Numerical modelling of the growth and remodelling phenomena in biological tissues
Authors:   , Comellas Sanfeliu Ester 
Published: October 2023

Living biological tissues are complex structures that have the capacity of evolving in response to external loads and environmental stimuli. The adequate modelling of soft biological tissue behaviour is a key issue in successfully reproducing biomechanical problems through computational analysis.

This study presents a general constitutive formulation capable of representing the behaviour of these tissues through finite element simulation. It is based on phenomenological models that, used in combination with the generalized mixing theory, can numerically reproduce a wide range of material behaviours.

First, the passive behaviour of tissues is characterized by means of hyperelastic and finite-strain damage models. A new generalized damage model is proposed, providing a flexible and versatile formulation that can reproduce a wide range of tissue behaviour. It can be particularized to any hyperelastic model and requires identifying only two material parameters.
Then, the use of these constitutive models with generalized mixing theory in a finite-strain framework is described and tools to account for the anisotropic behaviour of tissues are put forth.

The active behaviour of tissues is characterized through constitutive models capable of reproducing the growth and remodelling phenomena. These are built on the hyperelastic and damage formulations described above and, thus, represent the active extension of the passive tissue behaviour. A growth model considering biological availability is used and extended to include directional growth. In addition, a novel constitutive model for homeostatic-driven turnover remodelling is presented and discussed. This model captures the stiffness recovery that occurs in healing tissues, understood as a recovery or reversal of damage in the tissue, which is driven by both mechanical and biochemical stimuli.

Finally, the issue of correctly identifying the material parameters for computational modelling is addressed. An inverse method using optimization techniques is developed to facilitate the identification of these parameters.

Els teixits biològics vius són estructures complexes que tenen la capacitat d'evolucionar en resposta a càrregues externes i estímuls ambientals. El modelat adequat del comportament del teixit biològic tou és un tema clau per poder reproduir amb èxit problemes biomecànics mitjançant anàlisi computacional.

Aquest estudi presenta una formulació constitutiva general capaç de representar el comportament d'aquests teixits mitjançant la simulació amb elements finits. Es basa en models fenomenològics que, usats en combinació amb la teoria de mescles generalitzada, permeten reproduir numèricament un ampli ventall de comportaments materials.

Primer, el comportament passiu dels teixits es caracteritza amb models hiperelàstics i de dany en grans deformacions. Es proposa un model generalitzat de dany que proporciona una formulació versàtil i flexible per poder reproduir una extensa gamma de conductes de teixits. Pot ser particularitzat amb qualsevol model hiperelàstic i requereix identificar tan sols dos paràmetres materials. Llavors, es descriu l'ús d'aquests models constitutius en conjunt amb la teoria generalitzada de mescles, desenvolupada en el marc de grans deformacions, i es presenten eines que permeten incorporar les propietats anisòtropes dels teixits.

El comportament actiu dels teixits es caracteritza mitjançant models constitutius capaços de reproduir els fenòmens de creixement i remodelació. Aquests es construeixen sobre les formulacions d'hiperelasticitat i dany descrites anteriorment i, per tant, suposen l'extensió activa del comportament passiu del teixit. Es fa servir un model de creixement que té en compte la disponibilitat biològica de l'organisme, que després s'amplia per incloure dany direccional en el model. També es presenta i analitza un nou model constitutiu per al remodelat per renovació tendint a l’homeòstasi (homeostatic-driven turnover remodelling). Aquest model captura la recuperació de rigidesa que s'observa en teixits que es guareixen. Aquí, el remodelat s'entén com la recuperació o inversió del dany en el teixit i és motivat tant per estímuls mecànics com bioquímics.

Finalment, s'aborda el tema de la identificació correcta dels paràmetres materials per al modelat computacional. Es desenvolupa un mètode invers que fa ús de tècniques d'optimització per facilitar la identificació d'aquests paràmetres