Development of Finite Element Analysis for Articular Cartilage considering Electrochemical
考虑电化学的关节软骨有限元分析的发展
基本信息
- 批准号:14550067
- 负责人:
- 金额:$ 2.24万
- 依托单位:
- 依托单位国家:日本
- 项目类别:Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
- 财政年份:2002
- 资助国家:日本
- 起止时间:2002 至 2003
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Articular cartilage consists of interstitial fluid, collagen and proteoglycan aggregates which are negatively charged by fixed sulfated glycosaminoglycans. The osmotic pressure due to the negative charges induces swelling and affects the viscoelastic behavior of cartilages. On the other hand, the deformation of the cartilage due to the contact load on the cartilage surface affects in turn the fixed negative charge density to change the eledctrochemical ee in the cartilage. The purpose of this research is to develop finite element analysis approach for such mechanical electrochemical coupling phenomena. In 2002, the triphasic theory describing the mechanical electrochemical phenomena was reformulated to be applicable for the problems with large deformation. The finite element formulation was implemented to a prototype program. In 2003, the nonlinearities of the deformation dependent fixed charge density and permeability of the cartilage were taken in to account in the finite element ana … More lysis and a program was developed with fairly completion. The numerical results show that the dominant factor of viscosity in triphasic structure such as cartilage is the resistance of solid matrix to the interstitial fluid flow. The out flow of interstitial fluid due to the compression induces increase of the fixed charge density and thus increases the stiffness of the cartilage and also the electrical potential and the concentration o ions. Furthermore, the simulation of the cartilage free swelling was carried out to get the results in good agreement with the experimental results. On the other hand, a finite element analysis procedure for contact problems with large sliding was developed by in introducing Gregory patch smoothing algorithm to get off the instability due to the discontinuity of discretized contact surfaces. Finally, the analysis of contact problems for articular cartilage including electrochemical effects becomes possible by experimental measurements of the mechanical electrochemical behaviors of articular cartilages are under development and thus the material constants of the triphasic theory are not revealed in the current stage, the analysis was carried out to get clinical information by treating the cartilage as a single phase of hyperelastic solid which obey the Mooney-Rivlin constitutive relations. Less
关节软骨由间质液、胶原和蛋白多糖聚集体组成,这些聚集体被固定的硫酸糖胺聚糖带负电荷。负电荷引起的渗透压会引起软骨肿胀,影响软骨的粘弹性行为。另一方面,软骨表面的接触载荷引起软骨的变形,进而影响固定的负电荷密度,从而改变软骨中的电子化学成分ee。本研究的目的是发展对这种机械电化学耦合现象的有限元分析方法。2002年,描述机械电化学现象的三相理论被重新表述为适用于大变形问题。将有限元公式应用到原型程序中。2003年,在有限元ana…中考虑了软骨的变形相关固定电荷密度和渗透率的非线性。更多的裂解,并开发了一个程序,已经相当完成。数值结果表明,在软骨等三相结构中,决定粘性的主要因素是固体基质对间隙流体流动的阻力。由于压缩导致间质液体外流,导致固定电荷密度增加,从而增加了软骨的硬度,也增加了离子的电势和浓度。此外,还对软骨的自由膨胀进行了模拟,模拟结果与实验结果吻合较好。另一方面,通过引入Gregory面片光顺算法,建立了大滑动接触问题的有限元分析程序,避免了由于离散接触面不连续而导致的不稳定。最后,通过对关节软骨的力学电化学行为的实验测量,使得分析包括电化学效应在内的关节软骨接触问题成为可能。因此,在现阶段还没有揭示三相理论的材料常数。分析是通过将软骨作为服从Mooney-Rivlin本构关系的单相超弹性固体来进行的,以获得临床信息。较少
项目成果
期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
陳媛, 陳献, 久田俊明: "力学・電気化学効果を考慮した3相理論による生体軟組織モデル化に関する検討"日本機械学会2003年度年次大会講演論文集. 7. 177-178 (2003)
陈宇、陈贤、久田俊明:“考虑机械和电化学效应的利用三相理论的生物软组织建模研究”日本机械工程学会2003年年会论文集7. 177-178(2003)。
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- 影响因子:0
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- 通讯作者:
Xian Chen, Yuan Chen, Toshiaki Hisada: "A Study on Mechanical Model of Soft Tissue Based on Biphasic Theory"Proc.The 16th Bioengineering Conference. 417-418 (2003)
陈贤,陈元,久田俊明:“基于双相理论的软组织力学模型研究”第16届生物工程会议论文集。
- DOI:
- 发表时间:
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:
- 通讯作者:
Xian Chen, Yuan Chen, Toshiaki Hisada: "A Study on Mechano-Electrochemical Model of Soft Tissue Based on Triphasic Theory"Proc.Mechanical Engineering Congress, 2003 Japan. Vol.7. 177-178 (2003)
陈贤、陈元、久田俊明:“基于三相理论的软组织力电化学模型研究”Proc.机械工程大会,2003年日本。
- DOI:
- 发表时间:
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:
- 通讯作者:
陳媛, 陳献, 久田俊明: "2相理論による軟組織力学モデル化に関する検討"第15回日本機械学会バイオエンジニアリング講演論文集. 417-418 (2003)
陈宇、陈贤、久田俊明:《利用两相理论进行软组织力学建模的研究》第15届日本机械工程学会生物工程会议论文集417-418(2003)。
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- 影响因子:0
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- 通讯作者:
矢川 元基 編集: "構造工学ハンドブッツク(「13.3.1(1)多相構造モデル」執筆:陳献)"丸善. 3 (2004)
矢川元树主编:《结构工程手册(陈贤着《13.3.1(1)多相结构模型》)》丸善3(2004年)。
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- 发表时间:
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WEN Hong
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