Fracture and fatigue behaviour of hydrogels for cartilage tissue replacement

Liu, Dongxu; Yuan, Huang; Markert, Bernd

doi:41533

Fracture and fatigue behaviour of hydrogels for cartilage tissue replacement = Bruch- und Ermüdungsverhalten von Hydrogelen für Knorpelgewebeersatz

Liu, Dongxu^RWTH*

2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dongxu Liu

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ReiheReport. IAM, Institute of General Mechanics ; IAM-14

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Markert, Bernd (Thesis advisor)^RWTH* ; Yuan, Huang (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-08-11

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-08927
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/853556/files/853556.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Mechanik (411110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
cartilage damage and replacement (frei) ; fracture and fatigue (frei) ; hydrogel implants (frei) ; hydrogels (frei) ; multi-physics modelling (frei) ; numerical simulations (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

In newly developed biomedical applications, hydrogel composites are widely used as load-bearing components under complex loading conditions, such as high stretches and cyclic deformations. These loading conditions can cause fracture and fatigue of hydrogel composites. The mechanical behaviours of many hydrogel composites show significant time dependence. The underlying mechanisms for the time-dependent deformation, fracture and fatigue crack growth behaviour remain elusive and inconclusive. Deeply understanding these mechanisms will greatly improve the anti-fracture and anti-fatigue capability of hydrogel composites and thereby lengthen the service life. The objective of this dissertation is to develop a theoretical and computational framework to describe the complex constitutive behaviour, analyse the time-dependent fracture mechanisms, and predict the fatigue crack growth behaviour of hydrogel composites. For these purposes, an extended poro-visco-hyperelastic-damage model is developed within the framework of the Theory of Porous Media (TPM) at finite strains. The non-equilibrium mechanical response is described by introducing internal variables based on the multiplicative decomposition of the deformation gradient tensor into elastic and inelastic parts. A continuum damage model is utilised to describe the mechanical degradation of polymer networks and fibres. The time-dependent breaking/reforming kinetics of physical bonds is described by a Bell model-based chain evolution law. Moreover, an energy-based fatigue crack growth model is proposed to predict the fatigue crack growth behaviour of hydrogels. The averaged elastic energy density surrounding the crack tip is evaluated as the driving force via a volume averaging method. The evolution of the energy density with cycles is considered. The developed damage model and the fatigue crack growth model are first validated with experimental data. The simulations for the delayed fracture and fatigue crack propagation of hydrogel specimens are accomplished under different loading conditions to investigate the coupled fracture, chain evolution and fluid transport processes in hydrogels. Simulation results show that the time-dependent fracture and fatigue are strongly influenced by fluid transport, visco-hyperelastic deformation and physical chain kinetics. Moreover, the effects of these mechanisms on the anisotropic fracture behaviour of hydrogel composites are analysed. Finally, the fatigue behaviour of a fibre-reinforced hydrogel implant for repairing cartilage defects is studied under different physiological loading conditions. The computational prediction results indicate that the fatigue crack growth rate of the hydrogel implant accelerates with the increase of human body weight and gait frequency.

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