Aislar el papel de la morfología lacunar ósea en la progresión de fracturas estáticas y por fatiga mediante simulaciones numéricas, parte 2

3.3. Análisis de fatiga de geometrías incrustadas en lagunas

Cistanche puede actuar como antifatiga y potenciador de la resistencia, y estudios experimentales han demostrado que la decocción de Cistanche tubulosa podría proteger eficazmente los hepatocitos hepáticos y las células endoteliales dañadas en ratones nadadores que soportan peso, regular positivamente la expresión de NOS3 y promover el glucógeno hepático. síntesis, ejerciendo así eficacia antifatiga. El extracto de Cistanche tubulosa rico en glucósidos feniletanoides podría reducir significativamente los niveles séricos de creatina quinasa, lactato deshidrogenasa y lactato, y aumentar los niveles de hemoglobina (HB) y glucosa en ratones ICR, y esto podría desempeñar un papel antifatiga al disminuir el daño muscular. y retrasar el enriquecimiento de ácido láctico para el almacenamiento de energía en ratones. Las tabletas compuestas de Cistanche Tubulosa prolongaron significativamente el tiempo de natación con carga de peso, aumentaron la reserva de glucógeno hepático y disminuyeron el nivel de urea sérica después del ejercicio en ratones, mostrando su efecto antifatiga. La decocción de Cistanchis puede mejorar la resistencia y acelerar la eliminación de la fatiga en ratones que hacen ejercicio, y también puede reducir la elevación de la creatina quinasa sérica después del ejercicio de carga y mantener normal la ultraestructura del músculo esquelético de los ratones después del ejercicio, lo que indica que tiene los efectos. de potenciación de la fuerza física y antifatiga. Cistanchis también prolongó significativamente el tiempo de supervivencia de los ratones envenenados con nitritos y mejoró la tolerancia contra la hipoxia y la fatiga.

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Con el propósito análogo de localizar la red lagunar más crítica para el inicio del daño pero bajo condiciones de carga de fatiga, se llevaron a cabo análisis de fatiga de ciclo alto de FeSafe. Para cada geometría, consideramos el número de ciclos hasta el inicio de la grieta (vida útil) como un parámetro adecuado para evaluar los sitios críticos para la aparición de la grieta. La Figura 6a informa las lagunas más críticas en cada geometría, con una referencia específica a la vida útil. En el 80% de los casos, la región aparece como la zona más prominente para el inicio de grietas, apareciendo daños en un menor número de ciclos en la configuración OP con respecto a otras geometrías (Figura 6b).

4. Discusión

Para abordar las íntimas conversaciones cruzadas que existen entre las lagunas óseas humanas y las microfisuras, nuestro enfoque comenzó aislando la morfología lacunar en sujetos osteopénicos y osteoporóticos. Esta elección reside específicamente en las diferentes características exhibidas por la arquitectura ósea a microescala de OP y PET, lo que produce efectos opuestos sobre la densidad y la resistencia mineral ósea. Se realizaron análisis computacionales de estática y fatiga XFEM en seis geometrías porosas 3D, logrando evaluar y localizar sitios críticos de inicio y progresión de daños. En detalle, profundizamos los efectos separados de la densidad, el tamaño y la orientación de las lagunas sobre la resistencia mecánica de muestras de AISI 316L inspiradas en huesos. Además, consideramos la forma realista en 3D de las lagunas y analizamos los sitios de inicio del daño en ausencia de prefisura, superando las simplificaciones destacadas en el estado actual del arte al esquematizar las lagunas como elipses perfectas o adoptar un inicio de fisura ficticio. sitios para acelerar la convergencia.

En cuanto al número de elementos fallados en simulaciones XFEM, la muestra OP muestra un porcentaje de elementos fallados de 5.71%, el cual se ubica principalmente a 4 mm de la superficie de tracción y es menor que el caso PET (Figura 5). Todos los elementos que no están representados en rojo o azul claro (azul oscuro y negro) experimentan una reducción de menos del 20% en sus propiedades cohesivas. Para PET, se identificó el doble de elementos fallidos de PET a 4 mm de distancia de la superficie de tracción.

Después de ajustar adecuadamente los parámetros computacionales y cuantificar su efecto en los análisis XFEM estáticos, nos centramos en la investigación detallada de las características lacunares de la resistencia mecánica de la muestra haciendo referencia a las curvas de fuerza-desplazamiento (Figura 7). Se podrían establecer interesantes paralelismos con el comportamiento detectado en huesos humanos sometidos a cargas tanto estáticas como de fatiga.

El parámetro predominante que afecta la pérdida de resistencia mecánica es un aumento en la densidad lacunar, con la excepción representada por PETna [13]. Este modelo, sin embargo, es el único que se caracteriza por un único plano dañado con una pérdida de propiedades cohesivas de alrededor del 40% (Figura 7). Por lo tanto, esta pérdida de resistencia cohesiva no es suficiente para provocar una reducción crítica general de la resistencia mecánica del modelo; por lo tanto, no se encontró que el daño parcial extendido en un 20% fuera crítico para la resistencia de la muestra. Sin embargo, creemos que la formación de regiones secundarias parcialmente dañadas, como se muestra en todas las demás categorías con lagunas incrustadas, es una condición más realista ya que las lagunas por sí solas deberían actuar principalmente como generadores de estrés (como se destaca en el daño óseo humano [13]), resultando en elementos dañados a su alrededor (Figura 6a). Por tanto, OP2 con cuatro lagunas aparece como el ejemplar más resistente; Al aumentar el número lacunar a 13 (aumentando así la porosidad), PET2 muestra una reducción del 1,8% en el desplazamiento en el momento de la falla. Una caída adicional del 9% es visible en la muestra de 20 lagunas, es decir, OP. Al comparar PET2 y OP, este valor pasa a ser del 8,1% con un aumento del 35% en el número lacunar.

El tamaño lacunar es responsable de la reducción limitada de aproximadamente el 2% en la resistencia mecánica (Figura 7). De hecho, la superficie lacunar total en el caso de OP2 es de 22 mm2, la relacionada con PET2 es de 49,4 mm2 y la relacionada con OP es de 110 mm2. Incluso si la relación entre la superficie de OP2 y PET2 y la de PET2 y OP es bastante la misma, la magnitud real de estos valores juega el papel principal; es decir, pasar de OP2 a PET2 supone aumentar la superficie lacunar global en 27,4 mm2, mientras que pasar de OP2 a OP este valor sube a 88 mm2 y de PET2 a OP pasa a ser de 60,6 mm2. Por lo tanto, creemos que las variaciones en el tamaño y la densidad de las lagunas están fuertemente interconectadas, ya que cambiar uno o ambos todavía tiene el mismo efecto de alterar la porosidad total de los modelos. Esta consideración también está respaldada por el hecho de que PET y OP tienen la misma densidad lacunar pero un tamaño lacunar diferente, y el PET falla con valores de tracción más altos con respecto a OP. Como se mencionó, la superficie lacunar de la OP es de 110 mm2, mientras que la relacionada con el PET es de 76 mm2; por lo tanto, la porosidad general del OP es mayor que la del PET.

La influencia de una alineación lacunar aleatoria sobre la resistencia mecánica es, en cambio, menos evidente, a partir de las consideraciones antes mencionadas sobre la tracción prevista en el momento de la falla para PET2na. Además, ni PET2na ni PETna experimentan elementos muy dañados (Tabla S2, Materiales complementarios); Esta observación puede justificarse considerando que, en el caso de PETna, la desalineación de las lagunas puede dividir el camino de la grieta, demandando así más energía para producir múltiples superficies de fractura, lo que de manera realista ocurre en los microdaños óseos humanos. Al relacionar PET2 y PET2na, nos llevamos a pensar que la desalineación de las lagunas conduce a una progresión más lenta del daño.

Con respecto a la influencia de los parámetros morfológicos y densitométricos lacunares en la resistencia a la fatiga, discutimos específicamente el número de ciclos necesarios para iniciar las grietas primarias y secundarias. Al analizar la Figura 6b, observamos que el orden de falla es análogo al relacionado con el análisis XFEM estático, siempre excepto PET2na, en el que se predice que el inicio del daño ocurrirá después de OP y PET. Además, todas las lagunas críticas predichas en el análisis de fatiga están relacionadas con el inicio y la progresión del daño incluso en el análisis XFEM estático (Tabla S2 de Materiales complementarios y Figura 6b).

Al referirnos a los patrones de progresión del daño, planteamos la hipótesis de que las zonas dañadas más extendidas e interconectadas para cada categoría corresponden a las superficies de fractura más probables. No se han detectado desviaciones significativas de las superficies planas cuya normal es paralela al eje de carga; se puede suponer que la fractura de estas geometrías se produciría en el modo de apertura por tracción I. Subrayamos que este resultado no está forzado ficticiamente por el empleo de parámetros computacionales específicos; por el contrario, se seleccionó el criterio de inicio de daño, MAXPS, porque es un criterio dependiente de la solución. Estos arreglos lacunares podrían conducir potencialmente a sitios de atracción de grietas (Figura 8a) y también podrían desviarse del camino de las grietas (Figura 8b, izquierda).

Al considerar la Figura 6b, OP y PET, todos con veinte lagunas, enfrentan una probable fractura en el mismo lugar: tienden a romperse potencialmente en el medio (a 4 mm de la superficie de tracción) y se caracterizan por la misma disposición lagunar en esa región. (ver Figura 8). Dado que los tres modelos en cuestión tienen diferentes tamaños y alineamientos de lagunas, creemos que esta disposición, con los centros de las lagunas pertenecientes al mismo plano ZY, es la más crítica, independientemente de los parámetros morfológicos y de la distancia a la superficie de tracción. . De hecho, podemos discutir que en los modelos restantes, que no se caracterizan por este patrón, el plano de fractura previsto se encuentra en otra parte. Podemos resaltar de la Figura 8c, d a la izquierda que una disposición similar pero con diferentes distancias interlacunares está presente en la región cercana a la superficie de tracción. Sin embargo, esto no parece ser crucial para el fracaso del modelo, principalmente debido a las mayores distancias interlagunares. De hecho, es interesante que nuestros modelos puedan compararse cualitativamente con imágenes de sincrotrón de hueso real a microescala [13] (Figura 8), obteniendo patrones de grietas muy similares. Este podría ser un resultado destacado, lo que demuestra que, independientemente del material, los huecos lacunares desempeñan un papel en el inicio y la progresión de las fracturas, y que los patrones lacunares de endurecimiento específicos podrían explotarse posteriormente para aplicaciones biomédicas prácticas.

5. Conclusiones

En resumen, nuestro estudio proporciona un marco computacional cuantitativo para investigar las interconexiones existentes entre lagunas y microfisuras mediante la combinación de XFEM estático y análisis de fatiga. Además, el trabajo logra demostrar las interacciones entre la red lacunar y el inicio del daño, al tiempo que destaca el efecto específico de los parámetros morfológicos y densitométricos de la laguna sobre la resistencia mecánica. Un aumento en la densidad lacunar (como se evidencia en OP2, PET2 y Pet2na), de hecho, conduce a una pérdida de resistencia mecánica al valores de tracción más bajos, resultando ser el parámetro más influyente entre los estudiados. El tamaño lacunar (categorías PET y Op), por el contrario, tiene un efecto menor sobre la resistencia mecánica, reduciéndola en un 2%. La alineación lacunar (PET y PETna) tiene la función principal de dividir el camino de la grieta.

Las limitaciones podrían estar relacionadas con el número reducido de poros considerados en el análisis, que, sin embargo, está relacionado con la importante potencia computacional necesaria para realizar análisis XFEM.

Como ideas futuras, planeamos realizar las morfologías descritas mediante la fusión de lechos de polvo con láser utilizando AISI 316L y posteriormente explotando otros materiales biomédicos como el titanio. Dado que hemos evidenciado fenómenos de endurecimiento interesantes en nuestro análisis numérico que se deben a disposiciones de tipo lacunar, planeamos traducir estos hallazgos a la realización de productos biomédicos que podrían beneficiarse de la geometría más ligera incrustada en vacíos. Los resultados obtenidos también indican el potencial de los enfoques desarrollados para arrojar algo de luz sobre fenómenos de microdaños aún oscuros al aislar características de microescala como candidatos potenciales para la ocurrencia de daños.

Contribuciones de autor:Conceptualización, FB, SB y LMV; Metodología, FB, SB y LMV; Validación, FB, SB y LMV; Análisis Formal, FB, FC y MG; Investigación, FB, FC, RM y MG; Recursos, LMV; Curación de Datos, FB, FC y MG; Redacción: preparación del borrador original, FB; Redacción: revisión y edición, FB, SB y LMV; Visualización, FB y FC; Supervisión, LMV Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Fondos:Esta investigación no recibió financiación externa.

Declaración de la Junta de Revisión Institucional:No aplica.

Declaración de consentimiento informado:No aplica.

Declaración de disponibilidad de datos:Los datos están contenidos en el artículo.

Conflictos de interés:Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.

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