Hyperelastic modelling of arterial layers with distributed collagen fibre orientations

超弹性材料 材料科学 动脉壁 各向异性 机械 本构方程 连续介质力学 方向(向量空间) 复合材料 结构工程 几何学 有限元法 物理 光学 数学 工程类 内科学 医学
作者
Thomas C. Gasser,Ray W. Ogden,Gerhard A. Holzapfel
出处
期刊:Journal of the Royal Society Interface [Royal Society]
卷期号:3 (6): 15-35 被引量:2328
标识
DOI:10.1098/rsif.2005.0073
摘要

Constitutive relations are fundamental to the solution of problems in continuum mechanics, and are required in the study of, for example, mechanically dominated clinical interventions involving soft biological tissues. Structural continuum constitutive models of arterial layers integrate information about the tissue morphology and therefore allow investigation of the interrelation between structure and function in response to mechanical loading. Collagen fibres are key ingredients in the structure of arteries. In the media (the middle layer of the artery wall) they are arranged in two helically distributed families with a small pitch and very little dispersion in their orientation (i.e. they are aligned quite close to the circumferential direction). By contrast, in the adventitial and intimal layers, the orientation of the collagen fibres is dispersed, as shown by polarized light microscopy of stained arterial tissue. As a result, continuum models that do not account for the dispersion are not able to capture accurately the stress–strain response of these layers. The purpose of this paper, therefore, is to develop a structural continuum framework that is able to represent the dispersion of the collagen fibre orientation. This then allows the development of a new hyperelastic free-energy function that is particularly suited for representing the anisotropic elastic properties of adventitial and intimal layers of arterial walls, and is a generalization of the fibre-reinforced structural model introduced by Holzapfel & Gasser (Holzapfel & Gasser 2001 Comput. Meth. Appl. Mech. Eng . 190 , 4379–4403) and Holzapfel et al . (Holzapfel et al . 2000 J. Elast . 61 , 1–48). The model incorporates an additional scalar structure parameter that characterizes the dispersed collagen orientation. An efficient finite element implementation of the model is then presented and numerical examples show that the dispersion of the orientation of collagen fibres in the adventitia of human iliac arteries has a significant effect on their mechanical response.
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