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定量生物学 > 组织与器官

arXiv:1906.00871 (q-bio)
[提交于 2019年6月3日 ]

标题: 初始残余应力对分层主动脉生长和图案形成的影响

标题: Influence of Initial Residual Stress on Growth and Pattern Creation for a Layered Aorta

Authors:Yangkun Du, Chaofeng Lü, Michel Destrade, Weiqiu Chen
摘要: 残余应力在大多数生物和人工材料中普遍存在且不可或缺,它维持并优化了许多生物和功能机制。 体积生长理论从无应力的初始状态出发,被广泛用于解释生长引起的残余应力的产生和演变以及形状的变化,并模拟生长生物组织如动脉和实体肿瘤如何根据几何和材料参数发展出模式生成策略。 这种建模为设计和引导特定组织或器官的适当形态并实现某些目标生物医学功能提供了有前景的途径。 在本文中,我们依赖于一种改进和增强的理论,以揭示如何从现有的非零初始残余应力状态出发,获得分层动脉的生长引起的残余应力和模式演化。 我们使用实验确定的老年双层人类主动脉的残余应力分布,并通过一个量级因子量化其影响。 我们的结果表明,初始残余应力对残余应力积累和后续模式演化的影响力比几何和材料参数更大。 此外,我们提供了对由差分生长耦合初始残余应力驱动的生长引起的模式的基本解释。 最后,我们表明初始残余应力是控制组织生长引起的模式生成的一种易于获取的方法,因此可能为生物医学工程提供有前景的灵感。
摘要: Residual stress is ubiquitous and indispensable in most biological and artificial materials, where it sustains and optimizes many biological and functional mechanisms. The theory of volume growth, starting from a stress-free initial state, is widely used to explain the creation and evolution of growth-induced residual stress and the resulting changes in shape, and to model how growing bio-tissues such as arteries and solid tumors develop a strategy of pattern creation according to geometrical and material parameters. This modelling provides promising avenues for designing and directing some appropriate morphology of a given tissue or organ and achieve some targeted biomedical function. In this paper, we rely on a modified, augmented theory to reveal how we can obtain growth-induced residual stress and pattern evolution of a layered artery by starting from an existing, non-zero initial residual stress state. We use experimentally determined residual stress distributions of aged bi-layered human aortas and quantify their influence by a magnitude factor. Our results show that initial residual stress has a more significant impact on residual stress accumulation and the subsequent evolution of patterns than geometry and material parameters. Additionally, we provide an essential explanation for growth-induced patterns driven by differential growth coupled to an initial residual stress. Finally, we show that initial residual stress is a readily available way to control growth-induced pattern creation for tissues and thus may provide a promising inspiration for biomedical engineering.
主题: 组织与器官 (q-bio.TO) ; 软凝聚态物理 (cond-mat.soft); 生物物理 (physics.bio-ph)
引用方式: arXiv:1906.00871 [q-bio.TO]
  (或者 arXiv:1906.00871v1 [q-bio.TO] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.1906.00871
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Yangkun Du Mr [查看电子邮件]
[v1] 星期一, 2019 年 6 月 3 日 15:27:54 UTC (3,667 KB)
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