تحليل برهمكنش سيال - سازه از تنش كششي در آكسون با استفاده از مدل‌ سازي اجزاي محدود در راستاي بررسي آسيب‌هاي كرنشي اعصاب

Fluid-Structure Interactions Analysis of Tension in An Axon Using Finite Elements Modeling to Investigate Strain Related Neurological Damages

مطالعه رفتار آكسون تحت شرايط محيطي مي‌تواند ديد بهتري در توسعه روش‌هاي درماني به‌منظور بهبود آسيب‌هاي عصبي ايجاد كند. در اين تحقيق، با مدل كردن زير‌لايه به‌صورت هايپرالاستيك و اعمال فشارهاي مختلف به زير‌لايه ميزان كرنش‌هاي تحمل شده توسط آكسون محاسبه شد. كرنش‌ها در سه بازه زماني مختلف اعمال شد تا اثرات نرخ كرنش‌هاي مختلف بررسي شود. براي آكسون يك مدل شامل ميكروتوبول با خواص الاستيك خطي، نوروفيلامان و آكسلوما با خواص ويسكوالاستيك خطي فرض شد. جهت گسسته‌‌سازي زيرلايه و بخش‌هاي مختلف آكسون از روش المان محدود و نرم افزار كامسول استفاده شد. مشاهده شد كه رژيم سيال موجود در كانال تأثيري بر پاسخ مكانيكي آكسون ندارد. با استفاده از تحليل برهم كنش سيال-سازه، ميزان كرنش ايجاد ‌شده نزديك به صفر (در بيشترين حالت 0/0001) و تنش نيز ناچيز (در بيشترين مقدار 70N/m2) گزارش شد. نتايج نشان‌دهنده‌ اثر عمده ميكروتوبول در قبول كردن بارهاي مكانيكي و استحكام كلي آكسون مي‌باشد. همچنين بيشترين كرنش‌ها در داخل آكسلوما ديده مي‌شود كه اهميت پاسخ مكانيكي آن در ايجاد آسيب را متذكر مي‌شود. باتوجه به پاسخ مرتبط با نرخ كرنش‌هاي مختلف مشاهده مي‌شود كه بيشترين احتمال آسيب به آكسون، در كرنش %42 و نرخ19/1s-1 مي‌باشد.

The study of axonal behavior under different environmental conditions can provide a better insight into the development of therapeutic approaches for healing after nerve damages. By modeling of sublayer in the form of a hyperelastic material and applying different pressures, the amount of strains tolerated by the axon was calculated. Strains were applied at three different time intervals to examine the effects of different strain rates. For axon, a model containing microtubules with linear elastic properties, neurofilament, and axolemma with linear viscoelastic properties was considered. The finite element method and COMSOL software were used for the discretization of the sublayer and the substructures of the axon. It was observed that the fluid regime in the channel did not affect the mechanical response of the axon. The strain was close to zero (at most 0.0001) and the stress was also negligible (at most, 70 N/m2). The results showed the major effect of microtubules on resisting mechanical forces and on the overall integrity of the axons. Most of the strains were seen inside the axolemma, indicating the importance of its mechanical response to injury. Regarding the response to the strain rate, the most probable damage to the axon, comparable with the former corresponding reports will occur at the strain of 42% and strain rate of 19.1 s-1, respectively.