A multiscale modeling approach for bone tissue from the nanoscale up

Autor(es)

Amadeus Cavalcanti Salvador de Alcântara

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: Campinas, SP.
• Instituição: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Mecânica
• Data de defesa: 2024-03-08

Membros da banca

Munir Salomão Skaf; Marco Lúcio Bittencourt; Vitor Rafael Coluci; Mario Milazzo; Markus Jochen Buehler

• Orientador: Munir Salomão Skaf

Resumo

Os ossos são biomateriais vivos complexos com uma estrutura multiescala centrada em fibrilas de colágeno mineralizadas. Mutações e alterações estruturais em sua escala molecular podem levar a defeitos e falhas microscópicas que resultam em fraturas macroscópicas. Por exemplo, a fratura óssea induzida por osteoporose é um grande problema de saúde ainda não totalmente compreendida. A melhoria da predição e diagnóstico de fraturas ósseas atualmente requer dois componentes críticos: uma compreensão abrangente do comportamento mecânico dos ossos na escala nanométrica e um esclarecimento da inter-relação e impacto desses comportamentos em escalas de comprimento maiores. Esta tese é estruturada como um compêndio de artigos. Ela começa com um artigo de revisão que apresenta o estado da arte e fornece um arcabouço para o avanço da modelagem multiescala de ossos, simulação de fraturas e análise de riscos específicas do paciente. Em seguida, a tese se concentra na nanomecânica dos ossos. Tanto a modelagem de modelos moleculares de ossos quanto uma investigação minuciosa de suas propriedades mecânicas são apresentadas. Nossas investigações em nanoscala destacam o papel fundamental dos minerais na região extrafibrilar de fibrilas de colágeno mineralizadas na nanomecânica óssea, servindo como componentes primários de suporte de carga. Além disso, esta tese fornece um roteiro para a elaboração de simulações realistas de fraturas ósseas específicas do paciente, que aqui é apresentada como uma abordagem inovadora para o diagnóstico precoce de fraturas ósseas induzidas por osteoporose. Esta abordagem sugere a combinação de dados específicos do paciente em macro- e microescala com propriedades derivadas atomísticamente para análise de risco de osteoporose. Embora ainda não totalmente implementada, a integração apresentada nesta abordagem representa uma contribuição significativa e uma novidade no campo, possivelmente aprimorando a precisão e a compreensão da avaliação de risco de osteoporose. Ao lançar luz sobre a intricada interação entre componentes estruturais na escala nanométrica e com a abordagem multi-escalar apresentada, nosso trabalho estabelece bases para simulações de fraturas ósseas mais refinadas e sensíveis (AU)

• Processo FAPESP: 18/18503-2 - Diagnose de Osteoporose através de uma modelagem multiescala de fratura óssea usando o método dos elementos de contorno e a dinâmica molecular
• Beneficiário: Amadeus Cavalcanti Salvador de Alcântara
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto