Modelos bifásicos e análise experimental na caracterização mecânica do tecido cartilaginoso articular

Abstract

A cartilagem articular é a responsável pela qualidade funcional de uma articulação durante toda vida, permitindo o deslizamento suave das superfícies articulares entre si, com baixo atrito, suportando e distribuindo uniformemente as pressões intra-articulares. O dano na cartilagem limita a qualidade de vida das pessoas, causa dor, impede a mobilidade e restringe severamente as atividades diárias. Estudos que visam à reparação da cartilagem, a fim de diminuir e estabilizar os problemas acima citados, têm sido frequentes nas últimas décadas, exigindo conhecimento da estrutura e do comportamento mecânico deste tecido. O presente trabalho teve como objetivo a análise e simulação do comportamento do tecido cartilaginoso articular, através da implementação, via elementos finitos, de modelos bifásicos. Para a validação dos modelos propostos e buscando uma melhor compreensão dos fenômenos envolvidos foram reproduzidos vários exemplos numéricos disponíveis na literatura. A capacidade dos modelos bifásico poroelástico (BPE) e bifásico poroviscoelástico (BPVE) de reproduzir corretamente o comportamento mecânico do tecido foi avaliada em testes de relaxamento de tensões em compressão confinada e não confinada. Testes experimentais de compressão não confinada com cartilagem suína foram feitos para caracterizar a cartilagem e os resultados obtidos utilizados para posterior identificação de parâmetros através de um algoritmo de otimização. Foi possível demonstrar a vantagem do modelo BPVE, em relação ao modelo BPE, por levar em consideração a natureza viscoelástica dos componentes da cartilagem. Além disso, o modelo BPVE conseguiu representar o comportamento real da cartilagem.

Articular cartilage is responsible for the functional quality of a joint throughout life, allowing smooth sliding between articular surfaces with low friction, supporting and distributing the pressure steadily within the joints. Cartilage damage limits the quality of life, causes pain, prevents mobility and severely restricts everyday activities. Studies attempting to repair the cartilage, in order to reduce and stabilize the mentioned problems, have been frequent in recent decades, requiring knowledge of its structure and its mechanical behavior. Therefore, this work aim to analyze and to simulate the mechanical behavior of an articular cartilage tissue by means of the finite element implementation of biphasic models. In order to validate the proposed models and to better understand the phenomena involved, several numerical examples available in literature are reproduced. The ability of the biphasic poroelastic model (BPE) and biphasic poroviscoelastic model (BPVE) to reproduce correctly the mechanical properties of the articular cartilage is evaluated in stress relaxation tests of confined and unconfined compression. Experimental tests of unconfined compression with porcine cartilage are used to characterize the cartilage and the results used for parameter identificaton using an optimizing algorithm. In this study it is possible to demonstrate the advantage of BPVE model with regard to the BPE model by taking into account the viscoelastic nature of the cartilage components. Furthermore, the model BPVE could represent the actual behavior of cartilage.