Nemendur í heilbrigðisverkfræði álagsprófuðu bein og liðbönd í kindalæri

Einhverjir gætu hafa rekið upp stór augu þegar kindalæri rataði inn á rannsóknarstofu í Háskólanum í Reykjavík en ekki inn í eldhús Málsins. Það átti sér hins vegar eðlilegar skýringar, að minnsta kosti fyrir nemendur og kennara Advanced Biomechanics, áfanga sem er kenndur í M.Sc. í heilbrigðisverkfræði við HR.

Eitt af því sem nemendurnir í áfanganum fá að reyna er nefnilega að álagsprófa bein og liðbönd í kindalæri. „Við látum nemendurna vera aðeins „hands on,“ klippa í sundur liðbönd og sinar og reynum að láta þá fá tilfinningu fyrir því hvað þetta séu sterkir vefir, hvað þetta séu sterk efni í raun og veru,“ segir Magnús Kjartan Gíslason, dósent við verkfræðideild HR, sem kennir Advanced Biomechanics.

„Í áfanganum tölum við um efniseiginleika beina, sina og brjósks. Ásamt því ræðum við aðeins um efniseiginleika þeirra efna sem fara inn í líkamann, eins og nokkrar tegundir málma, keramik- og plastefna. Að lokum ræðum við um hönnun á gerviliðum og hvað gerist í líkamanum þegar málmliður er settur inn í líkamann,“ segir Magnús Kjartan um áfangann.

Hann segir tilraunina ganga út á að staðfesta það sem þegar búið er að fara yfir í fyrirlestrum og rannsóknum þar sem efniseiginleikar beina hafa verið mældir.

Tæplega 200kg dugðu ekki til að slíta liðböndin

Hvernig fór tilraunin fram?

„Við fengum lærlegg af nýaflífaðri kind frá Tilraunastöð Háskóla Íslands í meinafræði að Keldum fyrir tilstuðlan prófessors Halldórs Jónssonar jr bæklunarskurðlæknis hjá Heilbrigðistæknisetrinu. Undir hans handleiðslu tóku nemendurnir hnéð, strípuðu alla vöðvana og klipptu frá, við boruðum því næst í gegnum bæði beinin, settum stálvír í gegnum og toguðum. Okkur tókst því miður ekki að slíta liðböndin þar sem að sýnið datt út í festingunum áður en það brotnaði, en einnig sáum við að við komumst upp í 1800 N, sem eru um 180kg, og liðböndin slitnuðu ekki.

Þú getur rétt ímyndað þér, þú festir um 200 kíló við beinið en það heldur samt. Þegar sama tilraun er framkvæmd á yngra lambi þá slitna beinin við vaxtalínurnar þar sem það er ekki fullvaxið. Liðböndin eru nefnilega mjög sterk en samt sem áður tekst fólki stundum að slíta þau, þá oftast við íþróttaiðkun.

Tilraunin gengur dálítið út á að staðfesta að tölurnar séu á svipuðu reki og gefa nemendunum smá innsýn í það hvað það er í raun og veru erfitt að mæla svona efni. Þetta er til dæmis allt öðruvísi en að vera með stálbita þar sem hann er snittaður í réttar, staðlaðar stærðir eða form. Hérna ertu með alls konar stærðir og gerðir af beinum eða mjúkvef,“ útskýrir Magnús Kjartan.

„Eftir að búið var að toga í beinin þar sem hnéð var óskaddað var það klippt í sundur, svo voru lær-og sköflungsbeinin tekin sitt í hvoru lagi og prófuð í þriggja punkta beygju. Þessi tilraun er gerð til að reikna stífni beinsins. Ásamt því  er settur þan-nemi (e. strain gauge) á beinið, sem mælir bjögunina. Hannes Páll Þórðarson, umsjónarmaður rafeindaverkstæðisins, hjálpaði okkur að koma þan-nemanum á beinið.

Við reiknum þá spennurnar út frá mælda kraftinum í togþolstæki og þar með getum við reiknað stífnistuðulinn í beininu á fremur einfaldan hátt. Það sem er merkilegt við þetta er að við náum glettilega nálægt þessum birtu gildum sem stuðst er við í námsefninu og eru mæld með mun nákvæmari græjum og fyrirhöfn,“ bætir Magnús Kjartan við um tilraunina.

Tengist beinþéttni og aðgerðum vegna gerviliða

Spurður hver ávinningurinn af tilraun sem þessari geti verið bendir Magnús Kjartan til að mynda á tengingu við Heilbrigðistæknisetrið, þar sem líkön eru m.a. þrívíddarprentuð fyrir gerviliðaaðgerðir og aðrar skurðaðgerðir.

„Það er það að þekkja efniseiginleikana á beininu. Ef við vitum  stífnistuðulinn getum við tengt hann við bæði beinþéttni og beinstyrk. Önnur leið til að meta beinþéttnidreifinguna er í gegnum tölvusneiðmyndatöku (e. CT Scan) og þá fáum við mun ítarlegri dreifingu á efniseiginleika beinanna. Einnig er algengt að nota DXA mælingar fyrir staðbundnari beinþéttnimælingar, þá sérstaklega fyrir konur sem sýna merki beinþynningar.

Þessi tilraun sýnir okkur hvernig stífleikinn hagar sér á „macroscopic“ hátt, en myndgreiningin gefur okkur „microscopic“ dreifingu á beinþéttninni og því beinstífleikanum, og að lokum beinstyrknum.

Þetta svo tengist inn í verkefni sem við Paolo [Gargiulo prófessor og forstöðumaður Heilbrigðistæknisetursins] og Halldór höfum verið að vinna að; að skoða beinþéttnina í lærbeininu þegar þú færð gervimjöðm inn í líkamann. Hvernig þéttnin hegðar sér eftir eitt ár eða eftir fimm ár vegna þess að beinin, þau eyðast.

Þegar það kemur svona aðskotahlutur eins og málmur inn í líkamann fer álagið hlutfallslega meira í gegnum málminn en lætur beinin í friði. Beinin þurfa að fá álag til þess að dafna og vaxa. Þetta er svolítið þungamiðjan í því sem við höfum verið að tala um varðandi beinin,“ segir Magnús Kjartan að lokum.