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Prove biassiali e triassiali su biomateriali

I biomateriali naturali sono sottoposti a carichi multi-assiali, i quali possono essere applicati e misurati dalle giuste macchine di prova.

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Prove biassiali su biomateriali

Per una modellazione adeguata, il comportamento biomeccanico e la microstruttura presente nei tessuti biologici molli devono essere determinati con accuratezza. Poiché i tessuti vengono sottoposti a carichi multi-assiali, allo stesso modo è necessario l'utilizzo di una macchina di prova che applichi carichi multi-assiali ai tessuti da testare. 

Per questo, ZwickRoell ha sviluppato una macchina di prova biassiale progettata nello specifico per la caratterizzazione meccanica dei materiali morbidi biologici e artificiali. Nel sistema sono integrati quattro azionamenti lineari controllati in modo indipendente l'uno dall'altro in termini di posizione, forza o deformazione. La misurazione della forza avviene tramite celle di carico (waterproof) due per ciascuna direzione X e Y. In aggiunta sono presenti quattro elettroniche di misurazione e controllo testControl più un contenitore per liquidi per il relativo controllo della temperatura. Il carico di prova massimo è 100 N per cella di carico, con risoluzione fino a 0,6 mN. Il range della corsa per la misurazione di trazione è 50 mm (risoluzione 0.1 μm) e velocità massima 2,000 mm/min. 

 I provini possono essere collegati alle celle di carico con un dispositivo di serraggio girevole tramite un gancio e un cavo. In questo modo sia l'applicazione della forza sul provino che la relativa distribuzione diventano omogenee. Un altro vantaggio di questa nuova macchina di prova è l'utilizzo dell'estensimetro laser che consente la misurazione dell'allungamento e della deformazione bidimensionale non a contatto senza dover ricorrere alla marcatura dei provini. Il principio della misurazione si basa sulla valutazione dei pattern formati sulla superficie del provino grazie all'illuminazione laser, i pattern si riflettono e vengono registrati con una telecamera. 

 I provini di biomateriale naturale vengono testati in primo luogo in laboratorio. I dati vengono quindi rappresentati in un modello matematico e in seguito trasferiti ad un modello computerizzato. Sulla base delle caratteristiche materiali, determinate con la macchina di prova biassiale, la ricostruzione virtuale della parete cardiaca può essere tracciata e può essere esaminata la prevedibilità del relativo comportamento (patologico).

Soluzioni di prova alternative

Una macchina di prova biassiale aggiuntiva è composta da quattro attuatori elettromeccanici, ciascuno con una capacità di carico di 1 kN e 200 mm di corsa. L'estensione del provino viene misurata con un estensimetro laserXtens/videoXtens. Il bagno di acqua è dotato di un'unità di controllo temperatura. 

Prove triassiali su biomateriali e tessuti

Per determinare le proprietà di taglio dei tessuti biologici molli (ortotropici), è stato sviluppato e progettato un sistema di prova per applicazioni triassiali. La macchina di prova è formata da due componenti principali: 

una piattaforma superiore progettata per essere spostata verticalmente (in direzione Z) e una piattaforma inferiore progettata per essere spostata orizzontalmente in due direzioni perpendicolari tra loro (X e Y). Durante la prova il campione di tessuto viene collegato alla piattaforma superiore e a quella inferiore con un sottile strato di colla ad alta resistenza, e immerso in una soluzione fisiologica adatta e a temperatura controllata. La piattaforma inferiore si sposta rispetto alla piattaforma superiore fissata orizzontalmente, per cui il provino viene tranciato. Le forze risultanti nelle tre direzioni ortogonali (X, Y, e Z) possono essere misurate contemporaneamente con una speciale cella di carico montata sulla piattaforma superiore. 

La distanza da percorrere degli azionamenti lineari X e Y perpendicolari tra loro è ± 14 mm (soluzione di spostamento azionamento 0,25 μm), con una velocità massima 3.000 mm/min. Il carico di prova massimo del sensore di forza a tre assi nelle tre direzioni è 2 N ciascuno e l'accuratezza di misurazione è determinato entro lo 0,5% del valore misurato. Il comportamento di diafonia del sensore di forza tra direzione X e Y è specificato a più dello 0,5% del valore finale e tra X / Y e Z a più dell'1% del valore finale.

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