Modelling the time-dependent, damage and fracture mechanical properties of load-bearing soft biological tissues

Abstract

Mjuk biologisk vävnad som belastas mekaniskt uppvisar en myriad av komplexa tidsberoenden samt skade- och brottmekaniska egenskaper. Fördjupad kunskap om dessa beteenden bidrar väsentligt till att karakterisera tåligheten mot skador och kan ge värdefulla insikter om förekomst och utveckling av vissa sjukdomar. Förbättrad kunskap inom detta område är till stor fördel för att framgångsrikt kunna tillämpa ingenjörskoncept i klinisk praktik. Dessutom kan det hjälpa till att främja förebyggande åtgärder, strategier för patientbehandling och optimal utformning av medicinsk utrustning. Det makroskopiska materialbeteendet hos mjuk vävnad är oupplösligt kopplat till deformationen av mekaniskt signifikanta extracellulära matriskomponenter (ECM, ExtraCellular Matrix) som fibrös kollagen och associerade beståndsdelar som proteoglykaner. Kunskap saknas om egenskaperna i dragning för kollagenös ECM på olika längdskalor. Det finns inneboende utmaningar förknippade med experimentell bestämning av dessa, vilket motiverat användningen av modelleringsstrategier som ett effektivt undersökningsverktyg. Denna avhandling behandlar utformningen av generaliserade konstitutiva beskrivningar som pekar på framträdande mikrostrukturell deformation och skaderelaterade mekanismer.

I artikel A introduceras ett multipel-skala konstitutivt ramverk som baseras på en ny beskrivning av kollagen. Beskrivningen innefattar gradvis aktivering av vågformade kollagenfibriller och introducerar proteoglykanmedierad tidsberoende fibrillär glidning. Avgörande är att deformationen av proteoglykan möjliggör en minskning av överbelastade fibriller mot en preferentiell homeostatisk spänning. En implicit Finita Element-implementering av modellen använder en interpolationsstrategi för bestämning av kollagenfiberspänning och resulterar i en minneseffektiv representation av modellen. Ett antal testfall, inklusive patientspecifika geometrier, påvisar beskrivningens effektivitet och visar också dess förmåga att förklara kvalitativa egenskaper som rapporterats från makroskopiska experimentella studier av senor och kärlvävnad.

I artikel B utökas beskrivningen så att den även innefattar en mekanism för interfibrillärt brott (fibrill-utdragning). Det resulterande skadeinducerade mekaniska beteendet över flera längdskalor påvisas för denna mikrostrukturellt motiverade kontinuumskademodell. Ett angreppssätt av typen "nerifrån-och-upp" demonstreras, där en en-elements modell används för att representera de olika brottmoderna. Det resulterar i en kvalitativ beskrivning av brott i mjuk vävnad, till vilken en lämplig kohesiv zon-modell för den ekvivalenta brottytan sedan kalibreras. Genom detta härleds en ytbaserad diskontinuerlig karakterisering av brott direkt från irreversibla och dissipativa skademekanismer från mikroskalan.

I artikel C presenteras en koppling mellan ovanstående kontinuumskademodell och en inbyggd fenomenologisk representation av brottytan. Vävnadsseparation (brott) redovisas där genom att inkorporera sprickan, med sin kohesiva zon, som en byggsten i finita element-metoden. En potentialfunktion för transversellt isotrop kohesiv spricka (per enhet odeformerad area) introduceras som omfattar tidsberoende skadeutveckling och beskriver brott vid blandat modus. Dessutom beskrivs en ny sprickinitieringsmodell som utgår från förekomsten av lokaliserad deformation i kontinuumet och orienteringen för en tänkt diskontinuitet. Metodiken demonstreras genom att den tillämpas på två representativa numeriska simuleringar. Den visar sig vara både robust och mångsidig.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-326231