A High-performance computational framework for multiscale and multiphysics modelling of the intervertebral disc

Abstract

This thesis develops a multiscale and multiphysics model of the intervertebral disc (IVD); it focuses on three main axes regarding: Mechanical response: It introduces a compatible porohyperelastic framework capable of capturing the mechanics underlying the physiological functioning of the IVD. Validation confirms the framework's accuracy in simulating the IVD's poromechanical response. Nutrient environment: It simulates cellular metabolic activity, integrating the effects of the deformable domain by including diffusive and advective terms. Cellular response: It models indirect mechanotransduction response using parallel networks, predicting the mRNA expression of different structural proteins and proteases depending on the level of inflammation of the IVD cells. This results in 3D maps of cellular activity throughout the Nucleus Pulposus (NP). The coupled models are integrated into the multiphysics Finite element-based code Alya, adapting and optimising the simulation for High-Performance Computing frameworks, reducing computational times, and allowing future studies of virtual populations.

Esta tesis desarrolla un modelo multiescala y multifísica del disco intervertebral (IVD) centrada en tres ejes principales: Respuesta mecánica: Desarrolla un marco porohiperelástico compatible, capaz de capturar la mecánica subyacente al funcionamiento fisiológico del IVD. La validación confirma la precisión del marco al simular la respuesta del IVD. Entorno nutritivo: Se simula la actividad metabólica celular, integrando de manera innovadora los efectos de un dominio deformable con términos difusivos y advectivos. Respuesta celular. Se modela respuesta la mecanotransducción indirecta mediante redes paralelas. prediendo la expresión de mRNA de diferentes proteínas estructurales y proteasas, en función del nivel de inflamación de las células del IVD dando lugar a la obtención de un mapa espacio-temporal de la actividad celular en todo el NP. Todo ello se integra en el código multifísico Alya, adaptando y optimizando la simulación para HPC reduciendo los tiempos de computación y permitiendo futuros estudios de poblaciones virtuales.