عنصر النمذجة منهجية الديناميكي تجربة محدودة لتقييم عالية معدل الانفعال الاستجابة الميكانيكية للالحيوية لينة
مايو 18, 2015
الدراسة الحالية تنص منهجية محاكاة عنصر التجربة محدودة بالإضافة إلى الحصول على استجابة الميكانيكية الحيوية ذو محورين من المواد الحيوية لينة (الدماغ والكبد ووتر، والدهون، وما إلى ذلك). النتائج التجريبية عديد المحاور التي نشأت بسبب العينة انتفاخ الحصول عليها من انقسام هوبكنسون اختبار الضغط بار تحولوا إلى صحيح سلوك الإجهاد والانفعال ذو محورين عندما محاكاة من خلال التحسين تكرارية من تحليل عنصر محدود من مادة بيولوجية.
الهدف العام من هذا الإجراء هو الحصول على معدل إجهاد عالي أحادي المحوري ، واستجابة إجهاد الإجهاد الحقيقية للمواد الحيوية اللينة التي يتم اختبارها. يتم تحقيق ذلك عن طريق اختبار عينة دماغية أولا في شريط ضغط هوبكنسون مقسم أو جهاز SHPB ، ثم معايرة النسخة أحادية البعد من نموذج المادة مع استجابة إجهاد الإجهاد الحقيقية التجريبية. ثم يتم إجراء محاكاة العنصر المحدود أو FE لإعداد SHPB لتقييم متوسط اتجاه التحميل والضغط وإجهاد الخط المركزي للعينة.
تتمثل الخطوة الأخيرة في المقارنة المتكررة بين ملاءمة نموذج المواد أحادية البعد وإجهاد خط الوسط لمحاكاة FE ، واتجاه تحميل FE ثلاثي الأبعاد ، والإجهاد واستجابة إجهاد الإجهاد الحقيقي التجريبي حتى يتم الحصول على اتفاق جيد بين النتائج المذكورة أعلاه. في النهاية ، يتم استخدام منهجية العناصر المحدودة التجريبية المقترنة لإظهار أنه يمكن الحصول على استجابة إجهاد الإجهاد الحقيقي أحادي المحور للمواد الحيوية اللينة باستخدام SHPB. الميزة الرئيسية لهذه التقنية على الطرق الحالية مثل اختبارات أنبوب الصدمة هي أن هذه التقنية تجعل معدل الإجهاد العالي استجابة ميكانيكية محورية أحادية للمادة الحيوية الناعمة.
تمتد الآثار المترتبة على هذه التقنية نحو تشخيص إصابات الدماغ الرضحية من خلال نمذجة جسم الإنسان الافتراضية. لأن البيانات التي تم الحصول عليها من الطريقة الحالية يمكن أن تلتقط بدقة الإصابات المحلية والأضرار الناشئة عن الصدمة التي لحقت برأس الإنسان. خطرت لنا فكرة هذه الطريقة لأول مرة عند العمل على ربط بيانات تجربة معدل الإجهاد العالي للدماغ بنتائج الغدة الدرقية والنمذجة ، ويوضح هذا الإجراء الطبيب البيطري الدكتور جيم كولي ، طالب الدراسات العليا ، السيد سورو باتنايك ومساعد الباحث السيد ويلبورن ويتنغتون تحت إشراف طبيب بيطري ، يستخرج جراحيا أعضاء الخنازير مثل الدماغ ، الكبد أو العضلات أو الدهون أو الأوتار.
ثم ضعها في حاويات مملوءة بالفوسفات أو المحلول الملحي أو PBS للتخزين المؤقت. قم بتخزين حاويات PBS في مبرد مثلج وانقلها على الفور إلى منشأة الاختبار لإعداد العينات وتقسيم هوبكنز في شريط الضغط أو اختبار SHPB. بمجرد دخولك إلى منشأة الاختبار ، قم بإزالة عضو الخنزير من حاوية PBS وضعها على سطح معقم.
تحديد اتجاه الألياف الأساسية والمواقع لكل عينة اختبار. ثم استخدم صبغة أسطوانية بقطر داخلي 30 ملم لتشريح عينة الاختبار من عضو الخنازير. بعد ذلك ، استخدم سقالة لقص العينة إلى السماكة المحددة ونسبة العرض إلى الارتفاع لاختبار SHPB لعينات الخنازير.
السماكة من 10 إلى 15 ملم بينما نسبة العرض إلى الارتفاع هي النقطة 33 إلى 0.5. استخدم الفرجار لقياس السماكة والقطر في ثلاثة مواقع مختلفة. ضع قضيب المهاجم وشريط الحادث والشريط المرسل في الامتدادات المعدنية لاختبار SHPV.
تأكد من أن الأشرطة تتحرك بحرية عند اللمس وأن واجهاتها تتماشى مع بعضها البعض. توفير سدادة للشريط المرسل من أجل السلامة. قم بتوصيل المقاييس المتوترة ، والتمسك بالحادث والقضبان المرسلة بمكبر للإشارة.
قم بتشغيل مكبرات الصوت لتكييف الإشارة وكمبيوتر وحدة الحصول على البيانات. ثم قم بتهيئة برنامج التقاط البيانات عالي السرعة. تحقق من الالتقاط المباشر للإشارات لمعرفة ما إذا كانت تقع ضمن النطاق الطبيعي وإبطال إشارات الضوضاء بالنقر فوق أيقونة الصفر.
قم بتحميل قضيب المهاجم المجاور لغرفة الضغط. قم ببناء غرفة الضغط إلى الضغط المطلوب عن طريق فتح فوهة خزان النيتروجين ثم صمام مدخل غرف الضغط إلى صفر مقياس سرعة الليزر بالضغط على زر الصفر وضبطه لقراءة سرعة شريط المهاجم عن طريق ضبط شريط العاكس على شريط المهاجم. خلف مستشعرات الليزر.
ضع غرف حبس العينة بحيث لا تعيق حركة حركة الحادث وشريط الشريط المنعكس. ثم ضع شريط الحادث على اتصال بالشريط المرسل لأغراض المعايرة. قم بإجراء اختبار بدون عينة عن طريق تشغيل مفتاح الزناد لغرفة الضغط على شريط Stryker.
بعد المعايرة ، ضع عينة أسطوانية بين الحادث والشريط المرسل ثم أغلق غرفة حبس العينة. تأكد من عدم إجراء أي تكييف مسبق على العينة عن طريق تجنب تحميل وتفريغ العينة عدة مرات وإجراء الاختبار بعد اكتمال الاختبار. استخدم مناديل صحية يمكن التخلص منها لإزالة حطام العينة من شريط الحادث والقضيب المرسل وغرفة حبس العينات.
تخلص من جميع الحطام والمناديل المبللة في أكياس السلامة البيولوجية. تعقيم القضبان وغرفة الحبس. باستخدام محلول تنظيف الإيثانول بنسبة 70٪ ومناديل صحية.
افتح برنامج MSU عالي المعدل لتحليل هوبكنز في موجات الشريط. ابدأ البرنامج بفحص نافذة الإعدادات واختيار خيار ضغط التوتر في علامة تبويب الوضع للاختبار المحوري الأحادي. أيضا ، حدد مقياسين في علامة تبويب المقاييس وانقر فوق متابعة في النافذة الرئيسية ، حدد علامة التبويب المفتوحة للملف وانتقل إلى بيانات موجة الحادث من سجل مقياس الإجهاد على شريط الحادث ، وحدد علامة التبويب الملف المفتوح الثاني لاستيراد سجل مقياس إجهاد الشريط المرسل.
بعد ذلك ، حدد علامة تبويب المعلمات في النافذة الرئيسية وأدخل المعلمات الفيزيائية لإعداد الاختبار ، بما في ذلك أبعاد الشريط ، والجهد لعوامل الإجهاد ، ومواضع مقياس الإجهاد ، وثوابت التشتت اللزجة. انقر فوق متابعة. ثم حدد علامة التبويب تحديد البيانات في النافذة الرئيسية واستخدم أشرطة المؤشر لتقليل مجموعة البيانات إلى كمية البيانات التي تحتوي على الموجات المنعكسة والمرسلة للحادث فقط.
انقر فوق متابعة. في هذه المرحلة ، انتقل إلى علامة التبويب تحديد الموجات في النافذة الرئيسية واستخدم أشرطة المؤشر لحصر الموجة الساقطة في الرسم البياني للموجة الساقطة والموجة المنعكسة والرسم البياني للموجة المنعكسة والموجة المرسلة والرسم البياني للموجة المرسلة. ثم انقر فوق متابعة.
بعد ذلك ، حدد علامة التبويب الصحيحة في النافذة الرئيسية للسماح للبرنامج بتصحيح التشتت اللزج المرن. الآن حدد علامة التبويب shift في النافذة الرئيسية في الرسم البياني الموجي. استخدم المؤشر لسحب الموجات المنعكسة والمرسلة إلى نفس الموضع الأولي في الوقت المناسب.
عن طريق اختيار كل واحد على حدة. في علامة التبويب تحديد الموجة، اعرض جميع الموجات في الرسم البياني للبيان. بمجرد الانتهاء ، انقر فوق متابعة في ملف النتائج.
احفظ موضع موضع الحمل وملفات تعريف السرعة بالنقر فوق حفظ باستخدام عنصر محدود تجاري أو برنامج FE. قم بإنشاء نموذج FE لإعداد SHPB. ثم قم بتشغيل محاكاة FE.
تحقق من أن قياسات مقياس الإجهاد في التجربة ومحاكاة FE متفقة بشكل جيد. قم بدمج عينة المواد الحيوية في نموذج FE لإعداد SHPB. قم بتعيين تنفيذ ثلاثي الأبعاد لنموذج المواد المتغيرة للحالة الداخلية لعينة المواد الحيوية.
قم بمعايرة منحنى إجهاد الإجهاد الحقيقي للتجربة باستخدام منحنى إجهاد الإجهاد الحقيقي للنموذج عن طريق ضبط معلمات نماذج المواد المتغيرة للحالة الداخلية. ثم قم بتعيين ثوابت المواد المتغيرة للحالة الداخلية لعينة المادة الحيوية في نموذج FE لإعداد SHPB. بعد ذلك ، قم بتشغيل محاكاة FE باستخدام سرعة شريط Stryker ومعدل إجهاد تشوه العينة المقابل لاختبارات SHPB بنفس معدل الإجهاد.
في الخطوة الثانية من معايرة نموذج FE ، قم بتشغيل بيانات مقياس إجهاد محاكاة FE. SHPB تجربة برنامج ما بعد المعالجة MSU برنامج عالي المعدل. أخيرا ، قم بإجراء متوسط حجم لضغط اتجاه التحميل على طول عناصر الخط المركزي لعينة نموذج FE.
يتم توضيح فعالية المنهجية المقترنة هنا. تكون استجابة إجهاد الإجهاد التجريبي SHPV للدماغ في حالة إجهاد أقل مقارنة بحالة الإجهاد لمحاكي نقطة المادة أحادية البعد ، والتي تشبه متوسط حالة إجهاد خط الوسط لعينة FE. هذا يرجع إلى الطبيعة متعددة المحاور للتشوه.
هذا العرض الناعم BioMAT الموضح هنا عبارة عن ثوابت مادية تمثيلية للدماغ تم الحصول عليها من خلال منهجية محاكاة تجربة SHPB المقترنة F FE. تتم مقارنة مقاييس إجهاد تحليل العناصر المحدودة الافتراضية بمقاييس الإجهاد التجريبية ثم تتم مقارنة محاكي نقطة المواد ومتوسط خط الوسط FE في نفس الوقت لتحقيق اتفاق جيد. هنا تتنوع الثوابت المادية حتى يتفق أكثر من اثنين بشكل جيد.
يوضح هذا الشكل أن منحنى إجهاد الإجهاد الحقيقي التجريبي SHPB يقيس في الواقع الثري الأول للإجهاد بدلا من سلوك إجهاد الإجهاد أحادي المحور. ومن ثم فإن استخدام النتائج التجريبية ل SHPB وحدها سيكون خاطئا إذا لم يقترن بنمذجة نوع FE لتقييم السلوك المحوري الأحادي. بمجرد إتقانها ، يمكن إجراء هذه التقنية في غضون 12 ساعة إذا تم إجراؤها بشكل صحيح.
أثناء محاولة هذا الإجراء ، من المهم أن تتذكر أن التجارب e متعددة المحاور عند اختبار مواد الأسلاك المخففة.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة منهجية تجريبية-محاكاة العناصر المحدودة المزدوجة لتحديد الاستجابة الميكانيكية الديناميكية أحادية المحور للمواد الحيوية الناعمة مثل الدماغ والكبد. تتضمن النهج استخدام اختبار Split-Hopkinson Pressure Bar للحصول على نتائج تجريبية متعددة المحاور، والتي يتم بعد ذلك تحسينها من خلال تحليل العناصر المحدودة.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- الميكانيكا الحيوية
- علم المواد
- تحليل العناصر المحدودة
الخلفية
- تظهر المواد الحيوية الناعمة سلوكيات ميكانيكية معقدة تحت التحميل الديناميكي.
- قد لا تلتقط طرق الاختبار التقليدية بشكل دقيق استجابات معدلات الضغط العالي.
- يمكن لمحاكاة العناصر المحدودة تعزيز فهم سلوك المواد.
- Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) هو أداة شائعة للاختبار الديناميكي.
هدف الدراسة
- للحصول على استجابة الإجهاد-الانفعال الحقيقية أحادية المحور لمعدلات الضغط العالي للمواد الحيوية الناعمة.
- لتحسين دقة نمذجة المواد من خلال التحسين التكراري.
- لإظهار فعالية المنهجية التجريبية والمحاكاة المزدوجة.
الطرق المستخدمة
- اختبار عينات الدماغ باستخدام Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB).
- معايرة نموذج مادة одномерный مع البيانات التجريبية.
- محاكاة العناصر المحدودة لإعداد SHPB لتقييم استجابات الضغط.
- مقارنة تكرارية بين نتائج المحاكاة والبيانات التجريبية للتحسين.
النتائج الرئيسية
- نجحت المنهجية في تقديم استجابة الإجهاد-الانفعال الحقيقية أحادية المحور للمواد الحيوية الناعمة.
- تم تحقيق اتفاق جيد بين النتائج التجريبية والمحاكاة.
- تفوقت التقنية على اختبارات أنبوب الصدمة التقليدية في التقاط استجابات معدلات الضغط العالي.
- أظهرت إمكانية التطبيقات الأوسع في اختبار المواد الحيوية.
الاستنتاجات
- المنهجية التجريبية-محاكاة العناصر المحدودة المزدوجة فعالة للمواد الحيوية الناعمة.
- يعزز هذا النهج فهم سلوك المواد تحت الظروف الديناميكية.
- يمكن للدراسات المستقبلية توسيع هذه المنهجية لمختلف المواد الحيوية.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
Accurate high strain rate mechanical characterization of soft biomaterials is critical for predictive modeling in trauma research and device safety assessment. This coupled experimental-FE methodology enables de-risking of target validation by providing quantitative, reproducible stress-strain data under physiologically relevant dynamic loading conditions. The approach supports translational biomarker alignment and preclinical model refinement for neurological and musculoskeletal applications.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables mechanistic interrogation of tissue-level response to dynamic forces, supporting target hypothesis testing in neurotrauma and injury pathways.
- Operational Value: Provides standardized, quantitative outputs for comparing biomaterial behavior across disease models or genetic variants.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates reproducible, high-fidelity mechanical response curves suitable for assay standardization and cross-laboratory benchmarking.
- Operational Value: Facilitates development of biomechanical readouts for screening compounds or interventions aimed at modulating tissue resilience.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Bridges ex vivo testing with in silico human body modeling, enhancing predictive confidence in injury mechanism studies.
- Operational Value: Enables iterative model calibration to improve fidelity of virtual preclinical platforms for trauma and device evaluation.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows by providing biomechanical phenotyping data that informs target selection and pathway analysis prior to lead identification.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing related to cellular mechanotransduction and extracellular matrix integrity under dynamic load.
- Screening: Delivers standardized, quantitative stress-strain outputs enabling reliable comparison of biomaterial conditions.
- Analytics: Generates first invariant of stress and centerline stress metrics for quantitative comparison between experimental and simulated conditions.
- Translational Research: Connects experimental biomechanics to finite element human body models for injury prediction and device safety assessment.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable biomechanical characterization platform applicable across multiple soft tissue types and disease areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in tissue response modeling through coupled experimental-simulation validation.
- Operational Value: Ensures reproducibility and standardization of high strain rate testing across laboratories and sample types.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions in trauma-related programs by providing predictive biomechanical data early in discovery.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of targets based on biomechanical de-risking data from physiologically relevant strain rates.
Implementation Considerations
- Expertise in biomechanics, split-Hopkinson pressure bar operation, and finite element modeling.
- Instrumentation including SHPB apparatus, strain gauges, high-speed data acquisition, and FE simulation software.
- Standardization protocols for sample preparation, alignment, and wave signal processing to ensure data consistency.
- Adaptation considerations for varying biomaterial properties (e.g., brain vs. tendon) requiring model recalibration.
- Practical limitations include specimen bulging necessitating invariant-based stress analysis and postmortem tissue viability constraints.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
2:11
Biomaterial Sample Preparation
3:34
Split-Hopkinson Pressure Bar Testing
5:49
SHPB Data Post-processing
9:33
Results: Analysis to Obtain Uniaxial High Strain Rate Mechanical Response of Soft Biomaterials
11:00
Conclusion
8:04
SHPB Finite Element Modeling
