Investigações numéricas multiescala do comportamento viscoelástico de tecidos tendinosos

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Carniel, Thiago André
Data de Publicação: 2017
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/185694
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017.
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spelling Universidade Federal de Santa CatarinaCarniel, Thiago AndréFancello, Eduardo Alberto2018-04-17T17:30:06Z2018-04-17T17:30:06Z2017350708https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/185694Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017.Os tendões são materiais multi-hierárquicos cujos distintos arranjos geométricos dos seus constituintes resultam em uma complexa hierarquia estrutural, conferindo ao tecido comportamentos não lineares, anisotrópicos e multifásicos particulares. Entretanto, pouco se sabe sobre como os esforços mecânicos são transmitidos e quais os principais micromecanismos dissipativos entre as diferentes escalas espaciais e fases materiais do tecido. Motivada por esses fatos, a presente tese emprega uma teoria multiescala baseada em elementos de volume representativo (EVR) e associada ao método dos elementos finitos com o objetivo de investigar o comportamento micromecânico viscoelástico dos fascículos do tendão em regime fisiológico de deformação. Nesse contexto, modelos de viscoelasticidade em deformações finitas foram desenvolvidos para as fibras, fibrilas e células dos tendões, e formulados em um quadro constitutivo variacional. Os conjuntos de parâmetros constitutivos de cada modelo foram estimados com base em experimentos de tração e indentação realizados com auxílio de microscopia de força atômica reportados na literatura. A geometria do EVR foi proposta com base em dados obtidos de análises tridimensionais de microscopia eletrônica obtidos da literatura. Os principais resultados obtidos dos experimentos numéricos multiescala suportam as seguintes hipóteses sobre os tecidos tendinosos: as fibrilas contribuem significativamente não somente com a rigidez dos tendões, mas também com a dissipação energética, principalmente em altas taxas de deformação; as células localizadas entre as fibras de colágeno não afetam consideravelmente a rigidez e dissipação energética macroscópica; a cinemática das fibras explica os grandes valores de deformação transversal e perda de fluídos observados experimentalmente em testes de tração. Além disso, essa cinemática pode caracterizar um importante mecanismo de mecanotransdução celular, impondo às células consideráveis deformações locais compressivas e cisalhantes transversalmente às fibras; devido aos consideráveis níveis de deformação verificados na matriz celular, é plausível que as células possam estar sujeitas a mecanismos de dano mecânico, influenciando diretamente na homeostase do tecido.Abstract : Tendons are multihierarchical biological tissues that present particular nonlinear, anisotropic and multiphasic mechanical behaviors. However, many aspects to the intrinsic way the mechanical efforts are transmitted along this complex material and which, among the different material phases, are the most responsible for dissipative mechanisms are still open issues. Motivated by these facts, a multiscale finite element framework based on representative volume elements (RVE) was set up to investigate the multiscale viscoelastic behavior of tendon fascicles under physiological strain amplitudes. To this end, particular finite strain viscoelastic models were developed for tendon fibers, fibrils and cells in a variational constitutive framework. In addition, the corresponding material parameters were identified with aid of atomic force microscopy experiments. The geometry of the RVE was consistently proposed based on data provided by tridimensional electron microscopy. The numerical findings support the following hypotheses about tendinous tissues: fibrils significantly contribute not only to the stiffness but also to the energetic dissipation under high strain rates; cells located within fascicles do not affect considerably the stiffness and the macroscopic energetic dissipation; the local kinematic of fibers explain the large transverse deformations and loss of fluids observed experimentally under tensile tests; the cellular matrix experience considerable local compressive and shear strains transversely to fibers and may be susceptible to localized mechanical damage mechanisms.165 p.| il., gráfs., tabs.porEngenharia mecânicaMétodo dos elementos finitosTendõesViscoelasticidadeInvestigações numéricas multiescala do comportamento viscoelástico de tecidos tendinososinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALPEMC1789-T.pdfPEMC1789-T.pdfapplication/pdf10053706https://repositorio.ufsc.br/bitstream/123456789/185694/-1/PEMC1789-T.pdf72d574daa894b19acf862b514bc85257MD5-1123456789/1856942018-04-17 14:30:07.2oai:repositorio.ufsc.br:123456789/185694Repositório de PublicaçõesPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732018-04-17T17:30:07Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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