Fracture and fatigue behaviour of hydrogels for cartilage tissue replacement

• Bruch- und Ermüdungsverhalten von Hydrogelen für Knorpelgewebeersatz

Liu, Dongxu; Markert, Bernd (Thesis advisor); Yuan, Huang (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Report. IAM, Institute of General Mechanics IAM-14
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, DiagrammeReport-Nummer: IAM-14

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

In neu entwickelten biomedizinischen Anwendungen werden Hydrogel-Verbundwerkstoffe häufig als hochbelastete Komponenten unter komplexen Belastungsbedingungen, wie beispielsweise hohen Dehnungen oder zyklischen Verformungen, eingesetzt. Diese Belastungsbedingungen können Bruch und Ermüdung von Hydrogel-Verbundwerkstoffen verursachen. Eine signifikante Zeitabhängigkeit zeigt das mechanische Verhalten vieler Hydrogel-Verbundwerkstoffe. Die zugrunde liegenden Mechanismen des zeitabhängigen Verformungs-, Bruch- und Ermüdungsverhaltens sind bis heute nicht ausreichend untersucht worden. Ein tiefes Verständnis dieser Mechanismen kann die Bruch- und Ermüdungsbeständigkeit von Hydrogel-Verbundwerkstoffen erheblich verbessern und dadurch kann die Lebensdauer erheblich verlängert werden. In dieser Arbeit wird ein theoretischer und numerischer Rahmen entwickelt, um das Materialverhalten von Hydrogel-Verbundwerkstoffen zu beschreiben mit dem Ziel, das komplexe konstitutive Verhalten zu beschreiben, die zeitabhängigen Bruchmechanismen zu analysieren und das Ermüdungsrisswachstum vorhersagen zu können. Hierfür wird im Rahmen der Theorie Poröser Medien (TPM) ein erweitertes poro-visko-hyperelastisches Schädigungsmodell entwickelt. Das Modell beschreibt das mechanische Nichtgleichgewicht durch die Einführung interner Variablen, die auf der multiplikativen Zerlegung des Deformationsgradiententensors in elastische und unelastische Anteile basiert. Zur Beschreibung der mechanischen Degradierung von Polymernetzwerken und -fasern wird ein Kontinuum-Schädigungsmodell verwendet. Die zeitabhängige Bruch-/Reformierungskinetik physikalischer Bindungen wird durch ein auf dem Bell-Modell aufbauendes Kettenevolutionsgesetz beschrieben. Darüber hinaus wird ein energiebasiertes Ermüdungsrisswachstumsmodell zur Voraussage des Ermüdungsrisswachstums aufgestellt. Als treibende Kraft wird die gemittelte elastische Energiedichte im Bereich vor der Rissspitze mit einer nicht-lokalen volumetrischen Methode ausgewertet. Die zyklische Evolution der Energiedichte wird in der Modellierung betrachtet. Die entwickelten Schädigungs- und Ermüdungsrisswachstumsmodelle werden zunächst mit experimentellen Daten validiert. Die Simulationen von verzögertem Bruch und der Ermüdungsrissausbreitung unter verschiedenen Belastungsbedingungen werden zur Untersuchung des Bruch- und Ermüdungsverhaltens von Hydrogelen durchgeführt. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der zeitabhängige Bruch und die Ermüdung stark durch den Fluidstransport, die visko-hyperelastische Verformung und die physikalische Kettenkinetik beeinflusst werden. Darüber hinaus wird der Einfluss dieser Mechanismen auf das anisotrope Bruchverhalten von Hydrogel-Verbundwerkstoffen analysiert. Schließlich wird das Ermüdungsverhalten eines faserverstärkten Hydrogel-Implantats für die Reparatur von Knorpeldefekten unter verschiedenen physiologischen Belastungsbedingungen untersucht. Die numerischen Simulationen zeigen, dass sich die Ermüdungsrisswachstumsrate des Hydrogel-Implantats mit zunehmendem Körpergewicht und mit höherer Schrittfrequenz beschleunigt.