Biomateriaalien kaksi- ja kolmiaksiaaliset kokeet

Luonnon biomateriaaleihin kohdistuu moniaksiaalista kuormitusta, jota voidaan mallintaa ja mitata sopivilla koestuskoneilla.

Biomateriaalien kaksiaksiaalinen testaaminen

Biomekaanisen käyttäytymisen riittävän tarkka mallintaminen edellyttää ensin pehmeiden kudosten mikrorakenteen määrittämistä. Useimpiin ruumiin kudoksiin kohdistuu moniaksiaalista kuormitusta. Tämän vuoksi myös testaukseen tarvitaan moniaksiaaliseen koestuskone.
Vastauksena tähän tarpeeseen ZwickRoell on kehittänyt kaksiaksiaalisen koestuskoneen, joka on suunniteltu erityisesti pehmeiden biologisten ja keinotekoisten kudosten mekaaniseen luonnehdintaan. Järjestelmässä on sisäänrakennettuna neljä lineaarista käyttöä, joita voidaan ohjata kutakin itsenäisesti sijainnin, voiman tai venymän perusteella. Voiman mittaus tapahtuu vesitiiviiden voima-anturien avulla, joita on kaksi sekä X- että Y-suunnassa. Koneessa on myös neljä testControl -mittaus- ja ohjauselektroniikkayksikköä, sekä lämpöhaude lämpötilan optimaalista hallintaa varten. Maksimikuormitus on 100 N voima-anturia kohti, ja mittaustarkkuus 0,6 mN. Vetomittauksen liikematka on 50 mm (mittaustarkkuus 0,1 μm) ja maksiminopeus on 2 000 mm/min. Perinteisten kiinnittimien lisäksi näyte voidaan kiinnittää voima-antureihin myös käännettävillä kiinnitystyökaluilla koukkujen ja naurujen avulla. Tämä työkalu varmistaa voiman tasaisen kohdistamisen ja jakautumisen näytteeseen. Toinen tämän uuden koestuskoneen tarjoama etu on laser speckle -ekstensometri, joka mahdollistaa kaksiulotteisen venymän ja muodonmuutoksen mittaamisen ilman kosketusta tai näytteen merkitsemistä. Mittaus perustuu näytteen pinnalle laservalon avulla muodostettujen speckle-kuvioiden arviointiin. Näiden heijastukset tallennetaan kameralla. Ensin luonnollista biomateriaalia testataan laboratoriossa. Kerätty data siirretään sitten matemaattiseen malliin, ja lopulta tietokonemalliin. Kaksiaksiaalisella koestuskoneella määritettävien materiaaliominaisuuksien perusteella voidaan virtuaalisesti mallintaa sydämen seinä, ja ennustaa sydämen patologista käyttäytymistä.

Vaihtoehtoinen testausratkaisu

Toinen kaksiaksiaalinen koestuskone koostuu neljästä sähkömekaanisesta testaussylinteristä, jotka kukin kykenevät 1 kN kuormitukseen ja 200 mm liikematkaan. Näytteen venymä tallennetaan laserXtens-/videoXtens-ekstensometrillä. Vesihaude on varustettu lämmönhallintayksiköllä.

Biomateriaalien ja kudosten kolmiaksiaalinen testaaminen

Pehmeiden biologisten (ortotrooppisten) kudosten leikkausominaisuuksien määrittämiseksi on kehitetty kolmiaksiaalinen testausjärjestelmä. Koestuskone koostuu kahdesta pääasiallisesta osasta:
Ylemmästä tasosta, joka on suunniteltu pystysuunnassa (Z-akselin suunnassa) säädettäväksi, sekä alemmasta tasosta, joka on suunniteltu vaakatasossa kahdessa suunnassa säädettäväksi (X- ja Y-akselit). Kudosnäyte kiinnitetään testausta varten ylempään ja alempaan tasoon käyttämällä ohutta kerrosta pikaliimaa, jonka jälkeen se upotetaan fysiologisia olosuhteita jäljittelevään hauteeseen. Alempi taso liikkuu pystysuunnassa kiinteään ylempään tasoon nähden, jolloin näyte leikkautuu. Tästä aiheutuvat voimat voidaan mitata samaan aikaan kolmessa ortogonaalisessa suunnassa (X, Y ja Z) erityisellä ylempään tasoon kiinnitetyllä voima-anturilla. Toisiinsa nähden kohtisuorassa olevien X- ja Y-lineaarikäyttöjen liikematka on ± 14 mm (käytön liiketarkkuus 0,25 μm) ja maksiminopeus 3 000 mm/min. Kolmen akselin voima-anturin suurin sallittu voima on 2 N kussakin suunnassa, ja mittaustarkkuudeksi on määritetty 0,5 % mitatusta arvosta. X- ja Y-suuntien voima-anturien välinen ylikuuluminen on yli 0,5 % loppuarvosta, ja yli 1 % loppuarvosta X-/Y- ja Z-suunnan välillä.

Technical University of Munich: biaxial strain measurement of the aortal wall

As part of its research activities the Department of Computational Mechanics at the Technical University of Munich (TUM) is carrying out material modelling of biological tissues under high strain.
Ylös