El efecto de las representaciones constitutivas y los componentes estructurales de los ligamentos en la mecánica de la articulación de la rodilla

The effect of constitutive representations and structural constituents of ligaments on knee joint mechanics

 

Fuente

Este artículo es originalmente publicado en:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29396466

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5797142/

https://www.nature.com/articles/s41598-018-20739-w

 

De:

Orozco GA1Tanska P2Mononen ME2Halonen KS3Korhonen RK2.

 2018 Feb 2;8(1):2323. doi: 10.1038/s41598-018-20739-w.

 

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Abstract

Ligaments provide stability to the human knee joint and play an essential role in restraining motion during daily activities. Compression-tension nonlinearity is a well-known characteristic of ligaments. Moreover, simpler material representations without this feature might give reasonable results because ligaments are primarily in tension during loading. However, the biomechanical role of different constitutive representations and their fibril-reinforced poroelastic properties is unknown. A numerical knee model which considers geometric and material nonlinearities of meniscus and cartilages was applied. Five different constitutive models for the ligaments (spring, elastic, hyperelastic, porohyperelastic, and fibril-reinforced porohyperelastic (FRPHE)) were implemented. Knee joint forces for the models with elastic, hyperelastic and porohyperelastic properties showed similar behavior throughout the stance, while the model with FRPHE properties exhibited lower joint forces during the last 50% of the stance phase. The model with ligaments as springs produced the lowest joint forces at this same stance phase. The results also showed that the fibril network contributed substantially to the knee joint forces, while the nonfibrillar matrix and fluid had small effects. Our results indicate that simpler material models of ligaments with similar properties in compression and tension can be used when the loading is directed primarily along the ligament axis in tension.

 

 

Resumen

Los ligamentos brindan estabilidad a la articulación de la rodilla humana y desempeñan un papel esencial para restringir el movimiento durante las actividades diarias. La no linealidad de tensión de compresión es una característica bien conocida de los ligamentos. Además, las representaciones de material más simples sin esta característica podrían dar resultados razonables porque los ligamentos están principalmente en tensión durante la carga. Sin embargo, se desconoce el papel biomecánico de las diferentes representaciones constitutivas y sus propiedades poroelásticas reforzadas con fibrillas. Se aplicó un modelo numérico de rodilla que considera las no linealidades geométricas y materiales del menisco y los cartílagos. Se implementaron cinco modelos constitutivos diferentes para los ligamentos (resorte, elástico, hiperelástico, porohipelástico y porohipelástico reforzado con fibrillas (FRPHE)). Las fuerzas de la articulación de la rodilla para los modelos con propiedades elásticas, hiperelásticas y porohipelásticas mostraron un comportamiento similar en toda la postura, mientras que el modelo con propiedades FRPHE mostró fuerzas de articulación más bajas durante el último 50% de la fase de postura. El modelo con ligamentos como resortes produjo las fuerzas conjuntas más bajas en esta misma fase de postura. Los resultados también mostraron que la red de fibrillas contribuyó sustancialmente a las fuerzas de la articulación de la rodilla, mientras que la matriz no fibrilar y el fluido tuvieron pequeños efectos. Nuestros resultados indican que se pueden usar modelos materiales más simples de ligamentos con propiedades similares en compresión y tensión cuando la carga se dirige principalmente a lo largo del eje del ligamento en tensión.

 

 

 

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