Poro-Viscoelastic Behavior of Gelatin Hydrogels Under Compression-Implications for Bioelasticity Imaging

粘弹性 材料科学 弹性(物理) 自愈水凝胶 明胶 应力松弛 压缩(物理) 复合材料 有限元法 生物医学工程 蠕动 结构工程 化学 医学 生物化学 高分子化学 工程类
作者
Sureshkumar Kalyanam,Rebecca D. Yapp,Michael F. Insana
出处
期刊:Journal of biomechanical engineering [ASM International]
卷期号:131 (8) 被引量:62
标识
DOI:10.1115/1.3127250
摘要

Ultrasonic elasticity imaging enables visualization of soft tissue deformation for medical diagnosis. Our aim is to understand the role of flow-dependent and flow-independent viscoelastic mechanisms in the response of biphasic polymeric media, including biological tissues and hydrogels, to low-frequency forces. Combining the results of confined and unconfined compression experiments on gelatin hydrogels with finite element analysis (FEA) simulations of the experiments, we explore the role of polymer structure, loading, and boundary conditions in generating contrast for viscoelastic features. Feature estimation is based on comparisons between the biphasic poro-elastic and biphasic poro-viscoelastic (BPVE) material models, where the latter adds the viscoelastic response of the solid polymer matrix. The approach is to develop a consistent FEA material model (BPVE) from confined compression-stress relaxation measurements to extract the strain dependent hydraulic permeability variation and cone-plate rheometer measurements to obtain the flow-independent viscoelastic constants for the solid-matrix phase. The model is then applied to simulate the unconfined compression experiment to explore the mechanics of hydropolymers under conditions of quasi-static elasticity imaging. The spatiotemporal distributions of fluid and solid-matrix behavior within the hydrogel are studied to propose explanations for strain patterns that arise during the elasticity imaging of heterogeneous media.
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