Двухосное испытание биоматериалов
Для адекватного моделирования предварительно необходимо точно определить механические характеристики и обуславливающую их структуру ткани. Т.к. биологическая ткань в организме всегда подвергается многоосному нагружению, то для исследования этого нагружения необходима испытательная машина, способная прикладывать многоосные нагрузки к образцу.
В итоге была разработана двухосная испытательная машина, специально предназначенная для определения механических характеристик мягких природных и синтетических материалов. Она включает в себя четыре линейных привода, регулируемых по положению, усилию или деформации независимо друг от друга. Силоизмерение осуществляют два (герметичных) датчика силы (в направлении осей Х и Y). Также в систему входят четыре блока измерительной, управляющей и регулирующей электроники, а также жидкостный резервуар для оптимальной термообработки физиологической среды. Максимальное усилие испытания для каждого датчика составляет ок. 100 Н, разрешение достигает 0,6 мН. Путь перемещения для измерения растяжения составляет 50 мм (разрешение 0,1 μм), максимальная скорость - 2.000 мм/мин.
С помощью крючков со шнурками образец соединяется не только с зажимными приспособлениями, но и с датчиками силы. Благодаря такой конструкции, достигается однородное приложение усилия к образцу и такое же однородное распределение усилия в образце. Другим большим преимуществом двухосной испытательной машины является применение лазерного экстензометра. Он позволяет осуществлять бесконтактное двухкоординатное измерение удлинения и деформации без нанесения меток на образец. Принцип измерения основывается на анализе спекловых шаблонов, возникающих при освещении поверхности образца лазерным светом, отражающихся там и регистрируемых видеокамерой.
Образец природного биоматериала сначала экспериментально испытывается в лаборатории, затем полученные данные воспроизводятся в математической модели и после переносятся в компьютерную модель. На базе характеристик материала, определенных с помощью двухосной испытательной машины, можно, например, отслеживать виртуальную реконструкцию стенки сердца и исследовать прогнозируемость ее (патологического) поведения.
Альтернативное решение
Другая двухосная испытательная машина состоит из 4 электромеханических испытательных цилиндров, каждый из которых обладает допустимой нагрузкой в 1 кН и путем перемещения 200 мм. Продольную деформацию образца регистрирует экстензометр laserXtens/videoXtens. Система нагрева водяной бани интегрирована напрямую.
Трехосное испытание биоматериалов и ткани
Для возможности определения свойств мягких биологических (ортотропных) тканей при срезе была разработана система для трехосных испытаний. Испытательная машина состоит из двух главных компонентов:
верхней платформы, перемещаемой по вертикали (в направлении z), и нижней платформы, перемещаемой в горизонтальной плоскости в перпендикулярных относительно друг друга направлениях (x и y). Для проведения испытания образец ткани с помощью тонкого слоя суперклея соединяется с верхней и нижней платформами и погружается в подходящий нагретый физиологический раствор. Нижняя платформа перемещается относительно горизонтально зафиксированной верхней платформы, вследствие чего образец надрезается. Возникающие в трех ортогональных направлениях (x, y и z) усилия синхронно измеряются установленным на верхней платформе специальным датчиком силы.
Путь перемещения расположенных перпендикулярно относительно друг друга линейных приводов x и y составляет ±14 мм (разрешение перемещения 0,25 μм), максимальная скорость составляет 3000 мм/мин. Максимальное усилие испытания трехосного датчика силы в трех направлениях составляет по 2 Н, точность измерения составляет 0,5 % измеренного значения. Характеристика перекрестных искажений датчика силы между направлениями x и y больше 0,5 % конечного значения, между направлениями x/y и z - больше 1 % конечного значения.
