Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Xác định các thuộc tính cơ học phi tuyến dưới kéo-nén của sụn khớp từ thử nghiệm ấn
Tóm tắt
Thử nghiệm ấn được sử dụng rộng rãi để xác định các thuộc tính sinh cơ học tại chỗ của sụn khớp. Các tham số cơ học được ước lượng từ thử nghiệm phụ thuộc vào mô hình cấu trúc được áp dụng để phân tích dữ liệu. Tương tự như hầu hết các mô mềm, ma trận rắn của sụn thể hiện các thuộc tính cơ học khác nhau dưới kéo và nén, được gọi là phi tuyến tính kéo-nén (TCN). Trong nghiên cứu này, sụn được mô hình hóa như một vật liệu đàn hồi xốp với ma trận đàn hồi tuyến tính dạng nón có đối xứng lập phương hoặc một ma trận rắn được gia cố bằng phân bố sợi liên tục. Cả hai mô hình đều thường được sử dụng để mô tả TCN của sụn. Vai trò của từng thuộc tính cơ học trong việc xác định phản ứng ấn của sụn đã được xác định thông qua mô phỏng phần tử hữu hạn. Dưới tải trọng không đổi, biến dạng cân bằng của sụn phụ thuộc chủ yếu vào mô đun nén, trong khi hành vi trượt tạm thời ban đầu chủ yếu được điều chỉnh bởi độ cứng kéo. Quan trọng hơn, việc thay đổi độ thấm không làm thay đổi hình dạng của các đường cong trượt ấn, nhưng tạo ra một sự dịch chuyển song song theo hướng nằm ngang trên thang thời gian logarit. Dựa trên những phát hiện này, một thuật toán khớp đường cong hiệu quả cao đã được thiết kế, có thể xác định độc nhất ba thuộc tính cơ học chính của sụn (mô đun nén, mô đun kéo và độ thấm) từ một thử nghiệm ấn duy nhất. Kỹ thuật mới đã được thử nghiệm trên sụn đầu gối bò trưởng thành và so sánh với kết quả từ chương trình khớp đường cong đàn hồi tuyến tính hai pha cổ điển.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Allen, K. D., and K. A. Athanasiou. Viscoelastic characterization of the porcine temporomandibular joint disc under unconfined compression. J. Biomech. 39:312–322, 2006.
Appleyard, R. C., P. Ghosh, and M. V. Swain. Biomechanical, histological and immunohistological studies of patellar cartilage in an ovine model of osteoarthritis induced by lateral meniscectomy. Osteoarthr. Cartil. 7:281–294, 1999.
Ateshian, G. A., V. Rajan, N. O. Chahine, C. E. Canal, and C. T. Hung. Modeling the matrix of articular cartilage using a continuous fiber angular distribution predicts many observed phenomena. J. Biomech. Eng. 131:061003, 2009.
Athanasiou, K. A., A. Agarwal, and F. J. Dzida. Comparative study of the intrinsic mechanical properties of the human acetabular and femoral head cartilage. J. Orthop. Res. 12:340–349, 1994.
Athanasiou, K. A., M. P. Rosenwasser, J. A. Buckwalter, T. I. Malinin, and V. C. Mow. Interspecies comparisons of in situ intrinsic mechanical properties of distal femoral cartilage. J. Orthop. Res. 9:330–340, 1991.
Bae, W. C., C. W. Lewis, M. E. Levenston, and R. L. Sah. Indentation testing of human articular cartilage: effects of probe tip geometry and indentation depth on intra-tissue strain. J. Biomech. 39:1039–1047, 2006.
Bae, W. C., M. M. Temple, D. Amiel, R. D. Coutts, G. G. Niederauer, and R. L. Sah. Indentation testing of human cartilage: sensitivity to articular surface degeneration. Arthritis Rheum. 48:3382–3394, 2003.
Chahine, N. O., C. C. Wang, C. T. Hung, and G. A. Ateshian. Anisotropic strain-dependent material properties of bovine articular cartilage in the transitional range from tension to compression. J. Biomech. 37:1251–1261, 2004.
Chen, X., B. K. Zimmerman, and X. L. Lu. Determine the equilibrium mechanical properties of articular cartilage from the short-term indentation response. J. Biomech. 48:176–180, 2015.
Darling, E. M., S. Zauscher, and F. Guilak. Viscoelastic properties of zonal articular chondrocytes measured by atomic force microscopy. Osteoarthr. Cartil. 14:571–579, 2006.
Detamore, M. S., and K. A. Athanasiou. Tensile properties of the porcine temporomandibular joint disc. J. Biomech. Eng. 125:558–565, 2003.
DiSilvestro, M. R., Q. Zhu, M. Wong, J. S. Jurvelin, and J. K. Suh. Biphasic poroviscoelastic simulation of the unconfined compression of articular cartilage: I-Simultaneous prediction of reaction force and lateral displacement. J. Biomech. Eng. 123:191–197, 2001.
Fortin, M., J. Soulhat, A. Shirazi-Adl, E. B. Hunziker, and M. D. Buschmann. Unconfined compression of articular cartilage: nonlinear behavior and comparison with a fibril-reinforced biphasic model. J. Biomech. Eng. 122:189–195, 2000.
Guo, H., and R. L. Spilker. An augmented Lagrangian finite element formulation for 3D contact of biphasic tissues. Comput. Methods Biomech. Biomed. Eng. 17:1206–1216, 2014.
Gupta, S., J. Lin, P. Ashby, and L. Pruitt. A fiber reinforced poroelastic model of nanoindentation of porcine costal cartilage: a combined experimental and finite element approach. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2:326–337, 2009.
Han, L., E. H. Frank, J. J. Greene, H. Y. Lee, H. H. Hung, A. J. Grodzinsky, and C. Ortiz. Time-dependent nanomechanics of cartilage. Biophys. J. 100:1846–1854, 2011.
Hayes, W. C., L. M. Keer, G. Herrmann, and L. F. Mockros. A mathematical analysis for indentation tests of articular cartilage. J. Biomech. 5:541–551, 1972.
Huang, C. Y., M. A. Soltz, M. Kopacz, V. C. Mow, and G. A. Ateshian. Experimental verification of the roles of intrinsic matrix viscoelasticity and tension-compression nonlinearity in the biphasic response of cartilage. J. Biomech. Eng. 125:84–93, 2003.
Huang, C. Y., A. Stankiewicz, G. A. Ateshian, and V. C. Mow. Anisotropy, inhomogeneity, and tension-compression nonlinearity of human glenohumeral cartilage in finite deformation. J. Biomech. 38:799–809, 2005.
Julkunen, P., W. Wilson, H. Isaksson, J. S. Jurvelin, W. Herzog, and R. K. Korhonen. A review of the combination of experimental measurements and fibril-reinforced modeling for investigation of articular cartilage and chondrocyte response to loading. Comput. Math. Methods Med. 2013:326150, 2013.
Jurvelin, J. S., M. D. Buschmann, and E. B. Hunziker. Optical and mechanical determination of Poisson’s ratio of adult bovine humeral articular cartilage. J. Biomech. 30:235–241, 1997.
Le, N. A., and B. C. Fleming. Measuring fixed charge density of goat articular cartilage using indentation methods and biochemical analysis. J. Biomech. 41:715–720, 2008.
LeRoux, M. A., and L. A. Setton. Experimental and biphasic FEM determinations of the material properties and hydraulic permeability of the meniscus in tension. J. Biomech. Eng. 124:315–321, 2002.
Li, Q., B. Doyran, L. W. Gamer, X. L. Lu, L. Qin, C. Ortiz, A. J. Grodzinsky, V. Rosen, and L. Han. Biomechanical properties of murine meniscus surface via AFM-based nanoindentation. J. Biomech. 48:1364–1370, 2015.
Lu, X. L., and V. C. Mow. Biomechanics of articular cartilage and determination of material properties. Med. Sci. Sports Exerc. 40:193–199, 2008.
Lu, X. L., D. D. Sun, X. E. Guo, F. H. Chen, W. M. Lai, and V. C. Mow. Indentation determined mechanoelectrochemical properties and fixed charge density of articular cartilage. Ann. Biomed. Eng. 32:370–379, 2004.
Maas, S. A., B. J. Ellis, G. A. Ateshian, and J. A. Weiss. FEBio: finite elements for biomechanics. J. Biomech. Eng. 134:011005, 2012.
Mak, A. F., W. M. Lai, and V. C. Mow. Biphasic indentation of articular cartilage—I. Theoretical analysis. J Biomech. 20:703–714, 1987.
Makela, J. T., M. R. Huttu, and R. K. Korhonen. Structure-function relationships in osteoarthritic human hip joint articular cartilage. Osteoarthr. Cartil. 20:1268–1277, 2012.
Mow, V. C., M. C. Gibbs, W. M. Lai, W. B. Zhu, and K. A. Athanasiou. Biphasic indentation of articular cartilage—II. A numerical algorithm and an experimental study. J. Biomech. 22:853–861, 1989.
Mow, V. C., W. Y. Gu, and F. H. Chen. Structure and function of articular cartilage and meniscus. In: Basic orthopaedic biomechanics and mechano-biology, edited by V. C. Mow, and R. Huiskes. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2005, pp. 181–258.
Mow, V. C., S. C. Kuei, W. M. Lai, and C. G. Armstrong. Biphasic creep and stress relaxation of articular cartilage in compression? Theory and experiments. J Biomech Eng. 102:73–84, 1980.
Moyer, J. T., A. C. Abraham, and T. L. Haut Donahue. Nanoindentation of human meniscal surfaces. J. Biomech. 45:2230–2235, 2012.
Park, S., R. Krishnan, S. B. Nicoll, and G. A. Ateshian. Cartilage interstitial fluid load support in unconfined compression. J. Biomech. 36:1785–1796, 2003.
Ruggiero, L., B. K. Zimmerman, M. Park, L. Han, L. Wang, D. L. Burris and X. L. Lu. Roles of the Fibrous Superficial Zone in the Mechanical Behavior of TMJ Condylar Cartilage. Ann. Biomed. Eng. PMID: 25893511, 2015.
Simha, N. K., H. Jin, M. L. Hall, S. Chiravarambath, and J. L. Lewis. Effect of indenter size on elastic modulus of cartilage measured by indentation. J. Biomech. Eng. 129:767–775, 2007.
Soltz, M. A., and G. A. Ateshian. A conewise linear elasticity mixture model for the analysis of tension-compression nonlinearity in articular cartilage. J. Biomech. Eng. 122:576–586, 2000.
Spilker, R. L., J. K. Suh, and V. C. Mow. A finite element analysis of the indentation stress-relaxation response of linear biphasic articular cartilage. J. Biomech. Eng. 114:191–201, 1992.
Taffetani, M., M. Griebel, D. Gastaldi, S. M. Klisch, and P. Vena. Poroviscoelastic finite element model including continuous fiber distribution for the simulation of nanoindentation tests on articular cartilage. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 32:17–30, 2014.
Wang, C. C., J. M. Deng, G. A. Ateshian, and C. T. Hung. An automated approach for direct measurement of two-dimensional strain distributions within articular cartilage under unconfined compression. J. Biomech. Eng. 124:557–567, 2002.
Williamson, A. K., A. C. Chen, K. Masuda, E. J. Thonar, and R. L. Sah. Tensile mechanical properties of bovine articular cartilage: variations with growth and relationships to collagen network components. J. Orthop. Res. 21:872–880, 2003.
Williamson, A. K., A. C. Chen, and R. L. Sah. Compressive properties and function-composition relationships of developing bovine articular cartilage. J. Orthop. Res. 19:1113–1121, 2001.
Wilson, W., C. C. van Donkelaar, B. van Rietbergen, and R. Huiskes. A fibril-reinforced poroviscoelastic swelling model for articular cartilage. J. Biomech. 38:1195–1204, 2005.
Wilson, W., C. C. van Donkelaar, B. van Rietbergen, K. Ito, and R. Huiskes. Stresses in the local collagen network of articular cartilage: a poroviscoelastic fibril-reinforced finite element study. J. Biomech. 37:357–366, 2004.