在人类脊椎间盘压缩过程中,流体微观结构相互作用的多尺度有限元素模型

科学领域:

• 生物力学 生物力学
• 计算机建模 计算建模
• 脊柱研究 脊柱研究

背景情况:

• 人体脊椎间盘 (IVD) 是一个复杂的结构,对脊柱功能至关重要.
• 现有的计算模型很难捕捉到IVD的非线性,时间依赖和异构的机械行为.
• 了解IVD机制对于解决脊柱退化和损伤至关重要.

研究的目的:

• 开发和验证整个人类椎间盘 (IVD) 的一个多尺度双相有限元素模型.
• 为了整合核肉质 (NP),纤维状环 (AF) 和软骨末端板 (CEPs) 的异质,异构和流体-固体合性质.
• 为了研究流体微观结构相互作用在各种负载条件下对IVD机制的影响.

主要方法:

• 将AF的验证的双相有限元模型扩展到一个全尺寸的IVD模型.
• 在AF内内嵌的原纤维网络和膜间结构.
• 采用了一种多尺度识别策略,将微观结构性质与宏观行为联系起来,以及用于几何变化的自动网格方法.
• 在压缩爬行恢复,循环压缩和逐步压缩放松协议下对实验数据进行了模型验证.

主要成果:

• 该模型准确地复制了全球和区域的IVD机制,包括能量吸收和应变率灵敏度.
• 数字结果证明了流体微结构相互作用在控制IVD行为中的重要作用.
• 评估了诸如预加载时间,水分和几何等关键实验因素,揭示了它们对IVD反应的影响.

结论:

• 经过验证的多尺度双相有限元素模型为模拟人类IVD生物力学提供了强大的计算基础.
• 该模型成功地捕捉了由流体微观结构相互作用驱动的复杂,时间依赖的行为.
• 这种预测框架有助于更好地理解IVD退化,并支持在脊柱健康领域的未来临床应用.