Isolierung der Rolle der Knochen-Lakunar-Morphologie auf das Fortschreiten statischer und Ermüdungsfrakturen durch numerische Simulationen Teil 2
Sep 01, 2023
3.3. Ermüdungsanalyse von in Lücken eingebetteten Geometrien
Cistanche kann als Anti-Müdigkeits- und Ausdauerverstärker wirken, und experimentelle Studien haben gezeigt, dass das Abkochen von Cistanche tubulosa die Leberhepatozyten und Endothelzellen, die bei schwimmenden Mäusen unter Belastung geschädigt wurden, wirksam schützen, die Expression von NOS3 hochregulieren und das Leberglykogen fördern kann Synthese und übt so eine Anti-Ermüdungswirkung aus. Phenylethanoidglykosid-reicher Cistanche tubulosa-Extrakt könnte die Kreatinkinase-, Laktatdehydrogenase- und Laktatspiegel im Serum erheblich senken und den Hämoglobin- (HB) und Glukosespiegel bei ICR-Mäusen erhöhen. Dies könnte eine Anti-Müdigkeitsrolle spielen, indem es die Muskelschädigung verringert und Verzögerung der Milchsäureanreicherung zur Energiespeicherung bei Mäusen. Die zusammengesetzten Cistanche Tubulosa-Tabletten verlängerten die Schwimmzeit unter Belastung erheblich, erhöhten die Glykogenreserve in der Leber und senkten den Harnstoffspiegel im Serum nach dem Training bei Mäusen, was ihre Anti-Ermüdungswirkung zeigte. Das Abkochen von Cistanchis kann die Ausdauer verbessern und die Beseitigung von Müdigkeit bei trainierenden Mäusen beschleunigen. Außerdem kann es den Anstieg der Serumkreatinkinase nach Belastungsübungen verringern und die Ultrastruktur der Skelettmuskulatur von Mäusen nach dem Training normal halten, was darauf hinweist, dass es die Wirkung hat zur Verbesserung der körperlichen Stärke und zur Bekämpfung von Müdigkeit. Cistanchis verlängerte auch die Überlebenszeit von mit Nitrit vergifteten Mäusen erheblich und erhöhte die Toleranz gegenüber Hypoxie und Müdigkeit.
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Mit dem analogen Ziel, das kritischste lakunäre Netzwerk für die Schadensauslösung zu lokalisieren, jedoch unter Ermüdungsbelastungsbedingungen, wurden FeSafe-Ermüdungsanalysen mit hoher Lastspielzahl durchgeführt. Für jede Geometrie betrachteten wir die Anzahl der Zyklen bis zur Rissbildung (logarithmische Lebensdauer) als geeigneten Parameter zur Beurteilung der kritischen Stellen für die Rissbildung. Abbildung 6a zeigt die kritischsten Lücken in jeder Geometrie mit einem spezifischen Verweis auf die Protokolllebensdauer. In 80 % der Fälle erscheint die Region als die auffälligste Zone für die Rissentstehung, wobei Schäden bei einer geringeren Anzahl von Zyklen in der OP-Konfiguration bei anderen Geometrien auftreten (Abbildung 6b).
4. Diskussion
Um die engen Wechselwirkungen zwischen menschlichen Knochenlücken und Mikrorissen zu untersuchen, begann unser Ansatz mit der Isolierung der Lückenmorphologie bei osteopenischen und osteoporotischen Patienten. Diese Wahl beruht insbesondere auf den unterschiedlichen Merkmalen der OP- und PET-Knochenmikroarchitektur, die zu gegensätzlichen Auswirkungen auf die Knochenmineraldichte und -festigkeit führen. An sechs porösen 3D-Geometrien wurden rechnergestützte XFEM-Statik- und Ermüdungsanalysen durchgeführt, mit denen es gelang, kritische Schadensentstehungs- und -fortschrittsstellen zu bewerten und zu lokalisieren. Im Detail haben wir die einzelnen Auswirkungen der Lückendichte, -größe und -ausrichtung auf die mechanische Festigkeit von knocheninspirierten AISI 316L-Proben vertieft. Darüber hinaus betrachteten wir die realistische 3D-Form von Lücken und analysierten Schadensauslöseorte ohne Vorrissbildung. Dabei überwanden wir die Vereinfachungen, die im aktuellen Stand der Technik bei der Schematisierung von Lücken als perfekte Ellipsen oder der Annahme eines fiktiven Rissbeginns hervorgehoben werden Websites, um die Konvergenz zu beschleunigen.
Bezüglich der Anzahl ausgefallener Elemente in XFEM-Simulationen weist die OP-Probe einen Prozentsatz ausgefallener Elemente von 5,71 % auf, der hauptsächlich 4 mm von der Traktionsoberfläche entfernt liegt und niedriger ist als der PET-Fall (Abbildung 5). Bei allen Elementen, die nicht in Rot oder Hellblau (Dunkelblau und Schwarz) dargestellt sind, verringert sich die Kohäsionseigenschaft um weniger als 20 %. Bei PET wurden 4 mm von der Traktionsoberfläche entfernt doppelt so viele PET-Fehlerelemente identifiziert.
Nachdem wir die Rechenparameter richtig abgestimmt und ihre Auswirkung in statischen XFEM-Analysen quantifiziert hatten, konzentrierten wir uns auf die detaillierte Untersuchung lakunarer Merkmale auf die mechanische Festigkeit der Probe unter Bezugnahme auf die Kraft-Weg-Kurven (Abbildung 7). Interessante Parallelen könnten zum Verhalten menschlicher Knochen gezogen werden, die sowohl statischen als auch Ermüdungsbelastungen ausgesetzt sind.
Der vorherrschende Parameter, der den Verlust der mechanischen Festigkeit beeinflusst, ist eine Zunahme der lakunaren Dichte, mit Ausnahme von PETna [13]. Dieses Modell ist jedoch das einzige, das durch eine einzelne beschädigte Ebene mit einem Verlust der Kohäsionseigenschaften von etwa 40 % gekennzeichnet ist (Abbildung 7). Daher reicht dieser Verlust an Kohäsionsfestigkeit nicht aus, um insgesamt eine kritische Verringerung der mechanischen Festigkeit des Modells zu verursachen; Daher erwies sich eine um 20 % erweiterte Teilschädigung als nicht kritisch für die Probenfestigkeit. Wir glauben jedoch, dass die Bildung von sekundären, teilweise geschädigten Regionen, wie sie in allen anderen Kategorien mit eingebetteten Lücken gezeigt werden, ein realistischerer Zustand ist, da Lücken allein hauptsächlich als Stresserzeuger wirken sollten (wie bei menschlichen Knochenschäden hervorgehoben [13]). Dies führt zu beschädigten Elementen um sie herum (Abbildung 6a). Daher scheint OP2 mit vier Lücken das resistenteste Exemplar zu sein; Durch Erhöhung der Lückenzahl auf 13 (und damit Erhöhung der Porosität) zeigt PET2 eine Verringerung der Verschiebung beim Versagen um 1,8 %. Ein zusätzlicher Abfall von 9 % ist in der Probe mit 20 Lücken, also OP, sichtbar. Beim Vergleich von PET2 und OP beträgt dieser Wert 8,1 % bei einem Anstieg der Lakunarzahl um 35 %.
Die Lückengröße ist für die begrenzte Verringerung der mechanischen Festigkeit um etwa 2 % verantwortlich (Abbildung 7). Tatsächlich beträgt die gesamte lakunäre Oberfläche bei OP2 22 mm2, bei PET2 49,4 mm2 und bei OP 110 mm2. Auch wenn das Verhältnis zwischen OP2- und PET2-Oberfläche und das zwischen PET2 und OP recht gleich ist, spielt die tatsächliche Größe dieser Werte die Hauptrolle; Das heißt, der Übergang von OP2 zu PET2 bedeutet eine Vergrößerung der gesamten lakunaren Oberfläche um 27,4 mm2, wohingegen dieser Wert beim Übergang von OP2 zu OP auf 88 mm2 ansteigt und von PET2 zu OP 60,6 mm2 beträgt. Wir glauben daher, dass Variationen in der Größe und Dichte der Lücken eng miteinander verbunden sind, da die Änderung einer oder beider davon immer noch den gleichen Effekt hat, nämlich die Änderung der Gesamtporosität der Modelle. Diese Überlegung wird auch durch die Tatsache gestützt, dass PET und OP die gleiche Lakunardichte, aber eine unterschiedliche Lakunargröße aufweisen und PET bei höheren Traktionswerten bezüglich OP versagt. Wie bereits erwähnt, beträgt die lakunäre Oberfläche von OP 110 mm2, während die von PET 76 mm2 beträgt; Daher ist die Gesamtporosität des OP höher als die von PET.
Der Einfluss einer zufälligen lakunaren Ausrichtung auf die mechanische Festigkeit ist jedoch weniger offensichtlich, wenn man von den oben genannten Überlegungen zur vorhergesagten Traktion bei Versagen für PET2na ausgeht. Darüber hinaus sind weder PET2na noch PETna stark beschädigten Elementen ausgesetzt (Tabelle S2, Ergänzende Materialien); Diese Beobachtung kann durch die Überlegung gerechtfertigt werden, dass im Fall von PETna die Fehlausrichtung der Lücken den Risspfad aufspalten kann und daher mehr Energie zur Erzeugung mehrerer Bruchflächen erforderlich ist, was bei Mikroschäden an menschlichen Knochen realistischerweise der Fall ist. Durch die Verknüpfung von PET2 und PET2na legen wir nahe, dass eine Fehlausrichtung der Lücken zu einem langsameren Schadensfortschritt führt.
Bezüglich des Einflusses lakunarer morphologischer und densitometrischer Parameter auf die Ermüdungsbeständigkeit haben wir insbesondere die Anzahl der Zyklen erörtert, die erforderlich sind, um die primären und sekundären Risse auszulösen. Bei der Analyse von Abbildung 6b stellten wir fest, dass die Fehlerreihenfolge derjenigen der statischen XFEM-Analyse entspricht, mit Ausnahme von PET2na, bei der die Schadensauslösung nach OP und PET vorhergesagt wird. Darüber hinaus stehen alle in der Ermüdungsanalyse vorhergesagten kritischen Lücken im Zusammenhang mit der Entstehung und dem Fortschreiten des Schadens, selbst in der statischen XFEM-Analyse (Tabelle S2 der ergänzenden Materialien und Abbildung 6b).
Unter Bezugnahme auf Schadensfortschrittsmuster gehen wir davon aus, dass die ausgedehntesten und miteinander verbundenen beschädigten Zonen für jede Kategorie den wahrscheinlichsten Bruchflächen entsprechen. Es wurden keine wesentlichen Abweichungen von ebenen Flächen festgestellt, deren Normale parallel zur Belastungsachse verläuft; Es kann davon ausgegangen werden, dass ein Bruch dieser Geometrien im Zugöffnungsmodus I auftreten würde. Wir betonen, dass diese Ausgabe nicht fiktiv durch die Verwendung spezifischer Berechnungsparameter erzwungen wird; im Gegenteil wurde das Schadensauslösekriterium MAXPS gewählt, weil es ein lösungsabhängiges Kriterium ist. Diese lakunaren Anordnungen könnten möglicherweise zu Rissanziehungsstellen führen (Abbildung 8a) und könnten auch vom Risspfad abweichen (Abbildung 8b, links).
Wenn man Abbildung 6b betrachtet, sind OP und PET, alle mit zwanzig Lücken, wahrscheinlich an derselben Stelle mit einem Bruch konfrontiert: Sie tendieren dazu, möglicherweise in der Mitte zu brechen – 4 mm von der Traktionsoberfläche entfernt – und sie zeichnen sich durch die gleiche Lückenanordnung in diesem Bereich aus (siehe Abbildung 8). Da die drei fraglichen Modelle unterschiedliche Lückengrößen und -ausrichtungen aufweisen, glauben wir, dass diese Anordnung, bei der die Mittelpunkte der Lücken zur gleichen ZY-Ebene gehören, unabhängig von den morphologischen Parametern und dem Abstand von der Traktionsoberfläche am kritischsten ist . Wir können tatsächlich darüber diskutieren, dass in den übrigen Modellen, die nicht durch dieses Muster gekennzeichnet sind, die vorhergesagte Bruchebene woanders liegt. Aus Abbildung 8c,d auf der linken Seite können wir hervorheben, dass im Bereich nahe der Traktionsoberfläche eine ähnliche Anordnung, jedoch mit unterschiedlichen Abständen zwischen den Lakunaren, vorliegt. Dies scheint jedoch nicht ausschlaggebend für das Scheitern des Modells zu sein, hauptsächlich aufgrund der größeren Abstände zwischen den Lakunaren. Tatsächlich ist es interessant, dass unsere Modelle qualitativ mit echten Knochen-Synchrotronbildern im Mikromaßstab verglichen werden konnten [13] (Abbildung 8), wodurch sehr ähnliche Rissmuster erhalten wurden. Dies könnte ein herausragendes Ergebnis sein, das zeigt, dass lakunäre Hohlräume unabhängig vom Material eine Rolle bei der Initiierung und dem Fortschreiten von Brüchen spielen und dass spezifische härtende lakunäre Muster später für praktische biomedizinische Anwendungen genutzt werden könnten.
5. Schlussfolgerungen
Zusammenfassend bietet unsere Studie einen quantitativen Berechnungsrahmen zur Untersuchung vorhandener Lücken-Mikroriss-Zusammenhänge durch die Kombination von statischen XFEM- und Ermüdungsanalysen. Darüber hinaus gelingt es der Arbeit, Wechselwirkungen zwischen dem lakunaren Netzwerk und der Schadensauslösung aufzuzeigen und gleichzeitig die spezifische Wirkung sowohl der lakunaren morphologischen als auch densitometrischen Parameter auf die mechanische Festigkeit hervorzuheben. Eine Zunahme der lakunaren Dichte (wie in OP2, PET2 und Pet2na nachgewiesen) führt tatsächlich zu einem Verlust der mechanischen Festigkeit bei niedrigeren Traktionswerten, was sich als der einflussreichste Parameter unter den untersuchten Werten herausstellt. Die Lückengröße (PET- und Op-Kategorien) hingegen hat einen geringeren Einfluss auf die mechanische Festigkeit und verringert diese um 2 %. Die lakunare Ausrichtung (PET und PETna) spielt die Hauptrolle bei der Aufteilung des Risspfads.
Einschränkungen könnten mit der geringeren Anzahl der in der Analyse berücksichtigten Poren zusammenhängen, die jedoch mit der erheblichen Rechenleistung verbunden ist, die für die Durchführung von XFEM-Analysen erforderlich ist.
Als zukünftige Erkenntnisse planen wir, die beschriebenen Morphologien durch Laser-Pulverbettschmelzen mit AISI 316L und später durch die Nutzung anderer biomedizinischer Materialien wie Titan zu realisieren. Da wir in unserer numerischen Analyse interessante Verhärtungsphänomene nachgewiesen haben, die auf lakunare Anordnungen zurückzuführen sind, planen wir, diese Erkenntnisse auf die Realisierung biomedizinischer Produkte anzuwenden, die von der leichteren, hohlraumeingebetteten Geometrie profitieren könnten. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen auch das Potenzial der entwickelten Ansätze, Licht auf noch unklare Mikroschadensphänomene zu werfen, indem mikroskalige Merkmale als potenzielle Kandidaten für das Auftreten von Schäden isoliert werden.
Autorenbeiträge:Konzeptualisierung, FB, SB und LMV; Methodik, FB, SB und LMV; Validierung, FB, SB und LMV; Formale Analyse, FB, FC und MG; Untersuchung, FB, FC, RM und MG; Ressourcen, LMV; Datenkuration, FB, FC und MG; Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, FB; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten, FB, SB und LMV; Visualisierung, FB und FC; Betreuung, LMV Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und sind damit einverstanden.
Finanzierung:Diese Forschung erhielt keine externe Finanzierung.
Erklärung des Institutional Review Board:Unzutreffend.
Einverständniserklärung:Unzutreffend.
Erklärung zur Datenverfügbarkeit:Die Daten sind im Artikel enthalten.
Interessenskonflikte:Die Autoren geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.
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