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Type: DISSERTAÇÃO DIGITAL
Degree Level: Mestrado
Title: Multiscale anisotropic elastostatic homogenization of healthy and osteoporotic bone tissue using 3D BEM : Homogeneização multiescala elastostática anisotrópica de tecido ósseo saudável e osteoporótico usando BEM 3D
Title Alternative: Homogeneização multiescala elastostática anisotrópica de tecido ósseo saudável e osteoporótico usando BEM 3D
Author: Mesa Prada, Daniel Alfonso, 1989-
Advisor: Sollero, Paulo, 1950-
Abstract: Resumo: O tecido ósseo é um arranjo de estruturas que está constantemente se adaptando a estímulos. Com o envelhecimento populacional, o número de doenças relacionadas ao tecido ósseo vem crescendo significativamente. O tratamento dessas enfermidades envolve uma fixação interna que, sob a presença de fatores de risco, como a osteoporose, pode causar fraturas adicionais devido ao fenômeno de stress shielding (REISER ET AL., 2013). Com o objetivo de superar este problema, alguns autores têm proposto estratégias como biomateriais porosos e functionall graded (HE ET AL.; RYAN ET AL.; SHIRAZIA ET AL., 2017; 2006; 2017). Assim, para implementar com sucesso tais estratégias, é necessário conhecer as propriedades elásticas anisotrópicas do tecido ósseo a ser tratado, buscando a modelagem personalizada das próteses. Este trabalho apresenta uma análise de homogeneização multiescala elastoestática de estruturas ósseas utilizando o BEM. O tecido ósseo é analisado desde a escala subnano até osso total. A escala subnano foi analisada usando a teoria de Voigh e Reuss (YOON AND COWIN, 2008). As escalas nano, matriz de osteon e osso trabecular foram analisadas com a formulação elastostática do BEM, solução fundamental baseada em séries duplas de Fourier e em um algoritmo de múltiplos domínios. Os osteônios e a trabécula foram analisados com sucesso utilizando a técnica de homogeneização proposta neste trabalho, mostrando a capacidade de considerar a anisotropia curvilínea das lamelas. A solução numérica dos campos de tensão e deformação de todo o osso foi avaliada em um modelo real de fêmur. Os osteônios e geometrias corticais foram modelados a partir de uma microscopia real e todo o osso foi modelo utilizando uma CT real. Os tensores de rigidez homogeneizados de todas as escalas mostraram uma dependência linear em relação ao MVF (v versions). A consideração do 19% do MVF, dentro das fibrilas (abordagem multiescala 1), mostra um aumento na rigidez em relação ao modelo onde o mesmo não considerado (outras abordagens multiescala). Os valores do tensor de rigidez elástica de todas as escalas mostram uma redução de mais de 30% entre uma pessoa normal (v = 4) e uma pessoa que sofre de osteoporose grave (v = 1). Na escala do osteon, os valores do tensor de rigidez elástica mostram uma alteração menor que 3% de um osteon para outro. Na escala cortical, as cavidades (canais de Havers) diminuíram a rigidez do tecido em relação à nanoescala, resultando em uma alteração de 10% dos valores do tensor de rigidez elástica. Finalmente, o tecido ósseo trabecular cuja função é absorver cargas de impacto, mostra valores de tensores de rigidez de, aproximadamente, 10% da nanoescala

Abstract: Bone tissue is an intricate arrangement of structures which are constantly adapting in response to biomechanical and biochemical stimuli. Many health conditions are related with bone tissue. The treatment commonly involves an internal fixation. Which, under the presence of risk factors, like osteoporosis, could cause further fractures due to the stress shielding phenomenon (REISER ET AL., 2013). Aiming to overcome this problem, some authors have proposed strategies like porous and functionally graded biomaterials ( HE ET AL., 2017; RYAN ET AL., 2006; SHIRAZIA ET AL., 2017). Therefore, to successfully implement such strategies, it is necessary to know the anisotropic elastic properties of the bone tissue to be treated, in pursuance of personalized internal fixations and prosthesis design. This work presents a multiscale elastostatic BEM homogenization analysis of bone structures from the sub-nano to the whole bone. The sub-nanoscale was analyzed using Voigh and Reuss bonds theory, as is suggested in (YOON AND COWIN, 2008). The nano, cortical, osteon¿s matrix and trabecular bone scales were analyzed using the elastostatic BEM formulation with the fundamental solution based on double Fourier series and the multidomain algorithm. The osteons and the single trabecula were successfully analyzed using the homogenization technique proposed in this work, bringing the ability to consider the lamella¿s curvilinear anisotropy. Finally, the numerical solution of the stress and strain fields of the whole bone were assessed on a real femur model. The osteons and cortical geometries were model from a real high-resolution microscopy and the whole bone was model from a real computerized tomography. Additionally, it was proposed a 3D BEM meshing methodology, which evidenced great versatility and was extremely useful in the high complex mesh bone modeling process. The homogenized stiffness tensors of all scales shown a linear dependence with respect to the MVF (v versions). The consideration of the 19% of the MVF, inside the fibrils (multiscale approach 1), shows an increase in stiffness regards to no consider it (others multiscale approaches). The elastic stiffness tensor values of all scales show a reduction more than 30% between a normal person (v = 4) and one who suffer severe osteoporosis (v = 1). The elastic stiffness tensor values of the osteon scale show a change less than 3% from one osteon to another. Into the cortical scale, the hollows (Haversian canals) decreased the stiffness of the tissue regards to the nanoscale, resulting in a change of 10% of elastic stiffness tensor values. Finally, the trabecular bone tissue, who has a function to absorb impact loads, show stiffness tensor values of approximately 10% of the nanoscale
Subject: Multiescala
Ossos - Regeneração
Osteoporose
Anisotropia
Language: Inglês
Editor: [s.n.]
Citation: MESA PRADA, Daniel Alfonso. Multiscale anisotropic elastostatic homogenization of healthy and osteoporotic bone tissue using 3D BEM: Homogeneização multiescala elastostática anisotrópica de tecido ósseo saudável e osteoporótico usando BEM 3D. 2019. 1 recurso online (119 p.). Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP.
Date Issue: 2019
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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