Computational Framework for Multiscale Mechanics of Connective Tissues

结缔组织多尺度力学计算框架

基本信息

  • 批准号:
    8554764
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 25.38万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2012
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2012-09-30 至 2016-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

DESCRIPTION (provided by applicant): Most connective tissues are composed primarily of collagen and exhibit hierarchical organization from the nanometer to the millimeter scale. Although the structure and mechanics of collagenous connective tissues have been studied for decades, a clear understanding of the relationships between hierarchical organization and material behavior is severely lacking. This can be attributed in large part to an inability to integrate and couple mechanics between the nanoscale, microscale and mesoscale. In theory, this integration can be accomplished using computational homogenization. The overall aim of this research is to enable multiscale mechanical modeling of hierarchical connective tissues, by developing a software framework and systematically investigating the influence of physical characteristics and assumptions on the predictions from the algorithms. As part of the research, we will develop finite element (FE) based algorithmic and software framework for analysis of nonlinear, multiscale models in biomechanics, based on the open-source FEBio software. To validate these approaches to multiscale modeling, we will construct idealized, multiscale physical surrogates with well-defined nano- and microstructure and perform simultaneous material characterization at the macro- and microscale. This information will be used to develop and validate parametric, multiscale FE models of the physical surrogates. The proposed research will create a significant impact by providing verified, publicly available computational tools, model development and validation methodologies for multiscale mechanics of hierarchical tissues. We anticipate that the results of this research and the software framework will be utilized across a broad range of applications in biology, medicine and beyond. Many heritable diseases directly affect collagen structure and fibrillogenesis, causing relatively well-characterized alterations in structure/organization of type I collagen at multiple levels. The proposed research is fundamentally necessary to enable multiscale mechanical modeling of connective tissues from the nanoscale to the mesoscale.
描述(由申请人提供):大多数结缔组织主要由胶原蛋白组成,并且展示了从纳米到毫米等级的层次组织。尽管已经研究了数十年的胶原结缔组织的结构和力学,但严重缺乏对等级组织与物质行为之间关系的清晰了解。这很大程度上归因于纳米级,微观和中尺度之间无法整合和夫妇力学。从理论上讲,可以使用计算均质化来实现这种整合。这项研究的总体目的是通过开发软件框架并系统地研究物理特征和假设对算法预测的影响,从而实现分层结缔组织的多尺度机械建模。作为研究的一部分,我们将根据开源Febio软件开发基于有限元(FE)的算法和软件框架,用于分析生物力学中的多尺度模型。为了验证这些多尺度建模的方法,我们将构建具有明确定义的纳米和微观结构的理想化的多尺理替代物,并在宏观和显微镜下执行同时的材料表征。该信息将用于开发和验证物理替代物的参数多尺度FE模型。拟议的研究将通过为层次组织的多尺度机制提供经过验证的公开计算工具,模型开发和验证方法,从而产生重大影响。我们预计这项研究和软件框架的结果将在生物学,医学及其他地区的广泛应用中使用。许多可遗传的疾病直接影响胶原蛋白结构和原纤维发生,从而在多个层次的I型胶原蛋白的结构/组织中引起相对良好的特征化变化。拟议的研究从根本上是必要的,对于从纳米级到中尺度的结缔组织的多尺度机械建模。

项目成果

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