轨道水平的机械适应:对形态变化的数值分析
Ekaterina Smotrova1, Simin Li2, Vadim V Silberschmidt2
1Wolfson School of Mechanical, Electrical and Manufacturing Engineering, Loughborough University, Loughborough, UK; Laboratory of Mechanics of Biocompatible Materials and Devices, Perm National Research Polytechnic University, Komsomolsky Ave., 29, Perm, 614000, Russia.
骨梁通过六种机制使它们的形状和结构适应机械负荷,改善硬度和减少压力. 这项研究详细介绍了这些负载驱动的变化在个别的尾层面.
科学领域:
- 生物力学 生物力学
- 材料科学 材料科学 材料科学
- 计算生物学 计算生物学
背景情况:
- 骨头是一种动态的生物材料,它根据机械负荷而适应其结构和机械特性.
- 椎骨适应通常涉及增强硬性和沿着负载方向对其架构进行重新调整.
- 虽然组织和器官层面的适应得到了充分的研究,但在个体尾层面的适应过程仍然不太了解.
研究的目的:
- 描述和分类由负载驱动的形态变化,这些变化发生在单个尾层面.
- 为了确定这些形态适应在trabeculae背后的主要驱动因素.
- 为了研究这些适应在椎骨上的机械后果.
主要方法:
- 实施了基于机制调节的骨适应的数值模型.
- 一个用户定义的子程序修改了基于机械刺激大小的轨道状物质.
- 在压缩或剪切负荷下分析了各种形状的梯形的有限元模型.
主要成果:
- 在压力或剪切负荷下,trabeculae表现出形态演变,包括重定向,分裂,合并,再吸收,稀薄和加厚.
- 在12个分析的案例中,确定了6种不同的形态进化的机制.
- 模拟的适应始终降低了平均·米塞斯应力,并提高了对负载的抵抗力.
结论:
- 在对机械刺激的反应中,状经历了显著的形态变化.
- 这些适应机制增强了椎骨的机械完整性和承载能力.
- 了解尾层面的适应,可以了解骨的弹性和机械生物学.
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