Experimental and numerical characterization of the viscoelastic behaviour of cartilages and soft tissues of the human nose

Abstract

The facial plastic surgery, and particularly the area of rhinoplasty, is undoubtedly a growing up market. Surgical techniques have been evolving to respond to very specific patient desires not only for functional reasons, but also to resolve aesthetic issues. Actually, it is moving plenty of money around the world, being a great scientific and commercial opportunity among researchers. The human nose is composed of three major portions separated by two well-defined regions of transition (K-area and S-area) that are very complicated to deal with in postoperative periods. The viscoelastic behaviour of soft biological tissues, especially that of nasal cartilages and adjacent subcutaneous/fatty tissues, is barely known. There are no studies on the viscoelastic characterization of the mechanical properties of nasal septum (NS), upper lateral cartilages (ULC), and lower lateral cartilages (LLC) in creep and relaxation (basic viscoelasticity features) neither on the determination of frequency- and temperature-dependent properties of these tissues through dynamic mechanical analysis (DMA) in tension and compression. General information on thermal degradations through differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA) is also missing. Therefore, part of this work intends to fill this lack of the literature giving some insights into the cartilage internal composition and architecture, as well as the specificity of the activated mechanisms under constant stress or strain. Furthermore, numerical simulations were performed based on a hyper-viscoelastic mathematical formulation using a home-made open-source finite element (FE) solver (V-Biomech) in order to find a set of basic constitutive parameters that allow to replicate the experimental creep and relaxation behaviours of nasoseptal cartilage specimens from distinct regions of the quadrilateral cartilage (QLC). Thus, a complete standard biphasic poro-hyper-viscoelastic constitutive law was developed and validated. Finite Element Models (FEM) are gaining relevance to analyse soft biological components. As example, numerical simulations of the viscoelastic behaviours of the specimens harvested from anterior part of the QLC were performed to understand which of the constitutive parameters were more sensitive to achieve the best numerical-experimental agreement. The tools to reproduce these simulations in a more complex geometry (the whole nasal structure, with bony and cartilaginous components) were also developed and presented. The work still goes on it.

A cirurgia plástica facial, e em particular a área da rinoplastia, é indubitavelmente um mercado em crescimento. As técnicas cirúrgicas têm evoluído no sentido de dar resposta aos desejos mais específicos de cada paciente não só por razões funcionais, mas também para resolução de problemas estéticos. Atualmente, é uma área que movimenta muito dinheiro em todo o mundo, tornando-se numa evidente oportunidade científica e comercial. O nariz humano está dividido em três regiões principais separadas por duas zonas de transição (áreas K e S) que são muito difíceis de manipular em períodos de recuperação pós-cirurgia. O comportamento viscoelástico de tecidos moles, especialmente o das cartilagens nasais e dos tecidos subcutâneo/adiposo adjacentes, é pouco conhecido. Atualmente, não existem estudos sobre a caracterização de propriedades mecânicas da cartilagem septal nem das cartilagens laterais superiores ou inferiores em fluência e relaxação (características de comportamentos viscoelásticos). A determinação de propriedades mecânicas em função da frequência de oscilação e da temperatura para estes mesmos materiais através de uma análise de DMA em tensão e compressão, assim como informações gerais sobre fenómenos de degradação térmica por DSC e TGA, também não são reportados. Assim sendo, parte desta dissertação pretende preencher esta lacuna da literatura, contribuindo para a compreensão da composição e arquitetura internas da cartilagem e da especificidade dos mecanismos ativados sob influência de uma tensão ou deformação constantes. Além disso, foram levadas a cabo simulações numéricas baseadas numa formulação matemática de híper-viscoelasticidade num software de elementos finitos desenvolvido na Instituição (V-Biomech) e foram encontrados os valores dos parâmetros que permitem replicar o comportamento experimental de fluência e relaxação de cartilagens de diferentes regiões do septo nasal. Assim, uma lei constitutiva que agrega conceitos de híper-elasticidade, viscoelasticidade e permeabilidade, acoplando o distinto comportamento de materiais sólidos e fluidos, foi desenvolvida e validada. Além das simulações do comportamento viscoelástico das amostras colhidas a partir da região anterior do septo, um conjunto de outras ferramentas para aplicação dos mesmos conceitos numa geometria mais complexa foi também desenvolvido e apresentado. Um trabalho que ainda continua.