一个耦合试验，有限元建模方法以评估生物材料软的高应变率力学响应

Summary

目前的研究规定了耦合实验-有限元模拟方法获得的软生物材料（脑，肝，肌腱，脂肪等 ）的单轴动态力学响应。那出现的多轴实验的结果，因为样品的从斯普利特 - 霍普金森压杆测试鼓胀获得通过时，生物材料的有限元分析的迭代优化模拟被渲染到单轴真应力 - 应变行为。

Abstract

这项研究提供了一个联合实验和有限元（FE）模拟方法用于检查时暴露在高应变率软生物材料（ 如脑，肝，肌腱，脂肪等 ）的力学性能。本研究采用分离式霍普金森压杆（SHPB）生成的100-1,500秒的应变率^-1。该SHPB采用的撞杆组成的粘弹性材料（聚碳酸酯）的。获得生物材料样品死后不久和SHPB测试做好准备。将试样的入射光和透射杆之间，并且SHPB的气动元件被激活，以驱动锤杆朝向入射杆。由此产生的碰撞所产生的压缩应力波（ 即入射波），通过这一事件吧旅行。当压缩应力波到达入射杆的末端，一个部分继续向前通过样品和传送杆（一.E。透射波），而另一部分通过事件杆作为拉伸波反转（ 即反射波）。这些波是用安装在入射光和透射杆应变计测量。样品的真应力 - 应变行为是从根据波传播和动态力平衡方程来确定。该实验的应力 - 应变响应是三维的性质，因为在试样鼓出。这样，静水压力（第一不变量）被用来产生的应力 - 应变响应。以提取的单轴（一维）的机械组织的响应，使用实验结果和有限元分析（FEA），​​它包含了一个用于组织内部状态变量（ISV）材料模型进行迭代耦合优化。在实验装置的有限元模拟中使用的材料，ISV模型反复校准（ 即优化）的实验数据，塔T中的实验和有限元分析应变值和应力第一不变量是很好的一致性。

Introduction

动机

耦合分离的基本目标-霍普金森压杆（SHPB）实验/软生物材料（如脑，肝，肌腱，脂肪等 ），有限元建模是提取其单轴机械行为对人体FE进一步实施有害的机械载荷下的模拟。人体的有限元（FE）的模型包括一个详细人体模型和历史依赖性多尺度粘弹性粘塑性内部状态变量（ISV）材料对各种人体器官模型。这种人体模型可以用于框架搭建伤害保障更好的标准，以设计新颖护具，并且使乘员为中心的车辆设计。

两种模式率高伤害已被广泛观测到人类的创伤:爆炸冲击波和钝物撞击。爆炸性武器爆炸伤害traumati的主要来源Ç损伤（TI）和死亡的战场上¹的首要原因。当引爆，炸药这些形成产生大的和突然的加速和变形向外传播的冲击波。由此产生的载荷会对那些暴露的严重威胁。虽然任何部分的解剖结构可通过冲击波受伤，关注的主要区域是:（1）下肢由于其靠近地面，和（2）的头部自伤能抑制正常的脑功能和存活^{2 3。}这些损伤可以分为取决于损伤的持续的类型的伯，仲，或叔受伤。因为爆炸的强度的特征在于它的重量或尺寸，间隔距离，正脉冲的持续时间，并通过它传播介质，它可以是难以充分归类这些伤害^3-6。国会报告指出，军事人员因遭遇爆炸近179,000外伤武器装备和车辆碰撞在伊拉克和阿富汗从2000年至2010年3月²日，由于自然和现代作战位置，头部受伤是军事和平....

Protocol

注:伦理学声明:目前的工作是唯一的机构的研究政策，严格遵循合规性（ORC）的指导方针合适的生物安全和Office。

1.生物材料样品采购

1. 穿戴个人防护装备按照实验室和/或机构的标准生物安全协议。穿封闭趾鞋，裤长，白大褂，手术手套，防护面罩和护目镜，同时处理猪组织和测试。
2. 获得健康猪的猪组织（头部，腹部，或后腿）从内1-2小时验尸当地的屠宰场。
3. 存放在生物安全袋猪组织，然后将它们放置在冰容器（〜5.56-7.22°C）。
   注:使用温度计来检查，在猪样品的温度不低于7.22 C。
4. 运输猪组织到最近的实验室（在兽医学院在密西西比州立大学）进行清扫。
5. 在动物医学学院兽医的监督下，手术抽取猪的器官（脑，肝，肌肉，脂肪，或肌腱），并将它们放置在容器中充满磷酸盐缓冲液（PBS）的临时存储（pH值7.4）。
6. 存储的PBS容器在冰冷却器（〜5.56-7.22°C）和立即它们传送给试验机构进行样品制备和SHPB测试。

2.生物材料样品制备

1. 从PBS容器中取出猪的器官并将其放置在无菌的表面。
2. 注:确定主纤维取向和位置对于每个测试样品。使用的圆筒模具以30毫米内径从猪的器官解剖测试样品。
3. 如果测试样品楔入圆筒模具内，注入的PBS通过....

Results

耦合方法的有效性是例示在图3中，在这里对大脑的SHPB试验应力-应变响应是在一个较低的应力状态（0.32兆帕的峰值应力）相比于一维材料的应力状态点模拟器（具有0.74的峰值兆帕），这是类似于对FE样品中心线（元件）的平均值。这是由于变形软生物材料表现出的性质。因为应变率很高，并且该生物材料的波的速度和强度低，在材料需求的非均匀变形的惯性和应力波的传播。这种现象是最大在样品边缘和至少在中心。因为样品是圆柱体，试样的中心不能置换的非均匀径向膨胀不像边缘。因此，有一定量的时间后，将样品中心线能够紧密地近似为单轴性。

耳鼻喉科">由于观测样品中心线呈现后一些初始单轴变形的"环"时间，有限元分析可以被用于提取中心线的数据，这是不可能的实验装置来捕捉。这里的"环-up"时间是在当应力状态达到平衡一SHPB试验的初始阶段的时间跨度。为此，虚拟FEA应变计相比，实验应变计和材料常数被改变，直到好的协议是到达。 表2给出了代表材料常数，用于通过耦合SHPB实验-FE模拟方法得到的大脑。另外， 图4示出了SHPB实验真应力-应变曲线的实际测量.......

Discussion

所报告的方法，它耦合SHPB实验和SHPB的有限元建模提供了一种新的和独特的技术来评估生物材料在高应变率单轴真应力 - 应变响应。为了促使机械性质固有的天然组织，必须小心SHPB测试之前保持之间5.56-7.22℃下的生物材料样品。如果试样被冷却到低于5.56℃，存在于组织中水开始crystalize入冰水，随后改变了组织的机械性能。虽然其他研究人员^15-18冻结样品从机械降解保鲜的目的，结果从SHPB测试产量显着不同的机械反应获得物。此外，报告由Van EE和迈尔斯²³显示，在5小时内测试软生物材料验尸了最好的实验结果。此外，PBS溶液被选为圣矿石生物材料样品和圆柱形样品，因为它的容积渗透摩尔浓度和离子浓度是类似于生物流体^9。

根据在ASM手册上的软质材料，最佳的样品长宽比，或样品的厚度与直径的比率高应变率测试由Gray和布鲁门²⁴的工作，是确定取决于生物材料的存在的类型为0.5或更小测试（猪脑，肝，肌腱或脂肪）。灰色和布鲁门²⁴在他们的研究中观察到，与纵横比大于0.5的.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
高压316不锈钢螺纹管件，1/2男性x 1/4女性管道尺寸，六角减少套管	McMaster-Carr		2
316不锈钢螺纹管道配件，3/4男性x 1/4女性，六角减少套管150 psi	McMaster-Carr		2
易维护型316SS球阀，带316不锈钢端，1/2" NPT女性	McMaster-Carr		2
易维护型316SS球阀，带316不锈钢端，3/4" NPT女性	McMaster-Carr		2
ASME代码不锈钢防弹阀，1/4 NPT男性，300 psi	McMaster-Carr		2
极压316SS管道配件，1/2 x 1/2管道尺寸，1-7/8"长度，六角接头	McMaster-Carr		8
型316不锈钢螺纹管道配件，1/2管道尺寸，三通，150 psi	McMaster-Carr		2
测试表带安全箱，聚酯箱，标准，干燥，600 psi	McMaster-Carr		2
仪表，塑料外壳，2-1/2"表盘，1/4底部连接，300 psi	McMaster-Carr		2
316不锈钢37度喇叭形管接头，适配器，适用于1/4"管外径x 1/8"NPT外螺纹管	McMaster-Carr		12
303不锈钢37度JIC旋转接头，适用于3/16"内径	McMaster-Carr		12
化学软管，3/16"内径，0.312"外径，3,000 psi	McMaster-Carr		6
高纯度气体调节器单级，氮气，0-125 psi，CGA #580	McMaster-Carr		2
软管，用于氮气、氩气和氧气 黄铜Fem 接头，PTFE 软管，3' L，1/4" ID，3,600 psi	McMaster-Carr		2
[header]
极压 316 SS 螺纹管件 1/4 x 1/4 管道尺寸，六角接头	McMaster-Carr		4
极压 316 不锈钢螺纹管件 3/4 x 3/4 管道尺寸，六角接头	麦克马斯特-卡尔		2
极压 316 不锈钢螺纹管件 1/4 男性 x 1/8 女性管道尺寸，六角套管	麦克马斯特-卡尔		2
标准黄铜压缩管件适配器，用于 1/4" 管外径 x 1/4" NPTF 男性管道	麦克马斯特-卡尔		4
Kobalt 1/4 英寸迷你调节器，带压力表			2
1/4" x 25 英尺聚乙烯管	Lowes		2
1-1/2" 直径聚碳酸酯 （PC） 杆	McMaster-Carr		2
LTV-35 4 通阀 Mead Fluid Dynamics	Motion Industries		2
气动双作用执行器	Valtronic		2
不锈钢球阀 1/2"	Valtronic		2
七叶树压力容器	Buckeye		2
SR-4 通用 FAE-25-35SX 应变计	微量测量 Vishay Precision Group		2
M-M 信号调节放大器 2310A	微量测量 Vishay Precision Group		1
激光器 ROLS-W 光学传感器	Monarch Instruments		1