Governo Federal

Dados do Trabalhos de Conclusão

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
MÉTODOS NUMÉRICOS EM ENGENHARIA (40001016030P0)
MODELAGEM MULTIESCALA DE TECIDOS MINERALIZADOS CONSIDERANDO A MICROMECÂNICA DA DINÂMICA CELULAR
EMILIO GRACILIANO FERREIRA MERCURI
TESE
29/10/2013

O estudo do comportamento auto-adaptativo dos ossos e um grande desa o que a comunidade científi ca internacional tem encontrado nas ultimas decadas. O tecido osseo e um orgão vivo capaz de se adaptar ao ambiente mecânico e e caracterizado como um material composito por sua complexa composição e níveis hierarquicos de organização. Os fatores biologicos que influenciam o equilíbrio de remoção e reposição ossea são diversos, entre eles estão celulas, citocinas, fatores de crescimento, hormônios, proteínas e lipídios que interagem neste complexo fenômeno local que sofre influências sistêmicas e estímulos externos. A micromecânica do contínuo e o ferramental teorico escolhido de caracterizar o comportamento constitutivo anisotropico, heterogêneo e multiescala do tecido osseo. Para lidar com os processos biologicos foi adotado um modelo de interação celular que descreve as interações celulares e a influência da sinalização paracrina em uma das escalas do osso. Atraves do procedimento de homogeneização baseado na micromecânica do contínuo podemos obter as propriedades mecânicas macroscopicas baseadas na composição da microestrutura do material. Um codigo computacional intitulado Remold 2D foi desenvolvido e programado em MATLAB. A discretização espacial das geometrias bidimensionais é realizada atraves do Metodo dos Elementos Finitos e a evolução temporal das variaveis biologicas e da densidade ossea é resolvida pelo metodo de Runge-Kutta de quarta ordem. Exemplos bidimensionais ilustram a teoria aplicada em três casos: formação da camada cortical no fêmur, reabsorção ossea peri-implantar (implantodontia) e movimentação ortodôntica. O estímulo mecânico utilizado para desencadear a atividade celular e a densidade de energia de deformação na micro-escala. Os resultados mostram a evolução temporal da distribuição de densidade nos modelos bidimensionais. Essa distribuição mostrou-se apropriada comparada com outros modelos da literatura. O estudo desenvolvido e um primeiro passo no desenvolvimento de outras pesquisas relacionadas ao desequilbrio da homeostase ossea e a utilização de farmacos no tratamento de doenças osseas.

comportamento. auto-adaptativo. ossos.
Bone tissue is a dynamic system capable of changing its own density in response to biomechanical stimuli. The biological system studied herein consists of three cellular types, responsive osteoblasts, active osteoblasts and osteoclasts, and four types of signaling molecules, PTH, TGF-β, RANKL and OPG. This study examines the biological response to a specific mechanical stimulus in a cellular model for bone remodeling. Two-dimensional examples are proposed with spatial discretization performed through the finite element method. The temporal evolution of the biological variables and bone density is obtained using the Runge-Kutta method. A computational code named Remold 2D is created in MATLAB. The strain energy density at the microscale served as mechanical stimulus to trigger cellular activity demonstrating the temporal evolution of density distribution in three diferent models. This distribution is in agreement with other models in the literature. The main contribution of this thesis is the coupling of mechanical and biological models in a multiscale framework. Another important fact is that the results can represent the local behavior of the proposed biological variables. The study is a first step in the development of more advanced models to represent the imbalance of bone homeostasis.
Bone tissue. dynamic system. density in response .
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PORTUGUES
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ

Contexto

MECÂNICA COMPUTACIONAL
MECÂNICA DOS SÓLIDOS COMPUTACIONAL
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Banca Examinadora

MILDRED BALLIN HECKE
Sim
Nome Categoria
LUIS PAULO DA SILVA BARRA Participante Externo
EDUARDO ALBERTO FANCELLO Participante Externo
ROBERTO DALLEDONE MACHADO Docente
MARCOS ARNDT Docente

Vínculo

Servidor Público
Instituição de Ensino e Pesquisa
Ensino e Pesquisa
Não