Elastic and hyperelastic properties of the human nail plate

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Introduction. As is known, changes in the nail, as an appendage of the skin, can be genetically determined, caused by injuries, diseases, medications or exposure to harmful substances. Installation of partial or complete dentures may be required for any form of growth disorder of the nail plate (onychodystrophy). Prosthetics can act as a means of masking nail abnormalities. In all these cases, knowledge of the mechanical properties of both the replacement materials and the nail plate itself is necessary. However, the latter have not been fully studied; there is no detailed knowledge about the elastic and hyperelastic characteristics of the biomaterial.

The aim of the study. The mechanical properties of the human nail plate are compared with elastic and hyperelastic models of continuum mechanics (large deformations).

Methods. Experimental σ-ε curves obtained from literature data were used. The computer algebra system Mathcad 15.0 and the multifunctional finite element analysis package ANSYS 2022 R2 were used.

Results. The parameters of the linear and 6-hyperelastic models were calculated and their correspondence to the initial data was determined. Among hyperelastic models, the 5-parameter Mooney–Rivlin model and the 2nd order polynomial model are best suited to describe the mechanical properties of the nail plate. These models have the highest correlation coefficient R=0.98 and the following statistical indicators SD=0.005 GPa, δmax=0.011 GPa, δ=12.93%. The greatest discrepancies between the experimental and model data were demonstrated by the Ogden model of the 1st order nail plate (R=0.84) and the simplest hyperelastic neohookean model (R=0.86). The stability of the models (dσ/dε sign) at small deformations was studied.

Conclusion. The results obtained can be useful for podiatrists involved in the development of methods for restoring nail plates using artificial replacement materials and are recommended for use in nail tissue engineering.

About the authors

Sergey A. Muslov

Federal state budgetary educational institution of higher education “Russian University of Medicine” of the Ministry of health of the Russian Federation

Author for correspondence.
Email: muslov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9752-6804

Professor of Department of normal physiology and medical physics. Doctor of biological sciences, candidate of physics and mathematical sciences.

Russian Federation, st. Delegatskaya, 20, bldg. 1, Moscow, 127473

Ramaz S. Gvetadze

Federal state budgetary educational institution of higher education “Russian University of Medicine” of the Ministry of health of the Russian Federation

Email: ramaz-gvetadze@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0508-7072

Professor of the Department of Digital Dentistry. Dr. Med. Sciences, Corresponding Member RAS.

Russian Federation, st. Delegatskaya, 20, bldg. 1, Moscow, 127473

Sergey D. Arutyunov

Federal state budgetary educational institution of higher education “Russian University of Medicine” of the Ministry of health of the Russian Federation

Email: sd_arutyunov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6512-8724

Head of Department of Digital Dentistry. Dr. Med. Sciences, Professor, Honored. Doctor of the Russian Federation, Honored Worker of Science of the Russian Federation.

Russian Federation, st. Delegatskaya, 20, bldg. 1, Moscow, 127473

Pavel Y. Sukhochev

Federal State Budget Educational Institution of Higher Education M.V. Lomonosov Moscow State University

Email: ps@moids.ru
ORCID iD: 0000-0002-8004-6011

Researcher at the Laboratory of Mathematical Support for Simulation Dynamic Systems, Department of Applied Research, Faculty of Mechanics and Mathematics.

Russian Federation, Leninskie Gory, 1, Moscow, 119991

Anna E. Solovyova

“Podological Center”, Moscow

Email: MatveevaA.E@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0001-3960-7032

 duardovna – podologist

Russian Federation, st. Menzhinskogo, 32, bldg. 2, Moscow, 129281

References

  1. Hamrick M.W. Functional and adaptive significance of primate pads and claws: evidence from New World anthropoids. Am. J. of Physical Anthropology. 1998; 106: 113–27. https://doi.org/10.1002/(sici)1096-8644(199806)106:2<113::aid-ajpa2>3.0.co;2-r
  2. Farren L., Shayler S., Ennos A.R. The fracture properties and mechanical design of human fingernails. Journal of Experimental Biology. 2004; 207: 735–41. https://doi.org/10.1242/jeb.00814
  3. Farran L., Ennos A.R., Starkie M., Eichhorn S.J. Tensile and shear properties of fingernails as a function of a changing humidity environment. J. Biomech. 2009; 42 (9): 1230–5. doi: 10.1016/j.jbiomech.2009.03.020. Epub 2009 Apr 19. PMID: 19380141.
  4. Zhenxing H., Gaosheng L., Huimin X., Tao H., Pengwan Ch., Fenglei H. Measurement of Young’s modulus and Poisson’s ratio of Human Hair using Optical techniques. Article in Proceedings of SPIE. The International Society for Optical Engineering. 2009; 10. doi: 10.1117/12.851415
  5. Yamada H. Strength of Biological Materials. Baltimore. 1970; 297. https://doi.org/10.1126/science.171.3966.57-a
  6. Fung Y.C. Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues, Second Edition 2nd Edition. Springer; 2nd edition. 1993; 586. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-2257-4
  7. Муслов С.А., Перцов С.С., Арутюнов С.Д. Физико-механические свойства биологических тканей. Под ред. академика РАН О.О. Янушевича. М.: Практическая медицина, 2023; 456. [Muslov S.A., Pertsov S.S., Arutyunov S.D. Physico-mechanical properties of biological tissues. Ed. Academician of the Russian Academy of Sciences O.O. Yanushevich. M.: Prakticheskaya meditsina, 2023; 456 (in Russian)]
  8. Шмурак М.И., Кучумов А.Г., Воронова Н.О. Анализ гиперупругих моделей для описания поведения мягких тканей организма человека. 2017 Master’s J. 2017; 1: 230–43. [Shmurak M.I., Kuchumov A.G., Voronova N.O. Analysis of hyperelastic models to describe the behavior of soft tissues of the human body. 2017 Master’s J. 2017; 1: 230–43 (in Russian)]
  9. Kumar N., Rao V.V., Hyperelastic Mooney-Rivlin model: Determination and physical interpretation of material constants, MIT Int. J. of Mechanical Engineering. 2016; 6 (1): 43–6.
  10. Муслов С., Арутюнов С., Перцов С., Караков К. Анализ механических свойств волос человека с помощью гиперупругих моделей Муни–Ривлина. Современные вопросы биомедицины. 2023; 7 (2). doi: 10.51871/2588-0500_2023_07_02_ [Muslov S., Arutyunov S., Pertsov S., Karakov K. Analysis of the mechanical properties of human hair using Mooney-Rivlin hyperelastic models. Sovremennyye voprosy biomeditsiny. 2023; 7 (2). doi: 10.51871/2588-0500_2023_07_02_(in Russian)]
  11. Hill R. General theory of uniqueness and stability in elastic-plastic solids. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 1958; 6 (3): 236–49. doi: 10.1016/0022-5096(58)90029-2.
  12. Drucker D.C. A definition of a stable inelastic material. J. of Applied Mechanics. 1959; 26 (1): 101–95. doi: 10.1115/1.4011929.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Nail samples used for mechanical tests [3]

Download (315KB)
3. Fig. 2. Linear mechanical model of the nail (solid line). The dots indicate experimental data [3]

Download (101KB)
4. Fig. 3. Hyperelastic nail models (forecast) – solid lines, dots – experimental data [3]. Mathcad 15.0

Download (1MB)

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».