Modelado constitutivo multiescala de matrices nanofibrosas electrohiladas

Abstract

La ingeniería de tejidos busca proveer a las aplicaciones biomédicas de injertos hechos a medida que logren exhibir propiedades mecánicas biomiméticas. En este contexto, el electrohilado ha surgido como una técnica con características prometedoras para la producción de injertos vasculares nanofibrosos. Sin embargo, para mejorar la biomímesis de los injertos electrohilados, con miras a la producción de reemplazos vasculares paciente específicos, es necesario mejorar la comprensión del comportamiento mecánico de las matrices electrohiladas teniendo en cuenta las características morfológicas microestructurales y las propiedades mecánicas de las nanofibras de acuerdo con el material seleccionado. Para este fin, el modelado constitutivo multiescala aparece como una poderosa herramienta, capaz de vincular los mecanismos microscópicos subyacentes bajo deformación con la respuesta mecánica observada a nivel macroscópico. Además, su empleo en ciclos de optimización puede hacer posible identificar las propiedades constitutivas de las nanofibras así como la microtopología de la matriz capaces de alcanzar un comportamiento macroscópico con aceptable grado de aceptación. En base a estas consideraciones, se presenta en este trabajo de tesis doctoral el desarrollo de modelos constitutivos multiescala para matrices nanofibrosas electrohiladas, teniendo en cuenta las características esenciales de la microestructura de los injertos, las propiedades constitutivas de las nanofibras y la interacción entre las mismas. En primera instancia se presenta el modelo en dos escalas, adoptando una descripción clásica de un sólido continuo para la escala macroscópica, y un Elementos de Volumen Representativos (RVE) discreto conformado por fibras individuales agrupadas en fascículos. El modelo se validó con datos experimentales de ensayos de inflado de tubos electrohilados. Además se estudió el efecto de variar las propiedades microscópicas sobre la respuesta macroscópica y se utilizó esta información para obtener los parámetros necesarios para un injerto capaz de imitar la respuesta en presión-diámetro de una arteria intracranial humana. A continuación se explora la generación de geometrías realistas que reproduzcan los aspectos más importantes de la microestructura electrohilada. Se desarrolló un algoritmo de deposición virtual de fibras, con inspiración en la deposición de nanofibras durante el proceso de electrohilado, capaz de generar mallas de fibras interconectadas. Para evaluar la aptitud de estas geometrías para servir como RVE de los modelos multiescala, se estudió la variabilidad estadística en función del tamaño de las mallas. Además, se muestra la capacidad de diseño del algoritmo para generar geometrías que reproduzcan microestructuras con diferentes grados de alineamiento y con distintos niveles de enrulamiento de las fibras. Por último, se desarrolló un modelo micromecánico para ser aplicado a las mallas generadas anteriormente. Este modelo microscópico lleva en consideración la interacción de las fibras en los puntos de intersección, así como la posibilidad de deformación plástica y rotura de las mismas. Por otra parte, se llevaron a cabo ensayos de tracción uniaxial sobre matrices electrohiladas para obtener las curvas de tensión-deformación experimentales necesarias para su validación. Los resultados obtenidos muestran que el modelo logra reproducir exitosamente la respuesta macroscópica elastoplástica de las matrices a partir de parámetros microscópicos realistas.