Introduction. As is known, changes in the nail, as an appendage of the skin, can be genetically determined, caused by injuries, diseases, medications or exposure to harmful substances. Installation of partial or complete dentures may be required for any form of growth disorder of the nail plate (onychodystrophy). Prosthetics can act as a means of masking nail abnormalities. In all these cases, knowledge of the mechanical properties of both the replacement materials and the nail plate itself is necessary. However, the latter have not been fully studied; there is no detailed knowledge about the elastic and hyperelastic characteristics of the biomaterial.
The aim of the study. The mechanical properties of the human nail plate are compared with elastic and hyperelastic models of continuum mechanics (large deformations).
Methods. Experimental σ-ε curves obtained from literature data were used. The computer algebra system Mathcad 15.0 and the multifunctional finite element analysis package ANSYS 2022 R2 were used.
Results. The parameters of the linear and 6-hyperelastic models were calculated and their correspondence to the initial data was determined. Among hyperelastic models, the 5-parameter Mooney–Rivlin model and the 2nd order polynomial model are best suited to describe the mechanical properties of the nail plate. These models have the highest correlation coefficient R=0.98 and the following statistical indicators SD=0.005 GPa, δmax=0.011 GPa, δ=12.93%. The greatest discrepancies between the experimental and model data were demonstrated by the Ogden model of the 1st order nail plate (R=0.84) and the simplest hyperelastic neohookean model (R=0.86). The stability of the models (dσ/dε sign) at small deformations was studied.
Conclusion. The results obtained can be useful for podiatrists involved in the development of methods for restoring nail plates using artificial replacement materials and are recommended for use in nail tissue engineering.
Введение. Как известно, изменения ногтя как придатка кожи могут быть обусловлены генетически, вызваны травмами, заболеваниями, приемом лекарств или воздействием вредных веществ. Установка частичных или полных протезов может потребоваться при любых формах нарушения роста ногтевой платины (ониходистрофии). Протезирование может выступать как средство маскировки ногтевых аномалий. Во всех этих случаях необходимы знания механических свойств как замещающих материалов, так и самой ногтевой платины. Однако последние изучены неполно, отсутствуют детальные знания об упругих и гиперупругих характеристиках биоматериала.
Цель исследования. Механические свойства ногтевой пластины (НП) человека сопоставлены с упругими и гиперупругими моделями (ГУМ) механики сплошных сред (больших деформаций).
Методы. Использовали опытные σ-ε кривые, полученные из данных литературы. Применяли систему компьютерной алгебры Mathcad 15.0 и многофункциональный пакет конечно-элементного анализа ANSYS 2022 R2.
Результаты. Рассчитаны параметры линейной и 6 ГУМ и определены их соответствие исходным данным. Среди ГУМ для описания механических свойств НП лучше всего подходят 5-параметрическая модель Муни–Ривлина и полиномиальная модель 2-го порядка. Эти модели имеют наибольший коэффициент корреляции R=0,98 и следующие статистические показатели SD=0,005 ГПа, δmax=0,011 ГПа, δ=12,93%. Наибольшие расхождения опытных и модельных данных продемонстрировали модель Огдена НП 1-го порядка (R=0,84) и самая простая из гиперупругих неогуковская модель (R=0,86). Исследована устойчивость гиперупругих моделей (знак dσ/dε) при малых деформациях.
Заключение. Полученные результаты могут быть полезны для специалистов-подологов, занимающихся разработкой методов восстановления НП с помощью искусственных замещающих материалов и рекомендуются для применения в тканевой инженерии ногтя.