پيش بيني رفتار غيرخطي ماتريس بين سلولي بافت چربي با استفاده از يك مدل ساختاري

Predicting Nonlinear Behavior of Adipose Tissue Extracellular Matrix Based on Structural Model

بافت چربي، نوعي از بافت همبند خيلي نرم است كه در قسمت‌هاي مختلف بدن توزيع شده است. از آنجايي كه در بسياري از شرايط پاتولوژيكي خواص ريزساختار بافت چربي دستخوش تغيير مي‌شود، ارائه روشي جهت مشخصه‌يابي خواص مكانيكي ريزساختار بافت چربي بسيار ارزشمند است. در اين مقاله با استفاده از اطلاعات هيستولوژي و مورفولوژي بافت چربي، يك مدل ساختاري بر مبناي روش حل برهم‌كنش سيال و جامد ارائه شده است. در اين مدل سلول‌هاي چربي به صورت كره‌هايي از جنس سيال و ماتريس بين‌سلولي به صورت جامد مدل شده است. براي توصيف رفتار ماتريس بين‌سلولي از مدل‌هاي بنيادي هايپرالاستيك استفاده شده است. پارامترهاي مربوط به هر يك از اين مدل‌ها با حل مسأله معكوس با استفاده از داده‌هاي تجربي مربوط به آزمايش فشار تك محوري بر روي نمونه‌هاي بافت چربي به دست آمدند. نتايج به دست آمده نشان مي‌دهد كه مدل ارائه شده با توجه به تطابق مناسب با داده‌هاي آزمايشگاهي، پتانسيل بالايي در مدل‌سازي بافت چربي با توجه به ريزساختار آن در شرايط نرمال و بيماري را دارا مي‌باشد. مقايسه نتايج حاصل از مدل سازي با سه مدل هايپرالاستيك آگدن، يِئو و چندجمله‌اي مرتبه دو بيانگر اين است كه مدل هايپرالاستيك ِيئو نسبت به دو مدل ديگر با توجه به دقت به دست آمده و هزينه محاسباتي نسبي كمتر داراي عملكرد بهتري است. هم‌چنين در هر سه مدل ارائه شده، مشخص شد كه ماتريس بين‌سلولي در مقايسه با كل بافت چربي داراي سفتي نسبي بيشتر حدوداً 2~3 برابر مي‌باشد.

Adipose tissue is a loose connective tissue distributed in two main anatomic depots including subcutaneous and visceral. Since in many pathological conditions and diseases associated with adipose tissue alteration, the micro-components of adipose tissue undergoes considerable changes from a mechanical characteristics point of view, it is quite vital to present an accurate structural technique for modelling tissue microstructure. Accordingly, this paper presents a structural model based on the main components of adipose tissue and the interaction between them. Adipocytes were considered as fluidic spheres and extracellular matrix was modeled as solid media. The interaction between these two different phases was simulated by solving well-known fluid-structure interaction (FSI) problem. In order to obtain the constitutive parameters for ECM, finite element simulation results were fitted to experimental uniaxial compression test data. To make a comparison between the performances of different constitutive models, three conventional hyperelastic models were used for describing the mechanical behavior of ECM. The agreement between experimental data and simulation results confirms that the presented technique has a high potential for modeling adipose tissue microstructure, in both normal and pathological condition. Considering the accuracy and mathematical complexity, results show that Yeoh hyperelastic model has a better performance than the two others. In all three models, results reveal that the stiffness of adipose tissue ECM is ~ (2-3) times higher than that of the adipose tissue.