Acoplamiento de quimiotaxis y poromecánica de crecimiento para el modelado del patrón de primordios de plumas
Autores: Barnafi, Nicolás A.; De Oliveira Vilaca, Luis Miguel; Milinkovitch, Michel C.; Ruiz-Baier, Ricardo
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2022
Acceso abierto
Artículo científico
2022
Acoplamiento de quimiotaxis y poromecánica de crecimiento para el modelado del patrón de primordios de plumas
Categoría
Matemáticas
Subcategoría
Matemáticas generales
Palabras clave
Modelo matemático
Poblaciones de células de la piel
Factor de crecimiento de fibroblastos
Proteína morfogenética ósea
Crecimiento de tejidos
Morfógenos
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 29
Citaciones: Sin citaciones
En este documento proponemos un nuevo modelo matemático para describir la compleja interacción entre las poblaciones de células de la piel con factor de crecimiento de fibroblastos y proteína morfogenética ósea, que ocurre dentro de medios porosos deformables que describen el patrón de formación de primordios de plumas. El crecimiento del tejido, a su vez, modifica el transporte de morfógenos (descrito por ecuaciones de reacción-difusión) a través de diversos mecanismos como la advección desde la velocidad sólida generada por el estrés mecánico y el suministro de masa. Al realizar un análisis de estabilidad lineal asintótica en el sistema de poromecánica-quimiotaxis acoplado (asumiendo propiedades reológicas de los agregados de células de la piel que residen en el régimen de deformaciones infinitesimales y donde la estructura porosa está completamente saturada con fluido intersticial y codificando los mecanismos de acoplamiento a través de esfuerzos activos), obtenemos las condiciones sobre los parámetros, especialmente aquellos que codifican los mecanismos de acoplamiento, bajo los cuales el sistema dará lugar a soluciones espacialmente heterogéneas. También extendemos el modelo mecánico al caso de poro-hiperelasticidad incompresible e incluimos los mecanismos de crecimiento sólido anisotrópico y retroalimentación mediante descomposiciones estándar de Lee del gradiente tensorial de deformación. Dado que el modelo en cuestión implica el acoplamiento de varias EDP no lineales, no podemos obtener directamente soluciones en forma cerrada. Por lo tanto, diseñamos un método numérico adecuado que emplea una discretización temporal de Euler hacia atrás, linearización del problema semidiscreto a través del método de Newton-Raphson, una formulación de elemento finito de siete campos para la discretización espacial, y también abogamos por la construcción e implementación eficiente de solucionadores robustos adaptados. Presentamos algunos ejemplos computacionales ilustrativos en 2D y 3D, discutiendo brevemente diferentes patrones espacio-temporales de factores de crecimiento, así como el escenario de respuesta sólida asociado dependiendo del régimen poromecánico específico. Nuestros hallazgos confirman el comportamiento teóricamente predicho de los patrones espacio-temporales, y los resultados producidos revelan un acuerdo cualitativo con respecto al comportamiento experimental esperado. Enfatizamos que el presente estudio proporciona información sobre varias propiedades biomecánicas del patrón de primordios.
Descripción
En este documento proponemos un nuevo modelo matemático para describir la compleja interacción entre las poblaciones de células de la piel con factor de crecimiento de fibroblastos y proteína morfogenética ósea, que ocurre dentro de medios porosos deformables que describen el patrón de formación de primordios de plumas. El crecimiento del tejido, a su vez, modifica el transporte de morfógenos (descrito por ecuaciones de reacción-difusión) a través de diversos mecanismos como la advección desde la velocidad sólida generada por el estrés mecánico y el suministro de masa. Al realizar un análisis de estabilidad lineal asintótica en el sistema de poromecánica-quimiotaxis acoplado (asumiendo propiedades reológicas de los agregados de células de la piel que residen en el régimen de deformaciones infinitesimales y donde la estructura porosa está completamente saturada con fluido intersticial y codificando los mecanismos de acoplamiento a través de esfuerzos activos), obtenemos las condiciones sobre los parámetros, especialmente aquellos que codifican los mecanismos de acoplamiento, bajo los cuales el sistema dará lugar a soluciones espacialmente heterogéneas. También extendemos el modelo mecánico al caso de poro-hiperelasticidad incompresible e incluimos los mecanismos de crecimiento sólido anisotrópico y retroalimentación mediante descomposiciones estándar de Lee del gradiente tensorial de deformación. Dado que el modelo en cuestión implica el acoplamiento de varias EDP no lineales, no podemos obtener directamente soluciones en forma cerrada. Por lo tanto, diseñamos un método numérico adecuado que emplea una discretización temporal de Euler hacia atrás, linearización del problema semidiscreto a través del método de Newton-Raphson, una formulación de elemento finito de siete campos para la discretización espacial, y también abogamos por la construcción e implementación eficiente de solucionadores robustos adaptados. Presentamos algunos ejemplos computacionales ilustrativos en 2D y 3D, discutiendo brevemente diferentes patrones espacio-temporales de factores de crecimiento, así como el escenario de respuesta sólida asociado dependiendo del régimen poromecánico específico. Nuestros hallazgos confirman el comportamiento teóricamente predicho de los patrones espacio-temporales, y los resultados producidos revelan un acuerdo cualitativo con respecto al comportamiento experimental esperado. Enfatizamos que el presente estudio proporciona información sobre varias propiedades biomecánicas del patrón de primordios.