使用受约束反应混合理论建模软骨和纤维生物组织的疲劳失效
Brandon K Zimmerman1, Steve A Maas2, Jeffrey A Weiss2
1Department of Mechanical Engineering, Columbia University, New York, NY 10027.
Journal of biomechanical engineering
|August 17, 2024
概括
这项研究引入了一个计算框架,用于在长时间内模拟软组织的疲劳失败. 该模型基于反应动力学,准确地预测了组织损伤的进展,并有助于了解骨关节炎等慢性损伤.
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:
- 软组织的疲劳失败对于骨关节炎等慢性损伤至关重要.
- 长时间的损伤进展阻碍了对故障机制的理解.
- 经过验证的计算模型对于分析疲劳失败因素至关重要.
研究的目的:
- 提出一种用于纤维生物组织疲劳失败的新型计算框架.
- 基于降解和破碎的材料组成随着时间的推移演变的建模.
- 将基于能源的疲劳和损伤标准纳入模型.
主要方法:
- 利用反应式受约束混合理论和质量平衡的公理.
- 实施基于能量的反应速率来控制疲劳的进展.
- 开发了用户选择的物质损坏倾向的概率函数.
- 使用开源FEBio有限元素软件验证了框架.
主要成果:
- 该框架与实验数据进行了验证和验证,将预测的损害与生物化学分析联系起来.
- 在摩擦接触期间对软骨疲劳的应用显示,由于摩擦而导致的进展增加,但循环负荷是主要的驱动因素.
- 该模型成功模拟了之前的实验.
结论:
- 开发的理论模型准确地预测了生物组织中依赖时间的疲劳失败.
- 这一框架补充了实验发现,促进了对慢性软组织损伤的理解.
- 这项研究强调了计算模型在生物力学研究中的潜力.


