A multiscale modeling approach for bone tissue from the nanoscale up

Amadeus Cavalcanti Salvador de Alcântara

A multiscale modeling approach for bone tissue from the nanoscale up

Amadeus Cavalcanti Salvador de Alcântara

Material

TESE

Idioma

Inglês

Número de chamada

T/UNICAMP AL16m

Outros títulos

[Uma abordagem de modelagem multiescala para tecidos ósseos partindo da nanoescala]

Publicação

Campinas, SP : [s.n.], 2024.

Descrição física

1 recurso online (149 p.) : il., digital, arquivo PDF.

Nota geral

Orientador: Munir Salomão Skaf

Nota de dissertação ou tese

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Faculdade de Engenharia Mecânica

Resumo Resumo: Os ossos são biomateriais vivos complexos com uma estrutura multiescala centrada em fibrilas de colágeno mineralizadas. Mutações e alterações estruturais em sua escala molecular podem levar a defeitos e falhas microscópicas que resultam em fraturas macroscópicas. Por exemplo, a fratura óssea... Ver mais Resumo: Os ossos são biomateriais vivos complexos com uma estrutura multiescala centrada em fibrilas de colágeno mineralizadas. Mutações e alterações estruturais em sua escala molecular podem levar a defeitos e falhas microscópicas que resultam em fraturas macroscópicas. Por exemplo, a fratura óssea induzida por osteoporose é um grande problema de saúde ainda não totalmente compreendida. A melhoria da predição e diagnóstico de fraturas ósseas atualmente requer dois componentes críticos: uma compreensão abrangente do comportamento mecânico dos ossos na escala nanométrica e um esclarecimento da inter-relação e impacto desses comportamentos em escalas de comprimento maiores. Esta tese é estruturada como um compêndio de artigos. Ela começa com um artigo de revisão que apresenta o estado da arte e fornece um arcabouço para o avanço da modelagem multiescala de ossos, simulação de fraturas e análise de riscos específicas do paciente. Em seguida, a tese se concentra na nanomecânica dos ossos. Tanto a modelagem de modelos moleculares de ossos quanto uma investigação minuciosa de suas propriedades mecânicas são apresentadas. Nossas investigações em nanoscala destacam o papel fundamental dos minerais na região extrafibrilar de fibrilas de colágeno mineralizadas na nanomecânica óssea, servindo como componentes primários de suporte de carga. Além disso, esta tese fornece um roteiro para a elaboração de simulações realistas de fraturas ósseas específicas do paciente, que aqui é apresentada como uma abordagem inovadora para o diagnóstico precoce de fraturas ósseas induzidas por osteoporose. Esta abordagem sugere a combinação de dados específicos do paciente em macro- e microescala com propriedades derivadas atomísticamente para análise de risco de osteoporose. Embora ainda não totalmente implementada, a integração apresentada nesta abordagem representa uma contribuição significativa e uma novidade no campo, possivelmente aprimorando a precisão e a compreensão da avaliação de risco de osteoporose. Ao lançar luz sobre a intricada interação entre componentes estruturais na escala nanométrica e com a abordagem multi-escalar apresentada, nosso trabalho estabelece bases para simulações de fraturas ósseas mais refinadas e sensíveis Ver menos

Abstract: Bones are complex living biomaterials with a multi-scale structure centered on mineralized collagen fibrils. Mutations and structural changes at its molecular scale can lead to microscopic defects and failures that result in macroscopic fractures. For instance, osteoporosis-induced bone... Ver mais Abstract: Bones are complex living biomaterials with a multi-scale structure centered on mineralized collagen fibrils. Mutations and structural changes at its molecular scale can lead to microscopic defects and failures that result in macroscopic fractures. For instance, osteoporosis-induced bone fracture is a major health concern not yet fully understood. The improvement of bone fracture prediction and diagnosis currently requires two critical components: a comprehensive understanding of the mechanical behavior of bones at the nanoscale, and an elucidation of the interrelation and impact of these behaviors on higher lenghtscales. This thesis is structured as a compendium of articles. It starts with a review paper that provides a state-of-the-art framework for advancing patient-specific bone multiscale modelling, fracture simulation and risk analysis. Next, the thesis focus on the nanomechanics of bones. Both the modeling of bone molecular models as well as a thorough investigation of their mechanical properties are presented. Our nanoscale investigations highlight the key role of minerals within the extrafibrillar region of mineralized collagen fibrils in bone nanomechanics, serving as primary load-bearing components. Additionally, this thesis provides a roadmap for devising realistic patient-specific bone fracture simulations which is here presented as a novel approach to the early diagnosis of osteoporosis-induced bone fracture. This approach suggests the combination of macro- and microscopic patient-specific data with atomistic-derived properties for osteoporosis risk analysis. Although not yet fully implemented, the integration presented in this approach represents a significant contribution and novelty in the field, possibly enhancing the precision and comprehensiveness of osteoporosis risk assessment. By shedding light on the intricate interplay between structural components at the nanoscale and with the presented multiscale approach, our work lays the groundwork for more refined and sensitive bone fracture simulations Ver menos

Direito de acesso

Aberto

Assuntos

Fraturas ósseas

Osteoporose

Colágenos fibrilares

Biocompósito

Abordagem multiescala

Dinâmica molecular

Propriedades mecânicas

Autoria

Alcântara, Amadeus Cavalcanti Salvador de, 1994-