A computational model for the mechanical behavior of the achilles tendon

Abstract

Proteínas como o colágeno dos tendões e outras estruturas do corpo tendem a formar ligações cruzadas com moléculas adjacentes como resultado do envelhecimento. Sabe-se que estas novas ligações químicas aumentam a transferência de força lateral entre as moléculas de colágeno e, consequentemente, aumentam as tensões cisalhantes presentes em tecidos com formados por fibras alinhadas, como o tendão de Aquiles. Nesse trabalho é proposto um modelo de elementos finitos do tendão de Aquiles para comparar três níveis de severidade da lesão em dois modelos diferentes de tendões de Aquiles (jovem e idoso). Os níveis baixo e alto de severidade da lesão não mostram qualquer diferença entre o caso idoso e o caso jovem, mas o nível médio de gravidade mostra que o módulo de cisalhamento mais baixo do caso jovem protege o tendão, resultando num campo de tensões mais homogéneo, enquanto o caso idoso mostra um aumento da concentração de tensões perto do local da lesão. Além disso, o modelo é também utilizado para simular a técnica de reparo Achillon. Esta simulação foi concebida para testar a hipótese de que, após o último nó ser executado, a força nos dois primeiros nós diminuiria significativamente. Os resultados mostraram alguma perda de tensão da sutura durante a sequência de aperto dos nós da técnica Achillon.

Abstract: Proteins such as the collagen of tendons and other structures of the body tend to form cross-links with their neighbors as a result of aging. These new chemical bonds are known to increase the lateral force transfer between collagen molecules and, as a consequence, increase the shear stresses present in tissues with a high degree of fiber organization such as the Achilles tendon. A finite element model of the Achilles tendon is proposed to compare three levels of lesion severity on two different Achilles tendon models (young and elderly). The low and high levels of lesion severity show no difference between the elderly and the young case, but the medium level of severity shows that the lower shear modulus of the young case protects the tendon by resulting in a more homogeneous stress field, whereas the elderly case shows an increase in the stress concentration near the lesion site. In addition, the model is also used to simulate the Achillon tendon repair technique. This simulation was designed to test the hypothesis that after the last knot is tied, the force in the first two knots would decrease significantly. The results showed some loss of suture tension during the knot tying procedure of the Achillon repair technique.