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双轴生物力学试验系统的应用

更新时间:2022-10-05      点击次数:609

本构模型对于预测材料的力学行为是必要的。然而由于生物组织的定向纤维结构通常表现出明显的机械各向异性,传统单轴试验产生的应力-应变数据不能直接外推到广义的三维本构方程。而生物组织通常被认为是不可压缩的,对于二维应力状态的平面双轴测试,可用于表征其机械性能并验证本构模型。

关于软材料/生物组织的双轴应力-应变主要挑战包括:较小的样本尺寸,取材位置重复性低,降解引起的时间依赖性变化,变形的不均匀。

BioTester测试系统专为软材料和生物组织而设计。正交的独立作动器可以编程在力或变形控制下协调运动,提供用于精确温度控制的样品浴和温控装置。夹持附件便于安装和拆卸,各种精密的小载荷传感器和光学应变测量提供准确的数据。

自2008年问世以来,BioTester进入世界各地用户的实验室,使其成为生物材料/软材料力学测试的黄金标准。

  1. 角膜和巩膜构成眼球的最外层,形成具有一定眼内压的球体,因此处于动态负荷条件下。几种主要的眼科疾病已被证明与角膜和巩膜生物力学特性有关,例如屈光不正,角膜病变,眼表疾病和青光眼。不同眼部组织的不同生物力学特性包括巩膜、眼眶结缔组织和脂肪、角膜和眼外肌。

    巩膜的力学性能对于开发用于替代眼组织的合成材料至关重要。详细计算模型研究要求对机械性能进行深入研究,包括本构超弹性模型的拟合。


  2. 血管

    主动脉组织的力学性能主要取决于血管中膜中弹性纤维和胶原纤维的含量,且与距离心脏远近位置有关,同时周向力学性能也存在差异。猪降

    主动脉的周向力学性能研究发现,背侧血管壁的弹性模量明显高于腹侧,且背侧血管壁厚度明显低于腹侧。
    夹层是升主动脉瘤最常见的破坏模式。目前通过测量主动脉直径来评估风险,这是不够的。这促使人们寻找一种新的生物指标来捕捉相关的内在组织材料特性。“能量损失"颇具前景,然而必须确定其对体内负荷条件的依赖性,这些条件因患者而异。


  3. 心脏

    在生理情况下,心脏搏动使得瓣膜两侧压力不同,跨瓣压差造成

    瓣膜四周扩张变形。单向拉伸试验只能表征瓣膜在一个轴向的受力与变形关系,与生理活性状态下的情况有很大差别。另外,单轴拉伸也不能反映径向与周向之间的力学耦合关系。为了使试验条件更加接近活体状态下瓣膜的受力情况,进行双轴向拉伸是有必要的。
    心肌对心脏的跳动发挥着关键作用。例如舒张性心力衰竭,研究发现心肌弹性成分的变化是引发该疾病的直接原因,所以认识健康和病态的心室行为是非常紧迫且重要的。当前,心脏领域关注的重点是构建计算模型以及研制仿生材料,以便更清楚地了解并治愈心脏疾病。因此需要对心肌组织的力学性能进行探究,常用的方法是对心肌组织进行双向拉伸来得到组织的力学特性。


  4. 皮肤
    皮肤为我们的身体提供抵御环境损害的物理屏障,它的机械性能对于支持这一功能至关重要。作为胶原软组织,皮肤表现出非线性的应力-应变特性。尽管通常被认为和建模为超弹性材料,但皮肤也表现出粘弹性特性,例如滞后、应力松弛、蠕变和塑性
    变形。这些特性源于其细胞外基质蛋白的固有固相粘弹性及其与散布间质液的相互作用。此外,这些成分的相对分布和密度使皮肤呈现出多层结构,其构成行为取决于方向和区域,并随深度变化,即皮肤行为是各向异性和异质的。

  5. 骨关节

    半月板微观结构的不同层可以通过胶原纤维排列的差异来识别,其在体内经历复杂的负荷,导致多向应力分布。但通常单轴的测试条件并不能复制这种复杂的负荷状态。双轴测试提供同时沿两个不同方向的加载,能更准确地模拟生理条件。

    椎间盘是一种复杂的异质结构,在脊柱中运动并通过压应力在相邻椎骨之间传递负荷。在健康的椎间盘中,产生的内部压力由纤维环的径向同心薄片吸收。尽管它能够在急性(单周期)加载事件中有效地消散机械能并抵抗损伤,但它特别容易受到疲劳损伤(例如疝气)的影响。