Computed anisotropy of osteonal lamellar organization of mineralized collagen fibrils
Mineralize kolajen fibrillerinin osteonal lamel organizasyonunun hesaplanmış anizotropisi
- Tez No: 979659
- Danışmanlar: DOÇ. DR. FERİDE SERMİN UTKU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Biyomühendislik, Biyoteknoloji, Engineering Sciences, Bioengineering, Biotechnology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yeditepe Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Kemik, hafiflik, gözeneklilik ve dayanıklılığı yüksek derecede organize olmuş hiyerarşik yapısıyla bir araya getiren olağanüstü bir doğal kompozit malzeme örneğidir. Moleküler düzeyde kolajenden başlayarak osteonların makroskobik organizasyonuna kadar uzanan bu çok ölçekli yapı, kemiğe kendine özgü anizotropik mekanik özellikler kazandırmaktadır. Nanoskala düzeyinde, kolajen molekülleri üçlü sarmal fibriller oluşturur ve bu fibriller hidroksiapatit kristalleri ile mineralize edilerek mineralize kolajen fibrillere (MCF) dönüşür. Bu fibriller, demetler ve lameller halinde organize olarak kompakt kemiğin yapı taşı olan konsantrik osteon yapılarını oluşturur. Bu fibrillerin yönelimi ve düzeni, lameller kemikteki anizotropinin başlıca belirleyicisidir ve mekanik davranışı yükleme yönüne ve nem durumuna bağlı olarak etkiler. Lameller içerisindeki fibril yönelimlerini açıklamak amacıyla çeşitli yapısal modeller önerilmiştir. Bunlar arasında en yaygın kabul gören“dönen kontrplak modeli”, ardışık lameller boyunca fibrillerin açısal olarak düzenli bir dönüş sergilediğini ifade eder. Bükümlü veya salınımlı kontrplak yapılar gibi alternatif modeller ise mekanik gereksinimlere bağlı dinamik fibril yeniden hizalanmasını açıklamakta ek katkılar sunar. Bu bağlamda, fibrillerin uzaysal organizasyonlarını tanımlamak için“bükümlü”,“sinüzoidal”,“sarmal”ve“spiral”gibi terimler yaygın şekilde kullanılmaktadır. Bu çalışmada, literatürdeki bulgulara dayanarak osteon uzunluğu boyunca lamel ve alt lamel seviyelerinde mineralize kolajen fibrillerin düzenini tanımlayan yeni bir model geliştirilmiştir. Geliştirilen hesaplamalı model, peri-kanaliküler bölgeden sement hattına kadar osteonun lamel ve alt lamellerindeki tüm fibril yönelimleri için anizotropi oranlarını belirlemek amacıyla kullanılmıştır. 0°-100° ile 0°-120° spiral mineralize fibriller için elde edilen anizotropi oranları sırasıyla 0.91 (w/v) ve 1.10 (v/w) olarak hesaplanmıştır ve bu değerler, literatürdeki osteonal anizotropi oranlarına ait Vickers sertlik ölçümleriyle uyum göstermektedir. Ek olarak, modelimiz osteon boyunca anizotropi oranlarının değişkenlik gösterdiğini ortaya koymuştur; bu oranlar, 0°-30° için 0.34 (w/v), 0°-100° için 0.80 (w/v) ve 0°-160° için 1.18 (w/v) olarak belirlenmiştir. Bu sonuçlar, kullanılan hesaplamalı yaklaşımın geçerliliğini ortaya koymakta ve dönen kontrplak modelinin, kemiğin hiyerarşik yapısının mekanik işlevini ve adaptif kapasitesini anlamada değerli bir çerçeve sunduğunu bir kez daha göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Bone is a remarkable example of a natural composite material that combines lightness, porosity, and strength through a highly organized hierarchical structure. This multiscale organization—from the molecular level of collagen to the macroscopic formation of osteons—enables bone to exhibit unique anisotropic mechanical properties. At the nanoscale, collagen molecules form triple-helical fibrils which are mineralized with hydroxyapatite crystals to create mineralized collagen fibrils (MCFs). These fibrils aggregate into bundles and lamellae, eventually forming the concentric osteonal structures that make up cortical bone. The directional arrangement and orientation of these fibrils are the primary determinants of the anisotropy in lamellar bone, influencing mechanical behavior depending on loading direction and hydration state. Various structural models have been proposed to explain the orientation patterns of fibrils within lamellae. Among them, the rotating plywood model remains the most widely accepted, describing a consistent angular rotation of fibrils across successive lamellae. Alternative models, such as twisted or oscillating plywood structures, offer additional insights into dynamic fibril realignment in response to mechanical demands. Terms such as twisted, sinusoidal, coiled, and spiraling are commonly used to describe these spatial arrangements. Here, based on these findings, we have developed a model that describes mineralized collagen fibril arrangements within the length of an osteon consisting of lamellae and sublamellae. The computational model was used to calculate the anisotropy ratios of all fibrillary orientations of the sublamella and the lamellae of the osteon from the peri- canalicular zones to the outer-most regions adjacent to the cementing line. The anisotropy ratios for the 0-100 through 0-120 spiralling mineralized collagen fibrils were determined to be 0.91 (w/v) and 1.10 (v/w), which thus correlated with the Vickers' hardness findings of the osteonal anisotropy ratios of other researchers. In those lines, our results also indicated the variability of the anisotropy ratios across the osteon which varied from 0.34 (w/v) for the 0°-30°, 0.80 (w/v) for the 0°-100° and 1.18 (w/v) for the 0°-160° lamellae. These results thus indicate the validity of the computational approach used here. The rotating plywood model continues to serve as a valuable framework for understanding the mechanical function and adaptability of bone's hierarchical architecture.
Benzer Tezler
- Tufanbeyli linyit havzası birimlerinin dayanım anizotropisi özelliklerinin araştırılması
Investigation of strength anisotropy properties of tufanbeyli lignite basin units
SERAP İNCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Jeoloji MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TOLGA ÇAN
- The relationship of the bone void space parameter to other conventional parameters: Confirmed by mechanical testing
Kemik trabekül boşluk alanı parametresinin diğer geleneksel parametrelerle ilişkisi: Mekanik test ile değerlendirilmesi
WISAM ABDULRAZZAQ ABDULSALAM ABDULSALAM
Doktora
İngilizce
2023
Diş HekimliğiVan Yüzüncü Yıl ÜniversitesiAğız, Diş ve Çene Radyolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALAETTİN KOÇ
- Cu-%25 Zn alaşımının örgü dinamiği
Lattice dynamic of Cu-%25 Zn alloy
IŞIK KERİME KESKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2000
Fizik ve Fizik MühendisliğiGazi ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İRFAN AKGÜN
- Doygun ve yarı doygun daneli malzemelerde gerilme şekil değiştirme ilişkisinin nümerik yaklaşımlarla incelenmesi
Stress strain analysis of saturated and partially saturated granular materials by numerical methods
İBRAHİM YİĞİT
Yüksek Lisans
Türkçe
2004
İnşaat MühendisliğiZonguldak Karaelmas Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. ÖMER FARUK ÇAPAR
- 3-D velocity structure for the Sea of Marmara and surrounding region (NW Turkey) by using full waveform tomography
Marmara Denizi ve Kuzeybatı Anadolu Bölgesi üç boyutlu (3-B) hız yapısının tam dalgabiçimi tomografi yöntemi ile analizi
YEŞİM ÇUBUK SABUNCU
Doktora
İngilizce
2016
Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiJeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TUNCAY TAYMAZ