Knochen-Brech Experimente Ausbeute bessere Schutzausrüstung


Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Keine Probe ist sicher in Nikhil Guptas Verbundwerkstoffe und Mechanik Labor am Polytechnic Institute of New York University.

Ob es ein kleines Nugget Kaninchen Knochen oder ein Stück industrielle schützenden Schaumstoff ist, sind alle für eine kundenspezifische Kompression Maschine, untersuchen, wie Materialien aufgeteilt und zerbrechen gebunden.

Gupta, ein Materialwissenschaftler und Maschinenbau-Ingenieur und sein Team erfassen jeder Kompression mit einer Highspeed-Kamera, die Datensätze über 10.000 Bildern pro Sekunde zu studieren jeden Riss und Splittern. Die Ergebnisse sind wichtig – sie können letztlich helfen Ärzten besser diagnostizieren und behandeln Verletzungen und Ingenieure zu unterstützen, da sie Schutz für militärische und zivile Rüstung, einschließlich Helme verbessern.

Zusammen mit Paulo Coelho, ein New York University College of Dentistry Materialwissenschaftler (und ein Zahnarzt, spezialisiert auf chirurgische Forschung weit über den Kieferknochen) Mitarbeiterin, hat Gupta Forschung Pionierarbeit, die offenbart überraschende Erkenntnisse über die Wirkung der Kompression auf Knochen und über die Grenzen der Schäume verwendet, sie Helme und Rüstungen zu schützen.

Gupta und Coelho festgestellt, dass Knochenverletzungen abhängig von der Geschwindigkeit dramatisch unterscheiden sich an dem Knochen verdichtet wird. Bei hohen Kompressionsraten — wie eine Schockwelle aus eine Bombe oder ein harter Schlag in eine Fußball-Scrimmage — Knochen zeigen weit verbreitete Mikrorisse so klein, sie nur durch ein Raster-Elektronenmikroskop nachgewiesen werden können.

Wenn Knochen komprimiert sind langsam, beim Joggen oder fallen, weniger Risse auftreten, aber sie neigen dazu, größere und leicht fleckig. Ihre Experimente wurden auf Kaninchen Femur-Knochen, obwohl die Wissenschaftler glauben, dass ähnliche Ergebnisse für eine Reihe von menschlichen Knochen gelten würde.

"Wir waren überrascht, zu finden, die nicht nur die Art der Knochenbrüchen Änderung abhängig von der Geschwindigkeit der Kompression, habe aber das Knacken von Knochen in verschiedene Richtungen basierend auf Geschwindigkeit," sagte Coelho. Lernen, dass Knochen aus verschiedenen Blickwinkeln zum Schutz vor Verletzungen brachte Gupta zurück in die Initialzündung für seine Forschung verstärkt werden müssen – die Schäume verwendet in militärischer Schutzausrüstung zu verbessern.

Vor zwei Jahren besuchte Gupta eine Konferenz zu der Veteranen aus dem Irak und Afghanistan Verletzungen im Zusammenhang mit Improvised Explosive Devices (IED) diskutierten. Zu diesem Zeitpunkt waren mehr als ein Drittel aller Kriegsopfer durch Sprengsätze, die eine einzigartige Art von Hirn-Trauma verursachen, die schwer zu diagnostizieren ist. Die "geschlossen" Gehirn Verletzungen Ergebnis nicht von einem direkten Einfluss oder Durchdringung des Schädels, sondern aus der Kraft der Kompression. Ähnliche Schäden kann auf andere Organe und Knochen, als auch passiert.

Schäden durch Explosion Verletzungen ist oft nicht sichtbar mit heutigen Diagnosegeräten und Soldaten gesund genug, um das Feld wieder ausgesprochen werden können. In vielen Fällen wird das Ausmaß der Verletzung nur im Laufe der Zeit deutlich.

"Ich war bereits studiert, Schäume und Body Armor und entwickeln neue Schutzmaterialien, aber mein Ansatz geändert, als ich über die Natur und die Prävalenz der IED Verletzungen erfuhr", sagte Gupta. "Ich erkannte, es war wichtig, zu verstehen, wie die Knochen selbst unter diesen Umständen Verhalten, um die nächste Generation des Schutzes zu entwickeln."

Gupta, suchte ein Mitarbeiter, der wesentliche medizinische Expertise zu den Ermittlungen bringen könnte. Als Kollegen ihn Coelho vorstellte, war die Verbindung sofort. "Ich hatte das Projekt mit mehreren Ärzten besprochen, aber wir Sprachen ganz anders", sagte Gupta. "Aber weil Coelhos bisherige Forschung sich auf Knochenchirurgie konzentriert und wir einen gemeinsamen Hintergrund in der Materialwissenschaft haben, konnten wir anfangen zu arbeiten sehr schnell."

Neben der Erforschung Knochenverletzungen, ausgesetzt Coelho und Gupta auch schützende Schäume, deren Kompression Maschine, genannt ein "Kolsky Bar"-System. Sie fanden heraus, dass viel wie Knochen, Schaumstoffe anders als die Rate der Kompression Änderungen Verhalten. Schäume, die weichen langsam komprimiert scheinen können viel steifere unter höheren Kompression Geschwindigkeiten werden. Das Team plant zu untersuchen, ob diese Änderung tatsächlich, anstatt zu reduzieren, das Risiko von Verletzungen erhöhen.

Der nächste Schritt für die beiden Wissenschaftler ist es, die Erkenntnisse der Schaum und Knochen Studien kombinieren, indem Sie testen, menschliche Knochen und Weichteile mit neuen Formulierungen der schützenden Schaumstoff. Das ultimative Ziel soll Hersteller maßgeschneiderte Schäume zugeschnitten auf spezifische Aktivitäten oder Umgebungen zu schaffen. Die Auswirkungen sind weit reichende und können helfen, Designer Erstellen sicherer militärische Rüstung, Sportgeräte und sogar Autos und Boote.

Seit Gupta und Coelho weit verbreitete zeigte tritt mikroskopische Beschädigung in Knochen hohe Kompressionsraten unterzogen ihre Ergebnisse auch auf die Notwendigkeit für Verbesserungen in der medizinischen Diagnosegeräten verweisen, die eines Tages Verletzungen auf einer Skala, die viel kleiner als die aktuelle CT-Scanner erkennt.

Nach Coelho "Nun, da wir gesehen haben, wie viel Knochenschädigung geschieht auf extreme mikroskopischer Ebene, es ist eine Gelegenheit, empfindlicher Geräte zu entwickeln, die solche Verletzungen zu diagnostizieren und Ärzten erlauben, besser zu behandeln, dass Beschädigungen schnell."

Lesen Sie für weitere Informationen den Forschungsbericht.

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Anmerkung der Redaktion: Diese Forschung wurde unterstützt durch die National Science Foundation (NSF), die Bundesagentur für angeklagt Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Sehen den Blick hinter die Kulissen Archiv.

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