A bone remodeling approach encoding the effort of damage and a diffusive bio-mechanical stimulus

Abstract

Tato práce zkoumá vliv poškození na proces kostní remodelace, což je komplexní fenomén ovlivněný mechanickými podněty a biologickou adaptací. Studie modeluje kost jako spojité deformovatelné těleso, které zahrnuje zpětnovazební evoluční zákon pro efektivní modul pružnosti, regulovaný difúzním mechanotransdukčním signálem. Tento difúzní mechanismus zajišťuje, že proces remodelace přesahuje přímo stimulované oblasti, což umožňuje adaptaci kosti i v oblastech postižených drobnými poraněními nebo patologickými stavy, kde není vytvářen žádný přímý mechanický signál. Kromě toho model zohledňuje vývoj poškození, což umožňuje realistickou simulaci progresivního poškození tkáně a následného hojení. Pro ověření navrhovaného přístupu byly provedeny numerické simulace s konečnými prvky, které zkoumaly různé scénáře, včetně vysokých externích zátěží, které vyvolávají nástup poškození, a cyklického mechanického zatížení, které podporuje hojení a zotavení. Zatímco standardní balíčky jako COMSOL byly použity pro numerické simulace, výsledky poskytují cenné poznatky o mechanismech kostní remodelace a nabízejí potenciální aplikace v klinickém rozhodování, ortopedické léčbě a návrhu implantátů. Nakonec tato studie zdůrazňuje důležitost začlenění evoluce poškození a remodelačních interakcí do mechanického modelu, čímž se zvyšuje jeho použitelnost pro skutečné biomedicínské výzvy.

This thesis investigates the impact of damage on the bone remodeling process, a complex phenomenon influenced by mechanical stimuli and biological adaptation. The study models bone as a continuous deformable body, incorporating a feedback-driven evolution law for an effective elastic modulus, regulated by a diffusive mechano-transduction signal. This diffusion mechanism ensures that the remodeling process extends beyond directly stimulated regions, enabling bone adaptation even in areas affected by minor injuries or pathologies where no direct mechanical signal is produced. Additionally, the model accounts for damage evolution, allowing for a realistic simulation of progressive tissue deterioration and subsequent healing. To validate the proposed approach, finite-element numerical simulations have been conducted to examine various scenarios, including high external loads that induce damage onset and cyclic mechanical loading that promotes healing and recovery. While standard packages like COMSOL were utilized for numerical simulations, the results provide valuable insights into the mechanisms of bone remodeling, offering potential applications in clinical decision-making, orthopedic treatments, and implant design. Ultimately, this study highlights the importance of incorporating damage evolution and remodeling interactions within a mechanical model, enhancing its applicability to real-world biomedical challenges.