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生物材料的双轴和三轴测试

天然生物材料会受到多轴应力,可用合适的试验机加载应力和测试。

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生物材料的双轴测试

为了建立适合的模型,必须首先对生物力学性能和软质生物组织下的微观结构进行精确测定。由于大多数身体组织会受到多轴应力,因此有必要使用一台可向组织加载多轴应力的试验机。 

ZwickRoell研发了一台专为测定软质生物和人造材料的力学性能的双轴试验机。配备四个线性驱动,每个可单独控制位置、试验力或应变,并集成到系统中。试验力通过(防水)力传感器测量,X轴和Y轴各有两个。此外有四个testControl电子测量和控制单元,加上一个浴槽,可实现绝佳的介质温度控制。每个力传感器最大试验力为100 N,分辨率高达0.6 mN。拉伸测量的行程范围是50 mm(分辨率0.1 μm),最大测试速度2,000 mm/min。 

 除了夹持式工装,试样也可通过钩子和线及可旋转夹持式工装与力传感器连接。工装对试样可均匀施加试验力,从而使试样中的试验力均匀分布。新试验机还有一个优势是激光光斑引伸计,无需对试样标记即可进行非接触的平面应变和变形测量。测量原理是评估激光照射到试样表面产生的光斑;反射并记录到一台照相机中。 

 天然生物材料试样首先在实验室中测试。然后用数学模型算出数据,最后传输至计算机模型中。基于双轴试验机测定的材料性能,可跟踪心脏壁的虚拟重建,也能测定心脏壁可预测的病理性能。

可选的测试解决方案

一台可选的双轴试验机包含四个电动测试作动缸,每个有1 kN的最大载荷和200 mm行程。试样的伸长量由laserXtens/videoXtens引伸计记录。浴槽配备一个温控单元。 

生物材料和组织的三轴测试

为了测定软质生物(正交各向异性)组织的剪切性能,ZwickRoell研发和设计了一个用于三轴应用的测试系统。试验机包含两个主要部件: 

一个上平台,竖直放置可替换(在Z轴方向上),一个下平台,水平放置可替换(在互相垂直的X轴和Y轴两个方向上)。测试过程中组织试样用一个强力胶薄层连接到上平台和下平台,并浸入合适的生理和温度的溶液中。下平台随着水平固定上平台运动,由此试样发生剪切。在三个正交方向(X、Y和Z轴方向)上的试验力可用一个安装在上平台的特殊的力传感器同步测量。 

X轴和Y轴线性驱动的行程距离为±14 mm且相互垂直(驱动行程分辨率0.25 μm),最大测试速度3,000 mm/min。三轴力传感器在三个方向上的最大试验力为2 N,测量精度低于测量值的0.5%。力传感器在X轴和Y轴方向的串扰高于最终数值的0.5%,X/Y轴和Z轴间的串扰高于最终数值的1%。

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