مدلسازی مکانیکی بافت‌های زیستی نقش مهمی در پیش‌بینی رفتار فیزیکی و مکانیکی بدن انسان دارد. استفاده از مدلسازی مبتنی بر مکانیک محیط پیوسته (Continuum Mechanics) به دلیل توانایی بالا در توصیف دقیق تغییر شکل و تنش در بافت‌های بیولوژیکی، به یکی از روش‌های مرسوم در بیومکانیک تبدیل شده است. در ادامه، به بررسی خواص مکانیکی بافت‌های نرم مانند غضروف و پوست، تحلیل تغییر شکل عضلات تحت نیروهای خارجی و شبیه‌سازی ایمپلنت‌های زیستی در تعامل با بافت بدن پرداخته می‌شود. همچنین، نرم‌افزار ABAQUS به عنوان یکی از ابزارهای پرکاربرد در این حوزه معرفی و نحوه استفاده از آن در مدلسازی بافت‌های زیستی شرح داده خواهد شد.
بدن انسان متشکل از بافت‌هایی با رفتارهای پیچیده مکانیکی است که به طور مداوم در برابر نیروهای داخلی و خارجی واکنش نشان می‌دهند. مدلسازی دقیق این رفتارها، بخصوص در کاربردهایی نظیر طراحی ایمپلنت‌ها، ترمیم بافت و جراحی‌های پیشرفته، اهمیت فراوانی دارد. استفاده از روش‌های عددی مانند المان محدود (FEM) در چارچوب مکانیک محیط پیوسته، امکان تحلیل دقیق رفتار این بافت‌ها را فراهم می‌سازد.
مدلسازی محیط پیوسته یعنی فرض می‌کنیم ماده به‌صورت پیوسته است و از نقاط بی‌نهایت کوچک تشکیل شده. این فرضیه برای بررسی رفتار مکانیکی بافت‌ها کاربرد دارد، زیرا:
• امکان استفاده از تانسورهای تنش و کرنش را می‌دهد.
• رفتار مواد را در مقیاس ماکرو (بدون توجه به ساختار سلولی) شبیه‌سازی می‌کند.
• برای مواد پیچیده مانند بافت‌های زیستی، مدل‌هایی مانند هایپرالاستیک (مثلاً مدل Ogden یا Mooney-Rivlin)، ویسکوالاستیک و بیوفیزیکی استفاده می‌شود.
مکانیک محیط پیوسته (continuum mechanics) و کاربرد آن در بافت‌های نرم
مکانیک محیط پیوسته شاخه‌ای از مکانیک است که مواد را به صورت یک محیط پیوسته و همگن در نظر می‌گیرد. این فرضیات، امکان استفاده از معادلات دیفرانسیل برای مدلسازی تنش، کرنش و تغییر شکل مواد را فراهم می‌کند.
در واقع بافت‌های نرم نظیر پوست، غضروف، تاندون‌ها و عضلات دارای ویژگی‌های منحصربه‌فردی هستند که آن‌ها را از مواد جامد کلاسیک متمایز می‌کند. این بافت‌ها رفتار غیرخطی، ویسکوالاستیک (وابسته به زمان)، و آنیسوتروپیک (دارای خواص مکانیکی متفاوت در جهت‌های مختلف) دارند. استفاده از مدل‌های مکانیکی مناسب مانند هایپرالاستیک برای پوست و مدل‌های ویسکوالاستیک برای غضروف در چارچوب محیط پیوسته، به تحلیل دقیق‌تر خواص مکانیکی این بافت‌ها کمک می‌کند.
تحلیل خواص مکانیکی غضروف و پوست
- غضروف: بافتی با ساختار متخلخل و خاصیت ویسکوالاستیک است که به جذب شوک و توزیع تنش کمک می‌کند. فاقد رگ‌های خونی و عصب است، و خواص آن وابسته به آرایش ماتریکس خارج‌سلولی و محتوای آبی بالاست. غضروف هیالین، مثلاً در مفاصل، بیشتر بار را جذب می‌کند. در مدلسازی این رفتار مکانیکی غضروف که وابسته به نرخ بارگذاری و میزان آب موجود در آن است، اغلب از مدل‌های دو فازی یا مدل ویسکوالاستیک برای شبیه‌سازی دقیق‌تر استفاده می‌شود.
- پوست: دارای ساختاری چندلایه با خواص مکانیکی پیچیده است. لایه درم غنی از کلاژن و الاستین است که به آن خاصیت ارتجاعی می‌دهد. این ساختار چندلایه با رفتار هایپرالاستیک و ناهمسانگرد است. به دلیل ساختار فیبری (مثلاً کلاژن)، پوست در جهت‌های مختلف، رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهد. مدل‌هایی مانند Neo-Hookean یا Ogden برای شبیه‌سازی پوست مناسب‌اند.
تحلیل تغییر شکل عضلات تحت نیروهای خارجی
عضلات تحت تأثیر بارهای دینامیکی (نظیر حرکت، فشار یا تماس با اشیا) تغییر شکل می‌دهند. مدلسازی عضلات نیازمند در نظر گرفتن رفتار انقباضی فعال و نیز خواص الاستیک غیرفعال است. در بسیاری از مدل‌ها، عضله به صورت یک ماده فعال هایپرالاستیک با قابلیت اعمال تنش‌های داخلی مدل می‌شود. وقتی عضلات در معرض نیروهای خارجی (مثل فشار، کشش یا وزن بدن) قرار می‌گیرند، رفتارشان ترکیبی از انقباض فعال (به‌وسیله تحریک عصبی) و پاسخ مکانیکی منفعل است.
• مدلسازی عضلات اغلب شامل استفاده از مدل‌های چندفازی است (مدل‌های فعال-منفعل) که ترکیب خواص بافت عضلانی و رفتار بیولوژیکی سلول‌های عضلانی را شبیه‌سازی می‌کنند.
• تغییر شکل عضله بسته به محل، نوع عضله و شرایط بارگذاری می‌تواند پیچیده باشد. نرم‌افزارهای اجزای محدود (مثل Abaqus یا FEBio) برای تحلیل دقیق این تغییر شکل استفاده می‌شوند.
استفاده از تحلیل اجزای محدود در چارچوب مکانیک پیوسته، امکان بررسی دقیق تأثیر نیروهای خارجی بر تغییر شکل و تنش داخلی عضله را فراهم می‌سازد.
شبیه‌سازی ایمپلنت‌های زیستی و تعامل آن‌ها با بافت بدن
ایمپلنت‌ها برای جایگزینی یا حمایت از ساختارهای بیولوژیکی طراحی می‌شوند، اما بدن آن‌ها را به‌عنوان جسم خارجی می‌شناسد. برای موفقیت ایمپلنت، مهم است که سازگاری مکانیکی بین ایمپلنت و بافت اطراف برقرار باشد.
• مدلسازی ایمپلنت‌ها به ما اجازه می‌دهد تا پاسخ مکانیکی (مثل توزیع تنش و کرنش) بین بافت و ایمپلنت را بررسی کنیم.
• شبیه‌سازی می‌تواند به بهینه‌سازی شکل و ماده ایمپلنت کمک کند تا از تحلیل رفتن بافت اطراف یا شل شدن ایمپلنت جلوگیری شود.
• بیوموادهایی مثل تیتانیوم یا پلیمرهای زیست‌سازگار در این شبیه‌سازی‌ها مد نظر قرار می‌گیرند.
در طراحی ایمپلنت‌های زیستی (مانند مفصل مصنوعی، ایمپلنت دندانی یا مهره‌های مصنوعی)، درک صحیح از تعامل ایمپلنت با بافت‌های اطراف (استخوان، عضله، غضروف و …) ضروری است. با استفاده از مدلسازی مبتنی بر محیط پیوسته، می‌توان تطابق مکانیکی بین ایمپلنت و بدن را بررسی و طراحی بهینه‌تری ارائه کرد. ملاحظاتی نظیر عدم ایجاد تنش‌های تمرکزی، تفاوت سختی بین بافت و ایمپلنت، و سازگاری زیستی از جمله مواردی هستند که باید در مدل لحاظ شوند.
نرم‌افزارهای پرکاربرد در مدلسازی (Abaqus، FEBio، COMSOL)
• Abaqus: قدرتمند در تحلیل‌های غیرخطی و پیچیده، مناسب برای شبیه‌سازی ایمپلنت‌ها، مفاصل، تغییر شکل عضلات و بافت‌ها تحت بارگذاری‌های واقعی. رابط کاربری آن برای مهندسان مکانیک آشناست.
• FEBio: مخصوص تحلیل‌های بیومکانیکی توسعه یافته؛ شامل مدل‌های هایپرالاستیک، ویسکوالاستیک، رشد بافت و تعامل با سیالات. ایده‌آل برای شبیه‌سازی دقیق رفتار بافت‌های نرم.
• COMSOL Multiphysics: برای مدلسازی همزمان چند پدیده (مثل مکانیک + گرما + جریان خون) و برای کاربردهایی که هم دارای خواص فیزیکی مختلف اند و هم نیاز به کوپلینگ بین آن‌ها هست، بهترین انتخاب است.
کاربرد نرم‌افزار ABAQUS در تحلیل بافت‌های زیستی و ایمپلنت‌ها
نرم‌افزار ABAQUS یکی از پیشرفته‌ترین ابزارهای تحلیل اجزای محدود (FEM) است که به‌طور گسترده در مدلسازی مسائل بیومکانیکی استفاده می‌شود. این نرم‌افزار، با فراهم کردن امکانات گسترده در تعریف رفتارهای پیچیده مواد زیستی، به طور مستقیم با سه محور اصلی این تحقیق در ارتباط است:
۱. تحلیل خواص مکانیکی بافت‌های نرم (غضروف و پوست):
ABAQUS دارای کتابخانه گسترده‌ای از مدل‌های مواد غیرخطی است که برای شبیه‌سازی دقیق رفتار بافت‌های نرم طراحی شده‌اند. مدل‌های هایپرالاستیک مانند Neo-Hookean، Mooney-Rivlin و Ogden برای پوست، و مدل‌های ویسکوالاستیک برای غضروف به راحتی قابل پیاده‌سازی هستند. این ویژگی‌ها به پژوهشگر اجازه می‌دهند که پاسخ مکانیکی بافت در برابر کشش، فشردگی یا برش را به‌صورت عددی تحلیل کند و نتایج را با داده‌های تجربی مقایسه نماید.
۲. تحلیل تغییر شکل عضلات تحت نیروهای خارجی:
مدلسازی عضلات در ABAQUS با تعریف مواد فعال یا استفاده از شبه‌کدهای UMAT و VUMAT قابل انجام است. همچنین، با تعریف شرایط مرزی متحرک و بارهای دینامیکی، می‌توان تحلیل‌های دقیق از تغییر شکل عضلات در حین حرکت یا در پاسخ به نیروهای خارجی انجام داد. ABAQUS این امکان را فراهم می‌کند تا عضلات به‌صورت ساختارهای پیچیده سه‌بعدی با ویژگی‌های فیزیولوژیکی مدلسازی شوند، که برای جراحی‌های شبیه‌سازی‌شده و طراحی پروتزهای حرکتی بسیار مفید است.
۳. شبیه‌سازی ایمپلنت‌های زیستی و تعامل آن‌ها با بافت بدن:
در فرآیند طراحی ایمپلنت، بررسی چگونگی توزیع تنش و تغییر شکل در محل تماس بین ایمپلنت و بافت ضروری است. ABAQUS ابزارهای پیشرفته‌ای برای تحلیل تماس غیرخطی، اصطکاک، و تفاوت در خواص مکانیکی اجزای مختلف دارد. مثلاً می‌توان مدل سه‌بعدی یک ایمپلنت زانو را در تماس با غضروف و استخوان تحلیل کرد و بهینه‌ترین طراحی را با کم‌ترین تمرکز تنش به دست آورد. همچنین، با استفاده از داده‌های تصویربرداری پزشکی (MRI) وCT مدل هندسی دقیق بافت بدن در ABAQUS ایجاد شده و به مدل فیزیکی واقع‌گرایانه نزدیک می‌شود.
References:
Continuum Biomechanics of Soft Tissue | PPT
On Mechanical Behavior and Characterization of Soft Tissues – PMC
مدلسازی و تحلیل رفتار مواد بیولوژیکی در آباکوس – آباکوس کلینیک
