Comparison of eight published static finite element models of the intact lumbar spine : predictive power of models improves when combined together

Finite element (FE) model studies have made important contributions to our understanding of functional biomechanics of the lumbar spine. However, if a model is used to answer clinical and biomechanical questions over a certain population, their inherently large inter-subject variability has to be considered. Current FE model studies, however, generally account only for a single distinct spinal geometry with one set of material properties. This raises questions concerning their predictive power, their range of results and on their agreement with in vitro and in vivo values. Eight well-established FE models of the lumbar spine (L1-5) of different research centres around the globe were subjected to pure and combined loading modes and compared to in vitro and in vivo measurements for intervertebral rotations, disc pressures and facet joint forces. Under pure moment loading, the predicted L1-5 rotations of almost all models fell within the reported in vitro ranges, and their median values differed on average by only 2° for flexion-extension, 1° for lateral bending and 5° for axial rotation. Predicted median facet joint forces and disc pressures were also in good agreement with published median in vitro values. However, the ranges of predictions were larger and exceeded those reported in vitro, especially for the facet joint forces. For all combined loading modes, except for flexion, predicted median segmental intervertebral rotations and disc pressures were in good agreement with measured in vivo values. In light of high inter-subject variability, the generalization of results of a single model to a population remains a concern. This study demonstrated that the pooled median of individual model results, similar to a probabilistic approach, can be used as an improved predictive tool in order to estimate the response of the lumbar spine.

The effect of repeated loading and freeze-thaw cycling on immature bovine thoracic motion segment stiffness

There is growing interest in the biomechanics of ‘fusionless’ implant constructs used for deformity correction in the thoracic spine, however, there are questions over the comparability of in vitro biomechanical studies from different research groups due to the various methods used for specimen preparation, testing and data collection. The aim of this study was to identify the effect of two key factors on the stiffness of immature bovine thoracic spine motion segments: (i) repeated cyclic loading and (ii) multiple freeze-thaw cycles, to aid in the planning and interpretation of in vitro studies. Two groups of thoracic spine motion segments from 6-8 week old calves were tested in flexion/extension, right/left lateral bending, and right/left axial rotation under moment control. Group (A) were tested with continuous repeated cyclic loading for 500 cycles with data recorded at cycles 3, 5, 10, 25, 50, 100, 200, 300, 400 and 500. Group (B) were tested after each of five freeze-thaw sequences, with data collected from the 10th load cycle in each sequence. Group A: Flexion/extension stiffness reduced significantly over the 500 load cycles (-22%; P=0.001), but there was no significant change between the 5th and 200th load cycles. Lateral bending stiffness decreased significantly (-18%; P=0.009) over the 500 load cycles, but there was no significant change in axial rotation stiffness (P=0.137). Group B: There was no significant difference between mean stiffness over the five freeze-thaw sequences in flexion/extension (P=0.813) and a near significant reduction in mean stiffness in axial rotation (-6%; P=0.07). However, there was a statistically significant increase in stiffness in lateral bending (+30%; P=0.007). Comparison of in vitro testing results for immature thoracic bovine spine segments between studies can be performed with up to 200 load cycles without significant changes in stiffness. However, when testing protocols require greater than 200 cycles, or when repeated freeze-thaw cycles are involved, it is important to account for the effect of cumulative load and freeze-thaw cycles on spine segment stiffness.

Comparison of eight published lumbar spine finite element models

Due to its ability to represent intricate systems with material nonlinearities as well as irregular loading, boundary, geometrical and material domains, the finite element (FE) method has been recognized as an important computational tool in spinal biomechanics. Current FE models generally account for a single distinct spinal geometry with one set of material properties despite inherently large inter-subject variability. The uncertainty and high variability in tissue material properties, geometry, loading and boundary conditions has cast doubt on the reliability of their predictions and comparability with reported in vitro and in vivo values. A multicenter study was undertaken to compare the results of eight well-established models of the lumbar spine that have been developed, validated and applied for many years. Models were subjected to pure and combined loading modes and their predictions were compared to in vitro and in vivo measurements for intervertebral rotations, disc pressures and facet joint forces. Under pure moment loading, the predicted L1-5 rotations of almost all models fell within the reported in vitro ranges; their median values differed on average by only 2° for flexion-extension, 1° for lateral bending and 5° for axial rotation. Predicted median facet joint forces and disc pressures were also in good agreement with previously published median in vitro values. However, the ranges of predictions were larger and exceeded the in vitro ranges, especially for facet joint forces. For all combined loading modes, except for flexion, predicted median segmental intervertebral rotations and disc pressures were in good agreement with in vivo values. The simulations yielded median facet joint forces of 0 N in flexion, 38 N in extension, 14 N in lateral bending and 60 N in axial rotation that could not be validated due to the paucity of in vivo facet joint forces. In light of high inter-subject variability, one must be cautious when generalizing predictions obtained from one deterministic model. This study demonstrates however that the predictive power increases when FE models are combined together. The median of individual numerical results can hence be used as an improved tool in order to estimate the response of the lumbar spine.

Experimental Study of crack propagation in carbon steel using acoustic emission

Acoustic emission technique has become a significant and powerful structural health monitoring tool for structures. Researches to date have been done on crack location, fatigue crack propagation in materials and severity assessment of failure using acoustic emission technique. Determining severity of failure in steel structures using acoustic emission technique is still a challenge to accurately determine the relationship between the severity of crack propagation and acoustic emission activities. In this study three point bending test on low carbon steel samples along with acoustic emission technique have been used to determine crack propagation and severity. A notch is introduced at the tension face of the loading point to the samples to initiate the crack. The results show that the percentage of load drop of the steel specimen has a reciprocal relationship with the crack opening i.e. crack opening zones are influenced by the loading rate. In post yielding region, common acoustic emission signal parameters such as, signal strength, energy and amplitudes are found to be higher than those at pre-yielding and at yielding.

Nonlinear mechanical property of tracheal cartilage: A theoretical and experimental study

Background: Despite being the stiffest airway of the bronchial tree, the trachea undergoes significant deformation due to intrathoracic pressure during breathing. The mechanical properties of the trachea affect the flow in the airway and may contribute to the biological function of the lung. Method: A Fung-type strain energy density function was used to investigate the nonlinear mechanical behavior of tracheal cartilage. A bending test on pig tracheal cartilage was performed and a mathematical model for analyzing the deformation of tracheal cartilage was developed. The constants included in the strain energy density function were determined by fitting the experimental data. Result: The experimental data show that tracheal cartilage is a nonlinear material displaying higher strength in compression than in tension. When the compression forces varied from -0.02 to -0.03 N and from -0.03 to -0.04 N, the deformation ratios were 11.03±2.18% and 7.27±1.59%, respectively. Both were much smaller than the deformation ratios (20.01±4.49%) under tension forces of 0.02 to 0.01 N. The Fung-type strain energy density function can capture this nonlinear behavior very well, whilst the linear stress-strain relation cannot. It underestimates the stability of trachea by exaggerating the displacement in compression. This study may improve our understanding of the nonlinear behavior of tracheal cartilage and it may be useful for the future study on tracheal collapse behavior under physiological and pathological conditions.

Application of laser cladding technology to improve the interface of thermal barrier coatings

The present study is focused on improvement of the adhesion properties of the interface between plasma-sprayed coatings and substrates by laser cladding technology (LCT), Within the laser-clad layer there is a gradient distribution in chemical composition and mechanical properties that has been confirmed by SEM observation and microhardness measurement. The residual stress due to mismatches in thermal and mechanical properties between coatings and substrates can be markedly reduced and smoothed out. To examine the changes of microstructure and crack propagation in the coating and interface during loading, the three-point bending test has been carried out in SEM with a loading device. Analysis of the distribution of shear stress near the interface under loading has been made using the FEM code ANSYS, The experimental results show clearly that the interface adhesion can be improved with LCT pretreatment, and the capability of the interface to withstand the shear stress as well as to resist microcracking has been enhanced.

Interface Fracture Property Of Peo Ceramic Coatings On Aluminum Alloy

This paper combines the four-point bending test, SEM and finite element method to study the interface fracture property of PEO coatings on aluminum alloy. The interface failure mode of the coating on the compression side is revealed. The ceramic coating crack firstly along the 45 degrees to the interface, then the micro crack in the coating deduces the interface crack. The plastic deformation observed by SEM shows excellent adhesion property between the coating and substrate. The plastic deformation in the substrate is due to the interfacial crack extension, so the interface crack mode of PEO coatings is ductile crack. The results of FEM show that the compression strength is about 600 MPa. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Microstructure Observation And Mechanical Behavior Modeling For Limnetic Nacre

In the present research, microstructure of a kind of limnetic shell (Hyriopsis cumingii) is observed and measured by using the scanning electron microscopy, and mechanical behavior experiments of the shell nacre are carried out by using bending and tensile tests. The dependence of mechanical properties of the shell nacre on its microstructure is analyzed by using a modified shear-lag model, and the overall stress-strain relation is obtained. The experimental results reveal that the mechanical properties of shell nacre strongly depend on the water contents of the limnetic shell. Dry nacre shows a brittle behavior, whereas wetting nacre displays a strong ductility. Compared to the tensile test, the bending test overestimates the strength and underestimates the Young's modulus. The modified shear-lag model can characterize the deformation features of nacre effectively.

Interface Fracture Behavior Of Electroplated Coating On Metal Substrate Under Compressive Strain

The inducement of interface fracture is crucial to the analysis of interfacial adhesion between coating and substrate. For electroplated coating/metal substrate adhering materials with strong adhesion, interface cracking and coating spalling are difficult to be induced by conventional methods. In this paper an improved bending test named as T-bend test was conducted on a model coating system, i.e. electroplated chromium on a steel substrate. After the test, cross-sections of the coated materials were prepared to compare the failure behaviors under tensile strain and compressive strain induced by T-bend test. And the observation results show that coating cracking, interface cracking and partial spalling appear step by step. Based on experimental results, a new method may be proposed to rank the coated materials with strong inter-facial adhesion. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Influência da variação da intensidade de luz, para uma mesma exposição radiante, no comportamento mecânico de uma resina convencional e de uma resina de baixa contração

O presente estudo teve como objetivo avaliar a influência da variação da intensidade de luz, para uma mesma exposição radiante, na resistência à flexão, na microdureza e na resistência à tração diametral de uma resina convencional e de uma resina de baixa contração. Para a confecção dos corpos de prova foram utilizadas as resinas Filtek Z250 (3M ESPE) e Filtek P90 LS (3M ESPE) fotoativadas por meio dos seguintes protocolos: Convencional (400mW/cm por 60 s), Média intensidade (700mW/cm por 34 s) e Alta intensidade (950mW/cm por 26 s). Todos os corpos de prova receberam a mesma exposição radiante de 24J/cm. A resistência à flexão foi avaliada por meio do ensaio de flexão três pontos. Para este ensaio foram confeccionados trinta corpos de prova de cada material (n=10) com dimensões de 10mm x 2mm x 1mm. A avaliação da microdureza Knoop foi obtida a partir de seis discos de cada resina com 5mm de diâmetro por 2mm de espessura (n=2), sendo realizadas cinco indentações em cada espécime. Trinta corpos de prova cílindricos de cada compósito (n=10) com 3mm de diâmetro por 6mm de altura foram confeccionados para a realização do teste de tração diametral. A análise estatística dos resultados obtidos foi realizada por meio do teste de análise de variância (ANOVA) e do teste de múltiplas comparações de Tukey (p < 0.05). A resistência à flexão da resina P90 não foi influenciada de forma significativa pelas diferentes formas de ativação, enquanto a Z250 obteve resultados significantemente maiores para o protocolo de alta intensidade em relação ao convencional. Em todas as intensidades de luz, os resultados da Z250 foram significativamente maiores que os da P90. A microdureza da resina P90 foi estatisticamente maior para o grupo de média intensidade em relação aos outros, já a Z250 não obteve resultados com diferença estatística em relação às formas de ativação. Para a mesma irradiância, a Z250 obteve maiores valores de microdureza do que a P90, com exceção para o protocolo de média intensidade em que não houve diferença estatística entre os materiais. Os valores de resistência à tração não foram influenciados de forma significativa nem pelas diferentes intensidades de luz, nem pelos materiais utilizados. A influência da variação da intensidade de luz depende do tipo de compósito utilizado e da propriedade mecânica avaliada.

Avaliação in vitro do efeito da incorporação de clorexidina nas propriedades físicas e na atividade antibacteriana de resinas acrílicas autopolimerizáveis

Objetivo. O objetivo do presente estudo foi avaliar o efeito da incorporação de diacetato de clorexidina (CDA), em diferentes concentrações e tempos de armazenamento, nas propriedades físicas e na atividade antibacteriana de resinas acrílicas, utilizadas na confecção de coroas e pontes provisórias. Métodos. Fase I: Foram confeccionados 150 corpos de prova retangulares (3,0 mm X 10 mm X 64 mm), de acordo com a norma ISO 1567 e 150 corpos de prova quadrados (10 mm X 10 mm X 2,0 mm), utilizando-se duas resinas acrílicas autopolimerizáveis, Duralay (Reliance Dental Mfg. Co.) e Dencor (Clássico). Os corpos de prova foram distribuídos em 30 grupos (n=10/grupo) de acordo com a concentração de CDA incorporada às resinas (p/p) (A) 0%, (B) 1%, (C) 2%, (D) 4%, (E) 5%, em função do tempo de armazenamento em água destilada, a 37C (T0 2h, T1 7 dias, T2 30 dias). Foram realizados os ensaios de microdureza Knoop, em microdurômetro Micromet 5104, Buehler (N), rugosidade superficial (Ra), em rugosímetro digital Mitutoyo Surftest SJ-201 (n=5) e resistência à flexão em três pontos (MPa), em uma máquina de ensaio universal EMIC MF 200 DL (n=5). Fase II: Adicionalmente, a atividade antibacteriana dos materiais sobre Streptococcus mutans foi determinada através da realização de testes de difusão em meio BHI, sendo para isso confeccionados 30 corpos de prova em forma de disco (12 mm X 3,0 mm) com as mesmas 5 concentrações (n=3/grupo). Os resultados foram tabulados e submetidos à análise estatística three-way ANOVA (Fase I) e two-way ANOVA (Fase II). Resultados. ANOVA mostrou que a adição de CDA não provocou alteração significativa na resistência à flexão dos materiais testados. A resistência à flexão é inversamente proporcional ao tempo para a resina Dencor e diretamente proporcional ao tempo para a resina Duralay. Houve aumento da microdureza com o acréscimo de CDA ao material Dencor com relação ao grupo controle, enquanto que no material Duralay a CDA não interferiu significativamente nesta propriedade. A rugosidade superficial aumentou significativamente (p<0,001) com o tempo e com o aumento da concentração de clorexidina na resina Dencor e não provocou alteração significativa em Duralay. Os testes de difusão em ágar demonstraram atividade antimicrobiana significativa (p<0,05) em todos os grupos, quando comparados ao grupo-controle. A inibição ao crescimento de Streptococcus mutans foi maior com o aumento da concentração desta substância. A resina Dencor apresentou maior halo de inibição do que a resina Duralay. Conclusões. Os resultados deste estudo sugerem que a incorporação de clorexidina aos materiais testados exibiu efeito antibacteriano contra S. mutans, sem contudo afetar de maneira crítica as propriedades físicas avaliadas.

Avaliação da customização por desgaste de pinos pré-fabricados de fibra de vidro

O objetivo deste estudo foi avaliar pinos pré-fabricados de fibra de vidro (White Post DC/FGM) submetidos à customização por desgaste da porção apical. Experimento 1: 5 pinos n. 4 foram divididos em 5 grupos (G) de acordo com o instrumento de desgaste: GA - sem desgaste, GB- mini torno industrial (Dentsply), GC - ponta diamantada n. 3195F (KG Sorensen), GD - disco de lixa de granulação média (Sof-Lex/3M/ESPE), GE- alicate (Tramontina). Observou-se a micromorfologia dos pinos em microscópio eletrônico de varredura (ZEISS/DSM 960). Experimento 2: 60 pinos de diferentes diâmetros foram divididos em 6 grupos: G0 - pinos n. 0,5, G1 - pinos n. 1, G2 - pinos n. 2, G3 - pinos n. 3, G4 - pinos n.4, G5 - pinos n. 4 com terço apical desgastado com discos de lixa até o equivalente ao terço apical dos pinos n. 2. Os pinos foram submetidos ao teste de flexão de 3 pontos na máquina de ensaios universal (Instron 5500 R), conforme ISO 10477. Experimento 3: 20 caninos humanos permanentes sofreram tratamento endodôntico e remoção das coroas clínicas padronizando 15 mm de remanescente radicular. Os dentes foram incluídos em resina acrílica com simulação do ligamento periodontal, receberam férula de 2 mm e foram divididos em 2 grupos: GI - pinos n. 4 cimentados em condutos preparados com broca equivalente ao pino (FGM), GII - pinos n. 4 customizados no terço apical cimentados em condutos preparados com brocas (FGM) equivalentes aos pinos n. 2 em 10 mm e n. 4 em 5 mm. Os pinos foram cimentados com cimento resinoso (Rely X U100/3M/ESPE), os corpos de prova receberam coroas diretas de resina composta (Enforce Core/Dentsply) padronizadas com coras de policarbonato (TDV) e foram submetidos ao teste de resistência à fratura na Instron a 45da ferramenta cilíndrica, com força de 500 N aplicada a 2 mm da incisal na face palatina/lingual, com velocidade de 0,5 mm/min até falha. O padrão de fratura foi classificado em favorável ou desfavorável. Os resultados foram tratados estatisticamente por teste de análise de variância (ANOVA, p<0,05). Os resultados dos testes de flexão e fratura foram respectivamente: G0 - 58,406,40; G1 - 83,959,43; G2- 103,4219,17; G3 - 160,7817,30; G4 - 170,4711,28; G5 - 106,3521,96; GI - 303,0262,21 e GII - 402,81131,97. O padrão de fratura foi tratado por Mann-Whitney que observou semelhança estatística entre os grupos. Concluiu-se que o desgaste de pinos de fibra de vidro com pontas diamantadas ou discos de lixa produz alterações micromorfológicas aceitáveis. O corte com alicate deve ser evitado. A customização por desgaste da porção apical de pinos de fibra de vidro diminui a resistência à flexão a valores aceitáveis. Dentes restaurados com pinos de fibra de vidro customizados por desgaste possuem resistência à fratura superior a dentes restaurados com pinos intactos. A customização por desgaste facilita a adaptação do pino ao conduto radicular e preserva a estrutura dental.

Influência de propriedades físico químicas dos materiais resinosos e da técnica de inserção na adaptação marginal de restaurações classe II

A contração de polimerização das resinas compostas é uma característica indesejável que compromete a integridade da interface dente/restauração. O objetivo deste estudo foi avaliar in vitro a influência de diferentes materiais usados em restaurações classe II de resina composta, quanto ao grau de conversão, tensão de contração, resistência a flexão, módulo de elasticidade e formação de fenda marginal. Foram realizados preparos classe II com dimensões de 4x4x2mm em terceiros molares recém-extraídos para a avaliação da formação de fenda marginal. As cavidades foram niveladas com cimento de ionômero de vidro Riva Light Cure (SDI) (CIV), resina de baixa contração SureFilSDR (Dentsply) (SDR), resina flow FiltekZ350Flow (3M/ESPE) (Z350F) e resina composta FiltekP90 (3M/ESPE) (P90). As restaurações (n=3) foram avaliadas com lupa estereoscópica. A resistência a flexão foi avaliada por meio de ensaio de flexão em três pontos. Para este ensaio foram confeccionados dez corpos de prova (n=10) de cada material com dimensões de 10x2x1mm. Para o teste de tensão de contração foram utilizados cilindros de polimetacrilato com 5 mm de diâmetro e 13 ou 28mm de comprimento. Os bastões foram fixados na EMIC com um espaço de 2mm entre eles, onde os materiais foram inseridos. Foram realizadas cinco repetições para cada grupo (n=5) e a tensão proveniente da contração foi medida por até 10 minutos após o início da fotopolimerização. O Grau de Conversão (GC) foi determinado por espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). Os resultados foram tratados estatisticamente por análise de variância (ANOVA) e Teste de Tukey (p<0,05). Fenda marginal: Z350F = CIV > SDR = P90. Tensão de contração: Z350F > SDR > CIV = P90. Resistência a flexão: P90 > SDR = Z350F > CIV. Módulo de Elasticidade: P90 > CIV = SDR = Z350F. GC: Z350F = SDR > P90 > CIV. Conclusões: existe correlação entre a formação de fenda marginal e as propriedades físico químicas dos materiais testados, sendo as resinas de baixa contração que proporcionaram melhor adaptação marginal; existe correlação entre resistência a flexão, módulo de elasticidade, tensão de contração e a composição dos materiais, já que os compósitos com melhores resultados foram os que apresentaram os maiores percentuais de carga, no entanto, maior grau de conversão não representou melhores propriedades mecânicas.

Electrical actuation and readout in a nanoelectromechanical resonator based on a laterally suspended zinc oxide nanowire.

In this paper, we present experimental results describing enhanced readout of the vibratory response of a doubly clamped zinc oxide (ZnO) nanowire employing a purely electrical actuation and detection scheme. The measured response suggests that the piezoelectric and semiconducting properties of ZnO effectively enhance the motional current for electromechanical transduction. For a doubly clamped ZnO nanowire resonator with radius ~10 nm and length ~1.91 µm, a resonant frequency around 21.4 MHz is observed with a quality factor (Q) of ~358 in vacuum. A comparison with the Q obtained in air (~242) shows that these nano-scale devices may be operated in fluid as viscous damping is less significant at these length scales. Additionally, the suspended nanowire bridges show field effect transistor (FET) characteristics when the underlying silicon substrate is used as a gate electrode or using a lithographically patterned in-plane gate electrode. Moreover, the Young's modulus of ZnO nanowires is extracted from a static bending test performed on a nanowire cantilever using an AFM and the value is compared to that obtained from resonant frequency measurements of electrically addressed clamped–clamped beam nanowire resonators.

热喷涂涂层界面断裂韧性的反向三点弯曲法试验

以热喷涂NiCrBSi涂层/钢基体为材料模型,利用将涂层置于受压侧的反向三点弯曲法试验,对热喷涂涂层界面断裂现象进行分析并建立相应的界面断裂韧性计算模型.结果表明,界面裂纹起始于三点弯曲试样中部,对应于加载压头与涂层接触区域正下方的界面上,并向两侧扩展,伴随涂层屈曲,形成分层屈曲的破坏形貌.根据分层屈曲形貌建立计算模型,通过分层屈曲几何参数与屈曲临界应力、涂层内真实应力以及界面断裂韧性的关系,获得界面断裂韧性值.