From muscle fibre to tissue - experiment, modelling and simulation at micro, meso and makro scale

从肌肉纤维到组织 - 微观、中观和宏观尺度的实验、建模和模拟

基本信息

项目摘要

The present project deals with the analysis of complex deformation states of skeletal muscle tissue whose results will be integrated in a numerical multi-scale modelling approach. The essential aim within the project is the determination of the mechanical behaviour of the extracellular matrix (ECM) and consequently the prediction of changes based on quantitative and/or structural changes of the ECM. This knowledge, however, is of high medical as well as socioeconomical importance but rooted on previous analytical methods it could not be obtained. In order to advance research on this field, the present project combines two areas of expertise: microsystems technology and solid mechanics. This unique combination presents a completely new and innovative approach and enables the development of new methods in order to analyse skeletal muscle tissue from the experimental as well as numerical point of view.Therefore, this project provides extensive experimental analyses on different size scales. In a first step we apply at micro scale (10-90 µm) axial tension as well as axial/transversal compression experiments on single muscle fibres and muscle fibres segments, respectively. Further, at meso scale (0,1-1 mm), we focus on compression and shear-compression tests applied on cubes excised from muscle fascicles. Finally, cubes resected from muscle tissue will be tested at macro scale (1-24 mm).In order to perform such experiments special setups at micro and meso scale need to be developed. Their main components will be micro technological parallel grippers. In doing so, single muscle fibres or cubes resected from fascicles by means of ultra-short-pulse laser can be loaded and forces, displacements and deformations can be measured. Experiments at macro scale will be accomplished using well-known experimental methods.Based on these multi-scale experiments and by means of the inverse finite element method we establish a three-step identification process that allows to determinate the mechanical behaviour of ECM. Finally, rooted on these findings a multi-scale modelling approach and its validation is scheduled.
本项目涉及骨骼肌组织的复杂变形状态的分析,其数值结果将整合到多尺度建模方法中,该项目的基本目标是确定细胞外基质(ECM)和的机械行为。因此,基于 ECM 和/或结构变化的预测具有很高的医学和定量重要性,但无法获得基于以前的分析方法来推进该领域的研究。 ,本项目结合了两个专业领域:微系统技术和固体力学。这种独特的组合提出了一种全新的创新方法,并能够开发新方法,以便从实验和数值的角度分析骨骼肌组织。因此,该项目提供了第一步,我们分别对单肌纤维和肌纤维片段进行微观尺度(10-90 µm)轴向拉伸和轴向/横向压缩实验。在细观尺度(0.1-1毫米),我们专注于对从肌肉束切除的立方体进行压缩和剪切压缩测试,最后,将从肌肉组织切除的立方体进行宏观尺度(1-24毫米)测试。为了进行此类实验,需要开发微观和中观尺度的特殊装置,其主要部件将是微型技术平行夹具,通过这种方式从肌束上切除单个肌肉纤维或立方体。超短脉冲激光可以加载,并且可以使用众所周知的实验方法来完成宏观尺度的实验。基于这些多尺度实验并通过逆有限元方法,我们建立一个三步识别过程,可以确定 ECM 的机械行为。最后,根据这些发现,安排了多尺度建模方法及其验证。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Investigating the passive mechanical behaviour of skeletal muscle fibres: Micromechanical experiments and Bayesian hierarchical modelling.
研究骨骼肌纤维的被动机械行为:微机械实验和贝叶斯分层建模
  • DOI:
    10.1016/j.actbio.2019.05.015
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9.7
  • 作者:
    M. Böl; R. Iyer; J. Dittmann; M. Garcés
  • 通讯作者:
    M. Garcés
Micro-Gripper: A new concept for a monolithic single-cell manipulation device
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  • DOI:
    10.1016/j.sna.2015.10.024
  • 发表时间:
    2015-12-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 作者:
    Mayra Garcés;M. Leester;M. Schulz;M. Böl;A. Dietzel
  • 通讯作者:
    A. Dietzel
Direct measurement of the direction-dependent mechanical behaviour of skeletal muscle extracellular matrix.
直接测量骨骼肌细胞外基质的方向依赖性机械行为
  • DOI:
    10.1016/j.actbio.2020.12.050
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9.7
  • 作者:
    S. Kohn; K. Leichsenring; R. Kuravi. A E. Ehret; M. Böl
  • 通讯作者:
    M. Böl
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通过新型微力传感器和飞秒激光烧蚀组织微解剖表征骨骼肌被动机械特性
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2018-05-15
  • 期刊:
  • 影响因子:
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  • 作者:
    Mayra Garcés;D. Metz;Lars Hecht;Rahul Iyer;M. Leester;M. Böl;A. Dietzel
  • 通讯作者:
    A. Dietzel
Mechano-geometrical skeletal muscle fibre characterisation under cyclic and relaxation loading.
循环和松弛载荷下的机械几何骨骼肌纤维表征
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知道了