обладать повышенной жесткостью и, следовательно, прочностью, но они должны также выдерживать многократные циклы нагрузки, то есть быть не просто прочными, но и долговечными. Если же говорить о природных эквивалентах таких материалов, то кости человеческого скелета прекрасно описывают подобные структуры.

Кости по своей структуре состоят из нескольких основных строительных материалов: компактное костное вещество, губчатое костное вещество и надкостница. Последняя является оболочкой кости, которая состоит из определенных соединительных тканей, содержащих кровеносные сосуды и клеточные элементы, участвующие в питании, росте и восстановлении костей.

Компактное костное вещество представляет собой верхний слой кости и является очень однородным и твердым. А вот губчатое, которое располагается внутри кости, состоит из множества пластинок, пересекающихся в разных направлениях.

Исследователи считают, что утолщение некоторых из пластинок губчатого вещества может улучшить общие механические свойства кости, т.е. повысить ее прочность и долговечность.

Эта теория основана на том факте, что микроархитектурные материалы могут быть подвержены усталости материала*, так как их сложная внутренняя геометрия приводит к накоплению напряжений.

Усталость материала* — процесс постепенного накопления повреждений, приводящих к изменению механических свойств материала.

Ученые считают, что важнейшим в их исследование является поиск равновесия между прочность материала и его устойчивостью к усталости. А поскольку нет лучшего вдохновителя, чем природа, ученые решили искать это равновесие в природном микроархитектурном материале, т.е. в костях.

Как мы уже знаем, в костях содержится множество пластинок (перегородок), пересекающихся в разных точках, формируя губчатое вещество. Эти пластины также именуют трабекулами. Они чаще всего расположены в направлении напряжений, вызванных обычной физической активностью, что приводит к формированию поперечной изотропной микроструктуры.

Ранее проведенные исследования выявили, что основным фактором, влияющим на прочность губчатой кости, является плотность/пористость и тензор ткани (мера анизотропии*).

Анизотропия* — различие (неоднородность) свойств среды в различных направлениях внутри нее.

А вот другие аспекты микроархитектуры и их влияние на прочность костей не было изучено.

Жесткость и прочность губчатой кости и других клеточных твердых веществ связывают с плотностью через степенные законы*.

Степенной закон* — функциональная зависимость между двумя величинами, при которой относительное изменение одной приводит к пропорциональному изменению второй.

Ученые отмечают, что уже существует аналитический метод, связывающий плотность губчатого вещества и усталость материала (число циклов до полного износа, N_f). Однако усталость губчатых веществ, по их мнению, лучше объясняется нормированными отношениями напряжения и ресурса (AN) материала:

Стоит отметить, что данный метод оценки усталости материала хоть и является весьма успешным, но некоторые переменные (например, А и В) могут отличаться у материалов разного происхождения (например, губчатая костная ткань человека и собаки).

Результаты исследования

Чтобы понять связь между микроархитектурой и усталостью материала, ученые провели анализ высокопористой (> 90%) губчатой костной ткани позвонков человека (44 образца от 18 доноров).

К каждому образцу применялась циклическая нагрузка сжатия в направлении привычной физиологической нагрузки.

Нагрузка усталости материала приостанавливалась при определенной величине циклов напряжения, определяемого по накоплению циклической нагрузки. После чего оценивались число и местоположение всех микроскопических повреждений в микроструктуре посредством применения контрастных веществ (1А и 1В).

Изображение №1: влияние микроархитектуры на накопление усталостных повреждений в губчатой ​​кости.

Микроархитектура была оценена с использованием трехмерных изображений и проанализирована с использованием подхода морфологического разложения, который изолирует каждую отдельную перегородку в структуре и классифицирует ее как пластинчатую или стержнеобразную, а также определяет ее ориентацию относительно нагрузки (1С и 1D).

Было обнаружено, что число повреждений тканей, вызванное усталостной нагрузкой, коррелировало с максимальной приложенной деформацией, но не коррелировало с плотностью образца или другими средними по образу показателями микроструктуры.

Любопытно, что степень повреждений тканей была меньше в образцах с более толстыми стержнеобразными перегородками (1E). Данное наблюдение было весьма неожиданным, поскольку стержнеобразные перегородки в губчатой кости в первую очередь ориентированы поперечно приложенной нагрузке, составляя при
этом лишь 20% от твердого объема губчатой кости высокой пористости. Кроме того они несут лишь небольшую долю продольно-ориентированных нагрузок и оказывают незначительное влияние на жесткость и прочность в продольном направлении.

Далее ученые исследовали распределение повреждения ткани в разных точках во время процесса усталостной нагрузки, что позволило им лучше понять влияние стержнеобразных перегородок на усталость кости. Было выявлено, что разрушение отдельных трабекул во время усталостной нагрузки происходит нелинейно с номером цикла и отличается по типу/ориентации трабекулы. Первоначально разрушения возникают в стержнеобразных трабекулах, а в пластинчатых трабекулах значительное накопление повреждений не происходит до момента явного разрушения всей структуры (1F).

Характер разрушения перегородки также связан с ее ориентацией: поврежденные стержнеобразные трабекулы преимущественно ориентированы в поперечном направлении, в то время как поврежденные пластинчатые трабекулы преимущественно ориентированы в продольном направлении.

Исследователи считают, что такое поведение разрушения отдельных перегородок зависит от распределения напряжения растяжения, вызванного нагрузкой. Моделирование показало, что нагрузка сжатия приводит к растягивающим напряжениям в стержнеобразных трабекулах (в основном в поперечно ориентированных) и сжимающим напряжениям в пластинчатых трабекулах (в основном в продольно ориентированных).

Эти наблюдения говорят о том, что в губчатой ткани кости именно поперечно ориентированные трабекулы выступают в качестве «оправданной жертвы» во время циклической нагрузки, накапливая повреждение ткани и, таким образом, защищая несущие продольно ориентированные пластинчатые трабекулы, разрушение которых приведет к полному разрушению структуры.

Изображение №2: модели губчатой ​​кости, полученные с использованием 3D-печати, показывают, что усталостная прочность чувствительна к небольшим изменениям в микроархитектуре.

Другой важной составляющей накопления повреждений в губчатой кости является гетерогенность тканей. Чтобы изолировать эффекты микроструктуры от тех, которые связаны с неоднородностью материала, ученые создали трехмерные модели микроструктуры губчатой ​​кости (2А и 2В).

Губчатая микроструктура кости (2В) была модифицирована путем добавления материала к поверхности поперечных трабекул. Всего было три типа модификаций: без изменений (исходная геометрия); +20 мкм на поверхности (среднее увеличение толщины трабекулы на 20 ± 5%); +60 мкм на каждой поверхности (среднее увеличение толщины трабекулы на 45 ± 14%).

Поскольку поперечные стержневидные трабекулы составляют лишь небольшую часть твердого объема и несут лишь небольшую часть продольных нагрузок, утолщение стержнеобразных перегородок оказало лишь небольшое влияние на плотность, которая возросла на 11 ± 8% (2C), и на жесткость, увеличение продольного модуля Юнга которой составило 22 ± 19% (2D).

Если подобные изменения имеют место по всей микроструктуре равномерно, то усталостная прочность изменяется весьма незначительно. Если же подобные изменения применимы только к стержнеобразным трабекулам, то усталостная прочность увеличивается на два порядка (2E).

Для подтверждения того, что накопление повреждений протекает в моделях так же, как и в губчатой кости, были проведены исследования повреждений в трехмерных напечатанных образцах после определенной нагрузки с использованием рентгеноконтрастного красителя.

Было установлено, что в моделях места скопления повреждений, определенные контрастом, распределены по всей структуре, как и в губчатой костной ткани, исследованной ранее (2F). А вот модели, при печати которых были заданы более толстые стержнеобразные перегородки, продемонстрировали уменьшенное накопление повреждений (2G).

Следовательно, накопление повреждений ввиду усталостной нагрузки можно уменьшить, если изменить толщину стержневидных трабекул внутри структуры губчатой костной ткани или аналогичных перегородок в трехмерном напечатанном образце.

Также стало понятно, что среднее напряжение растяжения в стержнеобразных трабекулах (преимущественно поперечно ориентированных) было выше, чем у пластинчатых трабекул (преимущественно продольно ориентированных). Это говорит о том, что локализация повреждения соответствует распределению напряжений в микроархитектуре, как это было обнаружено в настоящей губчатой кости.

Суммируя вышеописанные наблюдения, ученые предполагают, что незначительное увеличение массы, сконцентрировано на поперечно ориентированных структурных компонентах микроархитектуры, может уменьшить напряжение растяжения, что является значительным вкладом в усталостную прочность.

Изображение №3: влияние поперечного объема на усталостную прочность пористых (ячеячных) твердых тел.

Далее исследователи решили проверить, применимы ли их открытия к другим пористым твердым телам и другим механизмам деформации. Для этого были созданы модели обычных и модифицированных октет ферм* (octet truss). Последние отличались от обычных тем, что имели элементы в виде пластин и стержней, имитируя микроструктуру и анизотропию губчатой ​​кости (3А).

Ферма* — в данном случае подразумевается не сельскохозяйственные угодья, а стержневая конструкция, которая остается неизменной после замены жестких узлов на шарнирные.

Пример октет фермы.

Октет ферма* — данный тип конструкции в 1961 году предложил Ричард Бакминстер Фуллер (1895–1981). Структура основана на октаэдрическо-тетраэдрической геометрической схемы, которая состоит из линий, соединяющих центры шаров таким образом, чтобы каждый шар был окружен двенадцатью другими шарами.

Микроструктура губчатой кости демонстрирует поведение, в котором преобладает деформация изгибов, обычная октет ферма — деформация растяжения, а в модифицированных октет фермах — комбинация изгибов и растяжений.

В результате увеличение поперечной толщины стержней в костеобразных микроархитектурах привело к увеличению усталостной прочности в 8 раз (3В), плотность при этом возросла незначительно (+ 4%), как и продольная жесткость (+ 20%).

В октет ферме увеличение поперечной толщины стержней привело к увеличению усталостной прочности в 5 раз (3В), плотность возросла на 10%, продольная жесткость на 14%.

А вот с модифицированными октет фермами ситуация была намного любопытнее. Когда данную модель повернули на 90°, чтобы утолщенные элементы были вертикально ориентированы и наклонены к приложенным нагрузкам, усталостная прочность уменьшилась в 9 раз по сравнению с моделью без утолщенных распорок. Это говорит о том, что влияние поперечных элементов на усталостную прочность связано с пропорцией материала, ориентированного поперек нагрузки, а не с толщиной поперечных стержней как таковых. Дабы понять, как именно поперечно ориентированные элементы влияют на накопление усталостных повреждений, был применен метод конечных элементов для нескольких циклов нагрузки.

Усталостное повреждение включает в себя локальный необратимый процесс рассеивания энергии, приводящий к увеличению диссипации энергии. Модели конечных элементов первых 5-25 циклов нагрузки показали, что усталостная прочность октетной и костоподобной микроархитектуры с утолщенными стержнями и без них тесно связана с пластической диссипацией энергии на рабочую единицу (3C).

Следовательно, увеличение поперечной объемной доли (ψ — доля твердого объема, ориентированного в поперечном направлении к нагрузке) в этих микроархитектурных материалах уменьшает диссипацию энергии и накопления повреждений во время циклической нагрузки. Подобное наблюдение напоминает ситуацию со стержнеобразными трабекулами (преимущественно поперечно ориентированными), которые испытывали меньшее накопление повреждений в губчатой кости, если их толщина была немного увеличена (1E).

Применение однократной сверх-нагрузки (деформация 50%) показало, что кости и микроархитектурные материалы способны восстановить большую часть повреждений после приложенного напряжения, что объясняется упругими (обратимыми) деформациями в поперечно ориентированных стержнях.

Таким образом, становится понятно, что для сопротивления усталостному разрушению важную роль играют именно поперечно ориентированные стержни или перегородки (трабекулы). Другими словами, наблюдения показывают, что важна именно геометрия структуры, а не ее химический состав.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В данном труде исследователи смогли установить, что микроструктуры способны быть крайне долговечными и стойкими к деформациям. Главным выводом является факт того, что происхождение материала (биологическое или синтетическое) не имеет значения, когда применяется правильная геометрия внутренних элементов микроархитектуры. Изменение толщины отдельных составляющих позволяет продлить жизнь всей структуры, при этом без значительных потерь со стороны жесткости, прочности или других важных механических характеристик.

Данное исследование, как заявляют его авторы, может найти свое применение как в медицине, позволив лучше понять процессы, связанные с остеопорозом. Ибо остеопороз характеризуется ухудшением именно микроструктуры губчатой ​​кости, что выражается в резком снижении количества и прочности поперечно ориентированных трабекул. Ранее считалось, что жесткость, прочность и поглощение энергии губчатой ​​кости зависит практически полностью от продольно ориентированных трабекул. Но в данном исследовании было доказано, что и поперечно ориентированные играют не последнюю роль, особенно в рамках усталостной прочности костей. Исследователи не отвергают того факта, что многие повреждения костей у больных остеопорозом вызваны однократной сверх-нагрузкой (падение, подъем тяжести и т.д.). Однако самыми распространенными повреждениями, связанными с остеопорозом, все же остаются травмы позвоночника, которые часто возникают при отсутствии каких-либо сверх-нагрузок, т.е. являются следствием потери усталостной прочности. Именно потому необходимо уделять внимание не только продольно ориентированным, но и поперечно ориентированным трабекулам.

Что касается авиации и других отраслей, то результаты этого исследования могут подтолкнуть инженеров к разработке новых типов деталей, которые будут сверхпрочными и долговечными, оставаясь при этом сверхлегкими, что немаловажно для крыльев самолетов, например.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята! 🙂

Источник