Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Tác động của việc bao gồm tổn thương ở cấp mô trong sự đồng nhất phi tuyến của xương xốp
Tóm tắt
Việc có thể dự đoán gãy xương hoặc sự ổn định của cấy ghép cần một mô hình cấu trúc thích hợp cho xương xốp ở quy mô vĩ mô trong các chế độ tải trọng đa trục, phi đơn điệu. Hành vi hư hỏng vĩ mô của nó đã được nghiên cứu thực nghiệm trong quá khứ, chủ yếu với sự hạn chế của các thí nghiệm tải trọng tuần hoàn đơn trục cho các mẫu khác nhau, không cho phép nghiên cứu nhiều trường hợp tải trọng trong cùng một mẫu vì tổn thương theo một hướng có thể ảnh hưởng đến hành vi ở các hướng khác. Các mô hình phần tử hữu hạn đã được đồng nhất hóa của toàn bộ xương có tiềm năng đánh giá các kịch bản phức tạp và do đó cải thiện dự đoán lâm sàng. Mục tiêu của nghiên cứu này là sử dụng quy trình đa quy mô dựa trên đồng nhất hóa để nâng cao hành vi hư hỏng của xương từ một luật cấu trúc pha rắn giả định và điều tra hành vi đa trục của nó lần đầu tiên. Mười hai mẫu hình lập phương đã được nạp vào chín lịch sử biến dạng tỷ lệ bằng cách sử dụng một mã song song được phát triển nội bộ. Sự phát triển của các thuộc tính sau đàn hồi cho xương xốp đã được đánh giá đối với một phạm vi nhỏ các biến dạng plastic vĩ mô trong chín trường hợp tải trọng này. Sự phát triển tổn thương được phát hiện là không đồng hướng, và cả tổn thương và độ cứng đều phụ thuộc vào chế độ tải trọng (kéo, nén hoặc cắt); cả hai đều được đặc trưng bởi các quy luật tuyến tính với các hệ số xác định tương đối cao. Dự kiến rằng kiến thức về hành vi vĩ mô của xương xốp thu được trong nghiên cứu này sẽ giúp tạo ra các mô hình phần tử hữu hạn liên tục chính xác hơn của toàn bộ xương, từ đó cải thiện dự đoán lâm sàng.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Bayraktar HH, Keaveny TM (2004) Mechanisms of uniformity of yield strains for trabecular bone. J Biomech 37(11):1671–1678
Bevill G, Eswaran SK, Gupta A, Papadopoulos P, Keaveny TM (2006) Influence of bone volume fraction and architecture on computed large-deformation failure mechanisms in human trabecular bone. Bone 39(6):1218–1225
Blanchard R, Dejaco A, Bongaers E, Hellmich C (2013) Intravoxel bone micromechanics for microCT-based finite element simulations. J Biomech 46(15):2710–2721
Carnelli D, Gastaldi D, Sassi V, Contro R, Ortiz C, Vena P (2010) A finite element model for direction-dependent mechanical response to nanoindentation of cortical bone allowing for anisotropic post-yield behavior of the tissue. J Biomech Eng. doi:10.1115/1.4001358
Completo A, Simões JA, Fonseca F (2009) Revision total knee arthroplasty: the influence of femoral stems in load sharing and stability. Knee 16(4):275–279
Conlisk N, Howie CR, Pankaj P (2015) The role of complex clinical scenarios in the failure of modular components following revision total knee arthroplasty: a finite element study. J Orthop Res 33(8):1134–1141
Cowin S (1985) The relationship between the elasticity tensor and the fabric tensor. Mech Mater 4(2):137–147
Cowin S (1986) Fabric dependence of an anisotropic strength criterion. Mech Mater 5(3):251–260
Cowin S (1997) Remarks on the paper entitled ‘Fabric and elastic principal directions of cancellous bone are closely related’. J Biomech 30(11–12):1191–1192
Daszkiewicz K, Maquer G, Zysset PK (2016) The effective elastic properties of human trabecular bone may be approximated using micro-finite element analyses of embedded volume elements. Biomech Model Mechanobiol. doi:10.1007/s10237-016-0849-3
de Souza Neto EA, Peric D, Owen DRJ (2008) Computational methods for plasticity: theory and applications, 1st edn. Wiley, Chichester
Doube M, Kłosowski MM, Arganda-Carreras I, Cordelières FP, Dougherty RP, Jackson JS, Schmid B, Hutchinson JR, Shefelbine SJ (2010) BoneJ: free and extensible bone image analysis in ImageJ. Bone 47(6):1076–1079
Garcia D, Zysset PK, Charlebois M, Curnier A (2009) A three-dimensional elastic plastic damage constitutive law for bone tissue. Biomech Model Mechanobiol 8(2):149–165
Gómez W, Sales E, Lopes RT, Pereira WCA (2013) A comparative study of automatic thresholding approaches for 3D X-ray microtomography of trabecular bone. Med Phys. doi:10.1118/1.4817235
Gross T, Pahr DH, Peyrin F, Zysset PK (2012) Mineral heterogeneity has a minor influence on the apparent elastic properties of human cancellous bone: a SR\(\upmu \)CT-based finite element study. Comput Methods Biomech Biomed Eng 15(11):1137–1144
Gupta HS, Wagermaier W, Zickler GA, Hartmann J, Funari SS, Roschger P, Wagner HD, Fratzl P (2006) Fibrillar level fracture in bone beyond the yield point. Int J Fract 139(3–4):425–436
Harrigan TP, Mann RW (1984) Characterization of microstructural anisotropy in orthotropic materials using a second rank tensor. J Mater Sci 19(3):761–767
Harrigan TP, Jasty M, Mann RW, Harris WH (1988) Limitations of the continuum assumption in cancellous bone. J Biomech 21(4):269–275
Helgason B, Perilli E, Schileo E, Taddei F, Brynjólfsson S, Viceconti M (2008) Mathematical relationships between bone density and mechanical properties: a literature review. Clin Biomech 23(2):135–146
Hollister SJ, Kikuchi N (1992) A comparison of homogenization and standard mechanics analyses for periodic porous composites. Comput Mech 10(2):73–95
Hollister SJ, Brennan JM, Kikuchi N (1994) A homogenization sampling procedure for calculating trabecular bone effective stiffness and tissue level stress. J Biomech 27(4):433–444
Hosseini HS, Clouthier AL, Zysset PK (2014) Experimental validation of finite element analysis of human vertebral collapse under large compressive strains. J Biomech Eng. doi:10.1115/1.4026409
Keaveny TM, Wachtel EF, Guo XE, Hayes WC (1994) Mechanical behavior of damaged trabecular bone. J Biomech 27(11):1309–1318
Keaveny TM, Pinilla TP, Crawford RP, Kopperdahl DL, Lou A (1997) Systematic and random errors in compression testing of trabecular bone. J Orthop Res 15(1):101–110
Keaveny TM, Wachtel EF, Kopperdahl DL (1999) Mechanical behavior of human trabecular bone after overloading. J Orthop Res 17(3):346–353
Keller TS (1994) Predicting the compressive mechanical behavior of bone. J Biomech 27(9):1159–1168
Kopperdahl DL, Keaveny TM (1998) Yield strain behavior of trabecular bone. J Biomech 31(7):601–608
Lambers FM, Bouman AR, Tkachenko EV, Keaveny TM, Hernandez CJ (2014) The effects of tensile-compressive loading mode and microarchitecture on microdamage in human vertebral cancellous bone. J Biomech 47(15):3605–3612
Levrero-Florencio F, Margetts L, Sales E, Xie S, Manda K, Pankaj P (2016) Evaluating the macroscopic yield behaviour of trabecular bone using a nonlinear homogenisation approach. J Mech Behav Biomed Mater 61:384–396
Maghous S, Dormieux L, Barthélémy J (2009) Micromechanical approach to the strength properties of frictional geomaterials. Eur J Mech A Solids 28(1):179–188
Manda K, Xie S, Wallace RJ, Levrero-Florencio F, Pankaj P (2016) Linear viscoelasticity—bone volume fraction relationships of bovine trabecular bone. Biomech Model Mechanobiol 15(6):1631–1640
Margetts L (2002) Parallel finite element analysis. Ph.D. thesis, University of Manchester. https://www.escholar.manchester.ac.uk/uk-ac-man-scw:70784
Nawathe S, Juillard F, Keaveny TM (2013) Theoretical bounds for the influence of tissue-level ductility on the apparent-level strength of human trabecular bone. J Biomech 46(7):1293–1299
Odgaard A, Kabel J, van Rietbergen B, Dalstra M, Huiskes R (1997) Fabric and elastic principal directions of cancellous bone are closely related. J Biomech 30(5):487–495
Pankaj P (2013) Patient-specific modelling of bone and bone-implant systems: the challenges. Int J Numer Methods Biomed Eng 29(1):233–249
Pankaj P, Donaldson FE (2013) Algorithms for a strain-based plasticity criterion for bone. Int J Numer Methods Biomed Eng 29(1):40–61
Panyasantisuk J, Pahr DH, Zysset PK (2015) Effect of boundary conditions on yield properties of human femoral trabecular bone. Biomech Model Mechanobiol 15(5):1043–1053
Pérez-Foguet A, Armero F (2002) On the formulation of closest-point projection algorithms in elastoplasticity—part II: globally convergent schemes. Int J Numer Methods Eng 53(2):331–374
Ponthot JP (1998) An extension of the radial return algorithm to account for rate-dependent effects in frictional contact and visco-plasticity. J Mater Process Technol 80–81:628–634
Reisinger AG, Pahr DH, Zysset PK (2010) Sensitivity analysis and parametric study of elastic properties of an unidirectional mineralized bone fibril-array using mean field methods. Biomech Model Mechanobiol 9(5):499–510
Renders GAP, Mulder L, Langenbach GEJ, van Ruijven LJ, van Eijden TMGJ (2008) Biomechanical effect of mineral heterogeneity in trabecular bone. J Biomech 41(13):2793–2798
Rincón-Kohli L, Zysset PK (2009) Multi-axial mechanical properties of human trabecular bone. Biomech Model Mechanobiol 8(3):195–208
Sanyal A, Gupta A, Bayraktar HH, Kwon RY, Keaveny TM (2012) Shear strength behavior of human trabecular bone. J Biomech 45(15):2513–2519
Sanyal A, Scheffelin J, Keaveny TM (2015) The quartic piecewise-linear criterion for the multiaxial yield behavior of human trabecular bone. J Biomech Eng. doi:10.1115/1.4029109
Schileo E, Dall’ara E, Taddei F, Malandrino A, Schotkamp T, Baleani M, Viceconti M (2008) An accurate estimation of bone density improves the accuracy of subject-specific finite element models. J Biomech 41(11):2483–2491
Schwiedrzik JJ, Zysset PK (2013) An anisotropic elastic-viscoplastic damage model for bone tissue. Biomech Model Mechanobiol 12(2):201–213
Schwiedrzik JJ, Zysset PK (2015) The influence of yield surface shape and damage in the depth-dependent response of bone tissue to nanoindentation using spherical and Berkovich indenters. Comput Methods Biomech Biomed Eng 18(5):492–505
Schwiedrzik JJ, Wolfram U, Zysset PK (2013) A generalized anisotropic quadric yield criterion and its application to bone tissue at multiple length scales. Biomech Model Mechanobiol 12(6):1155–1168
Schwiedrzik J, Raghavan R, Bürki A, LeNader V, Wolfram U, Michler J, Zysset P (2014) In situ micropillar compression reveals superior strength and ductility but an absence of damage in lamellar bone. Nat Mater 13(7):740–747
Schwiedrzik J, Gross T, Bina M, Pretterklieber M, Zysset P, Pahr D (2016) Experimental validation of a nonlinear \({\upmu }\)FE model based on cohesive-frictional plasticity for trabecular bone. Int J Numer Methods Biomed Eng. doi:10.1002/cnm.2739
Shi X, Liu XS, Wang X, Guo XE, Niebur GL (2010) Effects of trabecular type and orientation on microdamage susceptibility in trabecular bone. Bone 46(1):1260–1266
Smith IM, Griffiths DV, Margetts L (2013) Programming the finite element method. Wiley, New York
Stölken J, Kinney J (2003) On the importance of geometric nonlinearity in finite-element simulations of trabecular bone failure. Bone 33(4):494–504
Sun X, Hoon Jeon J, Blendell J, Akkus O (2010) Visualization of a phantom post-yield deformation process in cortical bone. J Biomech 43(10):1989–1996
Tai K, Ulm FJ, Ortiz C (2006) Nanogranular origins of the strength of bone. Nano Lett 6(11):2520–2525
Tassani S, Ohman C, Baruffaldi F, Baleani M, Viceconti M (2011) Volume to density relation in adult human bone tissue. J Biomech 44(1):103–108
The MPI Forum (1993) MPI: a message passing interface. In: Proceedings of the conference on high performance networking and computing, pp 878–883. doi:10.1109/SUPERC.1993.1263546
Turner CH, Cowin SC, Rho JY, Ashman RB, Rice JC (1990) The fabric dependence of the orthotropic elastic constants of cancellous bone. J Biomech 23(6):549–561
van Rietbergen B, Weinans H, Huiskes R, Odgaard A (1995) A new method to determine trabecular bone elastic properties and loading using micromechanical finite-element models. J Biomech 28(1):69–81
van Rietbergen B, Odgaard A, Kabel J, Huiskes R (1996) Direct mechanics assessment of elastic symmetries and properties of trabecular bone architecture. J Biomech 29(12):1653–1657
Wang C, Feng L, Jasiuk I (2009) Scale and boundary conditions effects on the apparent elastic moduli of trabecular bone modeled as a periodic cellular solid. J Biomech Eng. doi:10.1115/1.4000192
Wolfram U, Gross T, Pahr DH, Schwiedrzik J, Wilke HJ, Zysset PK (2012) Fabric-based Tsai–Wu yield criteria for vertebral trabecular bone in stress and strain space. J Mech Behav Biomed Mater 15:218–228
Zioupos P, Hansen U, Currey JD (2008) Microcracking damage and the fracture process in relation to strain rate in human cortical bone tensile failure. J Biomech 41(14):2932–2939
Zysset PK (2003) A review of morphology elasticity relationships in human trabecular bone: theories and experiments. J Biomech 36(10):1469–1485
Zysset PK, Curnier A (1995) An alternative model for anisotropic elasticity based on fabric tensors. Mech Mater 21(4):243–250
Zysset PK, Curnier A (1996) A 3D damage model for trabecular bone based on fabric tensors. J Biomech 29(12):1549–1558