Modelling of articular cartilage behavior in unconfined compression : Comparison with experimental texts

In this study several biphasic models commonly used in the literature were analyzed in order to find the more accurate one in the reproduction of articular cartilage (AC) response under different mechanical loading, but at the same time that requires a low computational time. Such model can be used in a more complex finite element analysis on the knee joint. Unconfined compression relaxation tests were performed on purpose in order to allow the analysis. Simple models like the poroelastic one showed to be not enough accurate, although it allows a fast computation of results. Only model in which more than one families of collagen fibers is reproduced could predict the AC response under unconfined compression test. Besides, a thermal analogy model was implemented to analyze the swelling behaviour of cartilage due to the presence of negative charged proteoglycans. If on the tissue a change of NaCl concentration is applied, cartilage will swell. Thus, unconfined compression test with a change of bath concentration were performed to validate the thermal analogy model. Finite element analyses were done to study the effect of friction and the presence of non flat samples on the measured mechanical properties of cartilage. In conclusion, friction cannot be neglected.

Questo studio si è occupato dell’analisi di numerosi modelli bifasici presenti in letteratura con lo scopo di trovare il modello più accurato che possa riprodurre la risposta della cartilagine quando sottoposta a diverse sollecitazioni meccaniche, ma che allo stesso tempo richieda bassi tempi computazionali. I tal modo questo può essere applicabile ad un modello più complesso come l’articolazione del ginocchio. Prove di compressione non confinata sono state appositamente svolte per attuare l’analisi. I modelli più semplici come quello poroelastico si sono rilevati poco accurati sebbene computazionalmente veloci. Sola la descrizione della presenza di più famiglie di collagene permette la riproduzione della risposta della cartilagine in compressione non confinata. Accanto a questa analisi un modello di analogia termica è stato sviluppato con il fine di riprodurre il fenomeno di rigonfiamento (detto swelling) dovuto alla presenza delle cariche negative dei proteoglicani. E’ possibile osservare tale fenomeno applicando una variazione di concentrazione di NaCl ai capi del tessuto, pertanto prove sperimentali in compressione non confinata sono state utilizzate per validare il modello presentato. Sono state inoltre analizzati agli elementi finiti gli effetti della presenza dell’attrito e di provini non piatti sulle proprietà meccaniche misurate. In conclusione, l’attrito non può essere trascurato.