Численное исследование механического поведения сегмента позвоночника с остеосаркомой при физиологических и акустических нагрузках | Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2025. № 97. DOI: 10.17223/19988621/97/5

Численное исследование механического поведения сегмента позвоночника с остеосаркомой при физиологических и акустических нагрузках

Важнейшие особенности материалов скелета человека - их проницаемая пористость, варьируемая в широком диапазоне значений, насыщенность биологической жидкостью, а также большой разброс упругих характеристик. Разработана макромеханическая модель сегмента четвертого и пятого грудных позвонков с учетом реальных значений пороупругих параметров биологических тканей, в том числе ракового образования. Для этого использована модифицированная модель поро-упругости Био, адаптированная для метода подвижных клеточных автоматов. Анализ результатов моделирования согласно механобиологическим принципам показал, что при физиологических нагрузках механические напряжения и давление флюида в порах не препятствуют росту раковых клеток. При акустическом воздействии с интенсивностью 0.2-0.3 мДж/мм2 напряженное состояние способствует восстановлению костной ткани в пораженной области.

Скачать электронную версию публикации

Загружен, раз: 8

Ключевые слова

напряженно-деформируемое состояние, пороупругая модель, метод подвижных клеточных автоматов, биологические ткани, рак

Авторы

ФИО	Организация	Дополнительно	E-mail
Еремина Галина Максимовна	Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук	кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории компьютерного конструирования материалов	anikeeva@ispms.ru
Смолин Алексей Юрьевич	Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук; Томский государственный университет	доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории компьютерного конструирования материалов; профессор кафедры механики деформируемого твердого тела	asmolin@ispms.ru
Мартышина Ирина Павловна	Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук	младший научный сотрудник лаборатории компьютерного конструирования материалов	mira@ispms.ru

Всего: 3

Ссылки

Jiang Z.Y., Liu J.B., Wang X.F., Ma Y.S., Fu D. Current status and prospects of clinical treatment of osteosarcoma // Technology in Cancer Research & Treatment. 2022. V. 21. Art. 15330338221124696. doi: 10.1177/15330338221124696.

Riehl B.D., Kim E., Bouzid T., Lim J.Y. The role of microenvironmental cues and mechanical loading milieus in breast cancer cell progression and metastasis // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. V. 8. Art. 608526. doi: 10.3389/fbioe.2020.608526.

Kalli M., Stylianopoulos T. Defining the role of solid stress and matrix stiffness in cancer cell proliferation and metastasis // Frontiers in Oncology. 2018. V. 8. Art. 55. doi: 10.3389/ fonc.2018.00055.

Akinpelu A., Akinsipe T., Avila L.A., Arnold R.D., Mistriotis P. The impact of tumor microenvi ronment: unraveling the role of physical cues in breast cancer progression // Cancer Metastasis Review. 2024. V. 43 (2). P. 823-844. doi: 10.1007/s10555-024-10166-x.

Blanco H., Gomez J., Melchor R., Palma J., Soler G. Mechanotransduction in tumor dynamics modeling // Phys. Life Review. 2023. V. 44. P. 279-301. doi: 10.1016/j.plrev.2023.01.017.

Verbruggen S. W. Role of the osteocyte in bone metastasis - The importance of networking // Journal Bone Oncology. 2024. V. 44. Art. 100526. doi: 10.1016/j.jbo.2024.100526.

Mpekris F., Papaphilippou P.C., PanagiM., Voutouri C., Michael C., Charalambous A., Marinov Dinev M., Katsioloudi A., Prokopi-Demetriades M., Anayiotos A., Cabral H., Krasia-Christoforou T., Stylianopoulos T. Pirfenidone-loaded polymeric micelles as an effective mechanotherapeutic to potentiate immunotherapy in mouse tumor models // ACS Nano. 2023. V. 17 (24). P. 24654-24667. doi: 10.1021/acsnano.3c03305.

Faraldi M., Gerosa L., Gomarasca M., Sansoni V., Perego S., Ziemann E., Banfi G., Lombardi G. A physically active status affects the circulating profile of cancer-associated miRNAs // Diagnostics. 2021. V. 11 (5). Art. 820. doi: 10.3390/diagnostics11050820.

Vorobiev A.I., Gorgidze L.A., Zakharov V.N. Influence of the shock-wave pulses of microsecondrange on tumor cells // Russian Journal of Hematology and Transfusiology. 2016. V. 61 (2). P. 81-87. doi: 10.18821/0234-5730-2016-61-2-81-87.

Chang C.L., Chen K.H., Sung P.H., Chiang J.Y., Huang C.R., Chen H.H., Yip H.K. Combined high energy of extracorporeal shock wave and 5-FU effectively suppressed the proliferation and growth of tongue squamous cell carcinoma // Biomedicine & Pharmacotherapy. 2021. V. 142. Art. 112036. doi: 10.1016/j.biopha.2021.112036.

Macnamara C.K., Caiazzo A., Ramis-Conde I., Chaplain M.A.J.Computational modelling and simulation of cancer growth and migration within a 3D heterogeneous tissue: The effects of fibre and vascular structure // Journal of Computational Science. 2020. V. 40. Art. 101067. doi: 10.1016/j.jocs.2019.101067.

Kim B.J., Ahn H.Y., Song C. A novel computer modeling and simulation technique for bronchi motion tracking in human lungs under respiration // Physical and Engineering Sciences in Medicine. 2023. V. 46 (4). P. 1741-1753. doi: 10.1007/s13246-023-01336-2.

Kulkarni A.G., Kumar P., Shetty G.M., Roy S.,Manickam P.S., Dhason R., Chadalavada A.R.S.S., Adbalwad Y.M. Finite element analysis comparing the biomechanical parameters in multilevel posterior cervical instrumentation model involving lateral mass screw versus transpedicular screw fixation at the C7 vertebra // Asian Spine Journal. 2024. V. 18 (2). P. 163-173. doi: 10.31616/asj.2023.0231.

Чайковская Т.В. Эффективные механические параметры костных тканей для подбора индивидуальных остеоимплантатов // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2024. № 89. C. 162-175. doi: 10.17223/19988621/89/12.

Garcke H., Kovacs B., Trautwein D. Viscoelastic Cahn-Hilliard models for tumour growth // Mathematical Models & Methods in Applied Sciences. 2022. V. 32 (13). P. 2673-2758. doi: 10.48550/arXiv.2204.04147.

Reyes-Aldasoro C.C. Modelling the tumour microenvironment, but what exactly do we mean by “Model”? // Cancers. 2023. V. 15 (15). Art. 3796. doi: 10.3390/cancers15153796.

de Melo Quintela B., Hervas-Raluy S., Garcia-Aznar J.M., Walker D., Wertheim K.Y., Viceconti M. A theoretical analysis of the scale separation in a model to predict solid tumour growth // Journal of Theoretical Biology. 2022. V. 547. Art. 111173. doi: 10.1016/j.jtbi.2022.111173.

Borau C., Wertheim K.Y., Hervas-Raluy S., Sainz-De Mena D., Walker D., Chisholm R., Richmond P., Varella V., Viceconti M., Montero A., Gregori-Puigjane E., Mestres J., KasztelnikM., Garca-Aznar J.M. A multiscale orchestrated computational framework to reveal emergent phenomena in neuroblastoma // Computer Methods and Programs in Biomedicine. 2023. V. 241. Art. 107742. doi: 10.1016/j.cmpb.2023.10774.

Katsamba I., Evangelidis P., Voutouri C., Tsamis A., Vavourakis V., Stylianopoulos T. Biomechanical modelling of spinal tumour anisotropic growth // Proceedings of the Royal Society A. 2020. V. 4476 (2238). Art. 20190364. doi: 10.1098/rspa.2019.0364.

In Multiscale Biomechanics and Tribology of Inorganic and Organic Systems / E.V. Shilko, O.S. Vasiljeva (eds.). Cham: Springer, 2021. doi: 10.1007/978-3-030-60124-9_4 (Springer Tracts in Mechanical Engineering).

Augat P., Schorlemmer S. The role of cortical bone and its microstructure in bone strength // Age Ageing. 2006. V. 35, suppl 2. P. ii27-ii31. doi: 10.1093/ageing/afl081.

Hashin Z., Shtrikman S. Note on a variational approach to the theory of composite elastic materials // Journal Franklin Institute. 1961. V. 271. P. 336-341.

Fan R.X., Liu J., Li Y.L., Liu J., Gao J.Z. Finite element investigation of the effects of the low-frequency vibration generated by vehicle driving on the human lumbar mechanical properties // BioMed Research International. 2018. V. 2018. Art. 7962414. doi: 10.1155/2018/ 7962414.

Caddy G., Stebbing J., Wakefield G., Xu X.Y. Modelling of nanoparticle distribution in a spherical tumour during and following local injection // Pharmaceutics. 2022. V. 14 (8). Art. 1615. doi: 10.3390/pharmaceutics14081615.

Cowin S.C., Doty S.B. Tissue Mechanics. New York: Springer, 2007. doi: 10.1007/978-0-387-49985-7.

Claus A., Hides J., Moseley G.L., Hodges P. Sitting versus standing: does the intradiscal pressure cause disc degeneration or low back pain? // Journal of Electromyography & Kinesiology. 2008. V. 18 (4). P. 550-558. doi: 10.1016/j.jelekin.2006.10.011.

Anderson D.E., Mannen E.M., Sis H.L., Wong B.M., Cadel E.S., Friis E.A., Bouxsein M.L. Effects of follower load and rib cage on intervertebral disc pressure and sagittal plane curvature in static tests of cadaveric thoracic spines // Journal Biomechanics. 2016. V. 49 (7). P. 10781084. doi: 10.1016/j.jbiomech.2016.02.038.

Simon U., Augat P., Utz M., Claes L. A numerical model of the fracture healing process that describes tissue development and revascularization // Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 2021. V. 14 (1). P. 79-93. doi: 10.1080/10255842.2010.499865.