The role of meso-scale structure on the mechanical response of soft musculoskeletal tissues
Final Report Abstract
Muskeln und Sehnen sind spezielle muskuloskelettale Gewebe mit einer ausgeprägten strukturellen Ähnlichkeit: Eine hierarchische, röhrenförmige Architektur und eine überwiegend unidirektionale Ausrichtung der länglichen Strukturen entlang einer bevorzugten Richtung. Dies unterscheidet sie strukturell von anderen Geweben des Körpers. Die Reaktion von Muskel und Sehnengewebe auf Druckbelastungen wurde im Vergleich zu ihrem Zugverhalten bisher wenig untersucht, obwohl beide Gewebe in vivo Druckbelastungen ausgesetzt sind. Die Arbeiten der Antragsteller haben eine besondere Anisotropie in der Druckreaktion (Zug-Druck-Asymmetrie) dieser Gewebe gezeigt und deuten auf eine wichtige Rolle der hierarchischen Organisation der extrazellulären Matrixstrukturen bei der Stabilisierung der faserartigen Komponenten hin. Diese Beobachtungen tragen zu einem besseren Verständnis der Lastübertragung in diesen Geweben bei und haben Auswirkungen auf die Modellierung und Simulation. Ziel dieses Projekts war es, ein umfassendes Verständnis der strukturellen Anordnungen und Mechanismen zu erlangen, die das spezifische Verhalten muskuloskelettaler Gewebe unter mehrachsiger Belastung bestimmen. Zu diesem Zweck wurde die Rolle der mesoskaligen extrazellulären Matrixstrukturen für das mechanische Verhalten von Muskel- und Sehnengewebe im Detail untersucht, wobei der Schwerpunkt auf den verschiedenen Asymmetrien zwischen Zug- und Druckverhalten liegt. Nichtlineare Gewebeeigenschaften und Materialeigenschaften auf der Mesoskala unter mehrachsiger Belastung wurden in umfangreichen, speziell konzipierten Experimenten auf verschiedenen Längenskalen bestimmt. Histologische Gewebeschnitte wurden unter verschiedenen Belastungen hergestellt und zur Erstellung von Computermodellen für mehrskalige Finite-Elemente-Simulationen verwendet. Die Gesamtheit der experimentellen Ergebnisse, zusammen mit den Erkenntnissen aus detaillierten Finite-Elemente-Simulationen, haben schließlich zur Entwicklung einer Klasse von konstitutiven Modellen verwendet, die das spezielle, nichtlineare, anisotrope Verhalten der weichen Gewebe des Bewegungsapparates beschreiben.
Publications
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Investigating the passive mechanical behaviour of skeletal muscle fibres: Micromechanical experiments and Bayesian hierarchical modelling. Acta Biomaterialia, 92, 277-289.
Böl, Markus; Iyer, Rahul; Dittmann, Johannes; Garcés-Schröder, Mayra & Dietzel, Andreas
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Mechano-geometrical skeletal muscle fibre characterisation under cyclic and relaxation loading. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 110, 104001.
Böl, Markus; Iyer, Rahul; Garcés-Schröder, Mayra; Kohn, Stephan & Dietzel, Andreas
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3D finite element models from serial section histology of skeletal muscle tissue – The role of micro-architecture on mechanical behaviour. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 113, 104109.
Kuravi, R.; Leichsenring, K.; Böl, M. & Ehret, A.E.
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Direct measurement of the direction-dependent mechanical behaviour of skeletal muscle extracellular matrix. Acta Biomaterialia, 122, 249-262.
Kohn, Stephan; Leichsenring, Kay; Kuravi, Ramachandra; Ehret, Alexander E. & Böl, Markus
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Predicting muscle tissue response from calibrated component models and histology-based finite element models. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 117, 104375.
Kuravi, Ramachandra; Leichsenring, Kay; Trostorf, Robin; Morales-Orcajo, Enrique; Böl, Markus & Ehret, Alexander E.
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On multiscale tension-compression asymmetry in skeletal muscle. Acta Biomaterialia, 144, 210-220.
Böl, Markus; Kohn, Stephan; Leichsenring, Kay; Morales-Orcajo, Enrique & Ehret, Alexander E.
