Algoritmus remodelace kostní tkáně se zahrnutím různých stimulačních mechanických veličin a s předpokládanou mikrotrhlinou v kostní tkáni

Bone Remodeling Algorithm Incorporating Various Quantities as Mechanical Stimulus and Assuming Initial Microcrack in Bone

conference paper

en

It is widely accepted that bones have the ability to adapt to new biomechanical environment by changing their material properties, geometry and inner architecture. Bones have also an exceptional ability to self-repair, to remove microcracks and to prevent the bone damage caused by the fatigue failure. These abilities are enabled through coupled processes of bone resorption and bone formation, the processes collectively referred to as bone remodeling. Numerous studies have shown that bone remodeling is governed by combination of mechanical stimulus (strains) and its frequency, both sensed by sensor cells (osteocytes). Through mechanotransduction, the stimulus is transmitted to actor cells (osteoclasts, osteoblasts) that actually do the bone resorption or formation. Several theories have been proposed to predict bone remodeling and several finite-element-based algorithms have been introduced. The vast majority of them uses strain energy density as the mechanical stimulus. The purpose of this paper is to investigate and discuss the applicability of also other strain-based representations of the mechanical stimulus in simulations of remodeling of bone with an initial microcrack. The need for developing more reliable models is essential for both clinicians and engineers who are interested, for instance, in prediction of bone performance when various implants are involved.

Je všeobecně uznáváno, že kostní tkáně mají schopnost přizpůsobit se novému biomechanickému prostředí tím, že mění své materiálové vlastnosti, geometrii a vnitřní architekturu. Kosti mají také výjimečnou schopnost samo opravy, odstraňovat mikrotrhlinky a zabraňovat poškození kosti způsobené únavovou poruchou. Tyto schopnosti jsou umožněny pomocí kostní resorpce a tvorbou kostí, procesy souhrnně označované jako remodelace. Četné studie ukázaly, že remodelace je řízena kombinací mechanických podnětů (přetvoření) a jeho frekvence, snímaných senzorovými buňkami (osteocyty). Prostřednictvím mechanotransdukce je podnět přenášen na aktivní buňky (osteoklasty, osteoblasty), které skutečně způsobují resorpci nebo tvorbu kostní tkáně. Bylo navrženo několik teorií, které předpovídají remodelování kostí a byly zavedeny některé algoritmy založené na metodě konečných prvků. Převážná většina z nich používá mechanickou stimulaci jako hustotu deformační energie. Účelem tohoto příspěvku je prozkoumat a diskutovat použitelnost i jiných deformačních reprezentací mechanického podnětu v simulacích remodelování kosti s počáteční mikrotrhlinou. Potřeba rozvoje spolehlivějších modelů je nezbytná jak pro lékaře, tak pro inženýry, kteří mají zájem například o předpověď chování kostí.

It is widely accepted that bones have the ability to adapt to new biomechanical environment by changing their material properties, geometry and inner architecture. Bones have also an exceptional ability to self-repair, to remove microcracks and to prevent the bone damage caused by the fatigue failure. These abilities are enabled through coupled processes of bone resorption and bone formation, the processes collectively referred to as bone remodeling. Numerous studies have shown that bone remodeling is governed by combination of mechanical stimulus (strains) and its frequency, both sensed by sensor cells (osteocytes). Through mechanotransduction, the stimulus is transmitted to actor cells (osteoclasts, osteoblasts) that actually do the bone resorption or formation. Several theories have been proposed to predict bone remodeling and several finite-element-based algorithms have been introduced. The vast majority of them uses strain energy density as the mechanical stimulus. The purpose of this paper is to investigate and discuss the applicability of also other strain-based representations of the mechanical stimulus in simulations of remodeling of bone with an initial microcrack. The need for developing more reliable models is essential for both clinicians and engineers who are interested, for instance, in prediction of bone performance when various implants are involved.

remodelace kosti; přetvoření; mikro poškození; mechanická regulace; metoda konečných prvků

bone remodeling; strain; microdamage; mechano-regulation; finite element method

01.09.2017

1662-9795

Advances in Fracture and Damage Mechanics XVI

754

189–193

5