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动态无侧限压缩下张-压非线性对带电水合纤维组织中溶质运输的影响。

Effects of tension-compression nonlinearity on solute transport in charged hydrated fibrous tissues under dynamic unconfined compression.

作者信息

Huang Chun-Yuh, Gu Wei Yong

机构信息

Department of Pediatric Dentistry, Nova Southeastern University, Ft. Lauderdale, FL, USA.

出版信息

J Biomech Eng. 2007 Jun;129(3):423-9. doi: 10.1115/1.2720920.

Abstract

Cartilage is a charged hydrated fibrous tissue exhibiting a high degree of tension-compression nonlinearity (i.e., tissue anisotropy). The effect of tension-compression nonlinearity on solute transport has not been investigated in cartilaginous tissue under dynamic loading conditions. In this study, a new model was developed based on the mechano-electrochemical mixture model [Yao and Gu, 2007, J. Biomech. Model Mechanobiol., 6, pp. 63-72, Lai et al., 1991, J. Biomech. Eng., 113, pp. 245-258], and conewise linear elasticity model [Soltz and Ateshian, 2000, J. Biomech. Eng., 122, pp. 576-586; Curnier et al., 1995, J. Elasticity, 37, pp. 1-38]. The solute desorption in cartilage under unconfined dynamic compression was investigated numerically using this new model. Analyses and results demonstrated that a high degree of tissue tension-compression nonlinearity could enhance the transport of large solutes considerably in the cartilage sample under dynamic unconfined compression, whereas it had little effect on the transport of small solutes (at 5% dynamic strain level). The loading-induced convection is an important mechanism for enhancing the transport of large solutes in the cartilage sample with tension-compression nonlinearity. The dynamic compression also promoted diffusion of large solutes in both tissues with and without tension-compression nonlinearity. These findings provide a new insight into the mechanisms of solute transport in hydrated, fibrous soft tissues.

摘要

软骨是一种带电荷的水合纤维组织,表现出高度的拉压非线性(即组织各向异性)。在动态加载条件下,尚未对软骨组织中拉压非线性对溶质转运的影响进行研究。在本研究中,基于机械 - 电化学混合模型[Yao和Gu,2007,《生物力学建模与分子生物力学》,6,第63 - 72页;Lai等人,1991,《生物力学工程杂志》,113,第245 - 258页]以及逐锥线性弹性模型[Soltz和Ateshian,2000,《生物力学工程杂志》,122,第576 - 586页;Curnier等人,1995,《弹性杂志》,37,第1 - 38页]开发了一个新模型。使用该新模型对无侧限动态压缩下软骨中的溶质解吸进行了数值研究。分析和结果表明,在动态无侧限压缩下,高度的组织拉压非线性可显著增强软骨样品中大分子溶质的转运,而对小分子溶质的转运影响很小(在5%动态应变水平下)。加载诱导的对流是增强具有拉压非线性的软骨样品中大分子溶质转运的重要机制。动态压缩还促进了大分子溶质在有和没有拉压非线性的两种组织中的扩散。这些发现为水合纤维软组织中溶质转运机制提供了新的见解。

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