Dissertação

{en_GB=Finite Element Simulation of the electro-chemo-mechanical behavior of articular cartilage } {} EVALUATED

{pt=A cartilagem articular é um meio poroso, reforçado por fibras de colagénio e saturado por um eletrólito aquoso. A presença de macromoléculas eletricamente carregadas, os proteoglicanos, origina fenómenos de interação eletro-quimio-mecânica que otimizam a adaptação do tecido às ações fisiológicas. No presente trabalho, (1) uma lei constitutiva e (2) um modelo de difusão generalizada para a cartilagem articular, desenvolvidos por Loret et al. [1–3], são considerados. Neste modelo, as fibras de colagénio constituem a fase sólida do meio poroso, enquanto que a fase fluida é composta por água, proteoglicanos e sais inorgânicos dissolvidos. Um programa de elementos finitos formulado com base no modelo referido é desenvolvido em ambiente MATLAB com o objetivo de simular numericamente a resposta de um provete de cartilagem articular à combinação de ações químicas e mecânicas. O provete de cartilagem articular, lateralmente confinado, está imerso num banho cuja composição química pode ser alterada, admitindo-se que existe sempre equilíbrio eletro-químico na interface entre o banho e o tecido. No entanto, o equilíbrio no interior do tecido não é atingido instantaneamente. De facto, o tempo necessário para se estabelecer o regime permanente depende de várias propriedades materiais como, por exemplo, o tempo de percolação e o tempo de difusão associados à lei de Darcy e à lei de Fick, respetivamente. Nas simulações numéricas obtêm-se perfis espaciais e temporais de várias grandezas mecânicas, químicas e elétricas definidas no interior do tecido, devidos à ação isolada ou combinada de carregamentos químicos e mecânicos, que permitem caracterizar o seu comportamento., en=Articular cartilage is a porous medium, reinforced by collagen fibers and saturated by an aqueous electrolyte. The presence of electrically charged macro-molecules, the proteoglycans, leads to electrochemo-mechanical interactions in the tissue which enhance its adaptation to physiological actions. In the present work, (1) a constitutive law, and (2) a generalized diffusion model for articular cartilage, proposed by Loret et al. [1–3], are considered. In such model, the collagen fibers constitute the solid phase of the porous medium, whilst the fluid phase is composed by water, proteoglycans and dissolved inorganic salts. A finite element program is developed in MATLAB environment, whose formulation is based on the defined model, with the purpose of numerically simulate the response of an articular cartilage sample to a combination of chemical and mechanical actions. A sample of articular cartilage, laterally confined, is immersed in a bath of variable chemical composition, always assuming the existence of electro chemical equilibrium in the tissue-bath interface. Nonetheless, inside the tissue the equilibrium is not attained instantaneously. In fact, the time needed to establish a permanent regimen depends on the problem geometry and on some material properties, namely the percolation and diffusion times associated with Darcy’s and Fick’s laws, respectively. In the numerical simulations, spatial and temporal profiles are obtained, for several electrical, chemical and mechanical variables defined in the interior of the tissue, under the action of chemical and mechanical loads, which allow to characterize its behavior.}
{pt=Cartilagem articular, Osteoartrose, Interações electro-quimio-mecânicas, Método dos elementos finitos, en=Articular cartilage, Osteoarthritis, Electro-chemo-mechanical couplings, Finite element method}

Dezembro 2, 2020, 9:0

Publicação

Obra sujeita a Direitos de Autor

Orientação

ORIENTADOR

Fernando Manuel Fernandes Simões

Departamento de Engenharia Civil, Arquitectura e Georrecursos (DECivil)

Professor Auxiliar

ORIENTADOR

João Eurico Cabral da Fonseca

Faculdade de Medicina da Universidade de Lisboa

Professor Catedratico