Method Article

ניסוי-סופי יחד אלמנט דוגמנות מתודולוגיה להערכת הזנים שיעור גבוהים מכאנית תגובה של Biomaterials רך

DOI:

10.3791/51545

⸱

May 18th, 2015

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Agricultural and Biological Engineering, Mississippi State University, 2Center for Advanced Vehicular Systems, Mississippi State University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחקר הנוכחי קובע מתודולוגיה סימולציה אלמנט ניסוי-סופי בשילוב להשיג את התגובה המכנית הדינמית uniaxial של ביו-חומרים רכים (מוח, כבד, גיד, שומן, וכו '). תוצאות ניסוי multiaxial שהתעוררו בגלל הדגימה בולטת שהתקבלו מבדיקות בר לחץ הפיצול-הופקינסון שניתנו להתנהגות מתח מתח אמיתית uniaxial כאשר מדומה באמצעות אופטימיזציה איטרטיבי של ניתוח האלמנטים הסופי של החומר הביולוגי.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מחקר זה מציע גישת סימולציה אלמנט ניסיוני וסופי משולב (FE) לבחינת ההתנהגות המכנית של ביו-חומרים רכים (לדוגמא מוח, בכבד, בגיד, שומן, וכו ') כאשר הם נחשפים לשיעורי זן גבוהים. מחקר זה נוצל בר לחץ הפיצול-הופקינסון (SHPB) כדי ליצור שיעורי זן של 100-1,500 שניות -1. SHPB מועסק בר חלוץ מורכב מחומר viscoelastic (פוליקרבונט). מדגם של החומר הביולוגי הושג זמן קצר נתיחה שלאחר מוות ומוכן לבדיקת SHPB. הדגימה התערבה בין האירוע וברים מועבר, והרכיבים פנאומטיים של SHPB הופעלו לנהוג בר החלוץ לכיוון הבר האירוע. ההשפעה וכתוצאה מכך נוצרה גל דחיסה לחץ (כלומר גל אירוע) שנסע דרך הבר האירוע. כאשר גל לחץ הדחיסה הגיע לסוף שורת האירוע, חלק המשיך קדימה במדגם ומועבר בר (iכלומר. גל משודר) ואילו חלק אחר התהפך בבר האירוע כגל מתיחה (כלומר משתקפים גל). גלים אלה נמדדו באמצעות מדי עיבור רכוב על האירוע וברים מועבר. מתח מתח ההתנהגות האמיתית של המדגם נקבעה ממשוואות המבוססות על התפשטות גל ושיווי משקל כוח דינמי. תגובת מתח מתח הניסיונית הייתה שלושה ממדים בטבע כי הדגימה בלטו. ככזה, המתח ההידרוסטטי (ראשון משתנה) שימש כדי ליצור את תגובת מתח מתח. כדי לחלץ את תגובת uniaxial (חד ממדית) המכנית של הרקמה, אופטימיזציה בשילוב איטרטיבי בוצעה באמצעות תוצאות ניסויים ואנליזת אלמנטים סופיים (FEA), שהכיל חומר מודל משתנה (ISV) פנימי מדינה משמש לרקמות. מודל חומר ISV השתמש בסימולציות FE של הגדרת הניסוי היה מכויל iteratively (מותאם כלומר) לtha כגון נתוני ניסוילא הניסוי וערכי מד מתח FEA ובלתי משתנה הראשונה של לחצים היו בהסכם טוב.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מוטיבציה

המטרה העיקרית של הפיצול בשילוב - בר לחץ הופקינסון הניסוי (SHPB) / דוגמנות אלמנטים סופית של ביו-חומרים רכים (כגון מוח, כבד, גיד, שומן, וכו ') הייתה לחלץ ההתנהגויות מכאני uniaxial ליישום נוסף בגוף אדם FE סימולציות תחת עומסים מכאניים פוגעניים. האלמנטים סופיים מודל גוף האדם (FE) מורכב מרשת מפורטת אנושית גוף ומודל היסטוריה תלוי Multiscale viscoelastic-viscoplastic הפנימי מדינת חומר משתנה (ISV) לאיברים אנושיים שונים. מודל גוף אדם זה יכול לשמש למסגרת לבנות סטנדרטים טובים יותר להגנת פציעה, לעצב ציוד מגן חדשני, ולאפשר לעיצוב כלי רכב ממוקד....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הצהרת אתיקה:: הערה העבודה הנוכחית היא ייחודית למדיניות המחקר של המוסד, ובהחלט עוקבת ביו-הבטיחות והמשרד המתאימים של תאימות לתקנות הנחיות (ORC).

רכש 1. ביולוגי דגימה

  1. ללבוש ציוד מגן אישי בהתאם לפרוטוקולי בטיחות ביולוגית סטנדרטיים של המעבדה ו / או מוסד. ללבוש נעליים צבאיות סגורות, מכנסיים ארוכים, חלוק מעבדה, כפפות מנתחים, מסכת מגן, ומשקפי בטיחות בעת טיפול רקמות ובדיקות חזיריות.
  2. להשיג רקמה חזירית (ראש, בטן, או רגל אחורית) של ח....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

היעילות של המתודולוגיה בשילוב מודגמת באיור 3. הנה תגובת מתח מתח הניסיונית SHPB למוח היא במצב מתח נמוך (עם מתח שיא של 0.32 MPA) בהשוואה למצב הלחץ של החומר חד-ממדי סימולטור נקודה (עם ערך שיא של 0.74 MPA), שהוא דומה לקו מרכז מדגם FE הממוצע (אלמנט). זאת בשל האופי של עיוות שתערוכת ביו-חומרים רכים. בגלל שיעורי הזן הם גבוהים, ומהירות הגל ועוצמתו של החומר הביולוגי היא נמוכה, התפשטות גל האינרציה ומתח בעיוות לא אחידה ביקוש חומר. תופעה זו היא הגדול ביותר בקצות המדגם ולפחות ב.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המתודולוגיה דיווחה כי זוגות ניסוי SHPB ודוגמנות FE של SHPB מציעים רומן וטכניקה ייחודית כדי להעריך את תגובת uniaxial האמיתית מתח מתח של חומר ביולוגי בשיעורי זן גבוהים. כדי להשיג תכונות מכאניות פנימיות לרקמת הילידים, יש להקפיד לשמור את הדגימה ביולוגי בין 5.56-7.22 מעלות צלזיוס לפני בדיקת SHPB. אם הדגימה היא מקוררת מתחת 5.56 מעלות צלזיוס, מים הנוכחיים ברקמה מתחיל להתגבש לקרח ולאחר מכן משנה את התכונות מכאניות של הרקמות. בעוד חוקרים אחרים 15-18 קפאו המדגם למטרות שימור משפלה .......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים מצהירים בזאת, כי אין ניגוד עניינים עם כל קשור לפרסום זה החומר.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים מבקשים להודות למרכז למערכות רכב מתקדמות (CAVS) ולמחלקה להנדסה חקלאית וביולוגית באוניברסיטת מיסיסיפי סטייט על תמיכתם בעבודה זו. חומר זה מבוסס על עבודה הנתמכת על ידי פיקוד מחזור החיים של צבא ארה"ב TACOM תחת חוזה מס. W56HZV-08-C-0236, באמצעות חוזה משנה עם אוניברסיטת מיסיסיפי סטייט, ובוצע עבור תוכנית המחקר לאמינות ובטיחות מבוססת סימולציה (SimBRS). כמו כן, חומר זה מבוסס על עבודה הנתמכת על ידי המינהל הלאומי לביטחון גרעיני (משרד האנרגיה) תחת מספר פרס [DE-FC26-06NT42755]. לבסוף, המחברים רוצים להודות למר דיוויד אדמס, מר מייקל מקולום וגב' ארין קולבק על מאמציהם במחקר זה.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
התאמת צינור הברגה מנירוסטה 316 בלחץ גבוה, 1/2 זכר x 1/4 גודל צינור נקבה, תותב הפחתת משושהMcMaster-Carr2
Type 316 התאמת צנרת הברגה מנירוסטה, 3/4 זכר x 1/4 נקבה, תותב הפחתת משושה 150  psiMcMaster-Carr2
שסתום כדור מסוג 316SS קל לתחזוקה, עם 316 קצוות נירוסטה, 1/2 אינץ' NPT נקבהMcMaster-Carr2
שסתום כדור מסוג 316SS קל לתחזוקה, עם 316 קצוות נירוסטה, 3/4 אינץ' NPT נקבהMcMaster-Carr2
שסתום בטיחות פופ נירוסטה קוד ASME, 1/4 זכר NPT, 300  psiMcMaster-Carr2
התאמת צנרת מדויקת בלחץ קיצוני 316SS, גודל צינור 1/2 x 1/2, אורך 1-7/8 אינץ', פטמתמשושה McMaster-Carr8
סוג 316 התאמת צנרת הברגה מנירוסטה, 1/2 גודל צינור, טי, 150  psiMcMaster-Carr2
מד בדיקה עם נרתיק בטיחות, מארז פוליאסטר, סטנדרטי, יבש, 600  psiMcMaster-Carr2
מד דיגיטלי, מארז פלסטיק, חוגה בגודל 2-1/2 אינץ', חיבור 1/4 תחתון, 300  psiMcMaster-Carr2
סוג 316 נירוסטה 37 מעלות התאמת צינור מתרחב, מתאם לצינור 1/4 אינץ' OD x 1/8 אינץ' צינור זכרNPT McMaster-Carr12
303 נירוסטה 37 מעלות JIC מסתובב הולם עבור 3/16 אינץ' IDMcMaster-Carr12
צינור כימי בלחץ גבוה, 3/16 אינץ' ID, 0.312 אינץ' OD, 3,000 psiMcMaster-Carr6
ווסת גז בעל טוהר גבוה חד-שלבי, חנקן, 0-125 psi, CGA #580McMaster-Carr2
צינור לאביזרי נקבה של גז חנקן, ארגון וחמצן, צינור PTFE, 3 'L, 1/4 אינץ' ID, 3,600 psiMcMaster-Carr2
[header]
התאמת צינור הברגה בלחץ קיצוני 316 SS 1/4 x 1/4 גודל צינור, פטמת משושהMcMaster-Carr4
התאמת צינור הברגה בלחץ קיצוני 316 SS 3/4 x 3/4 גודל צינור, פטמת משושהMcMaster-Carr2
לחץ קיצוני 316 SS התאמת צינור הברגה 1/4 זכר x 1/8 גודל צינור נקבה, תותב משושהMcMaster-Carr2
מתאם התאמת צינור דחיסה פליז סטנדרטי עבור 1/4 "צינור OD x 1/4" NPTF צינור זכרMcMaster-Carr
4 Kobalt 1/4 במיני ווסת עם מדLowes2
1/4 אינץ' x 25 רגל צינורות פוליאתילןLowes2
1-1/2 אינץ' קוטר פוליקרבונט (PC) מוטמקמאסטר-קאר2
LTV-35 4 כיווני שסתום מיד נוזל דינמיקתתנועה תעשיות2
פנאומטי פעולה כפולה מפעילValtronic2
שסתום כדור נירוסטה 1/2 אינץ'Valtronic2
כלי לחץ BuckeyeBuckeye2
SR-4 לשימוש כללי FAE-25-35SX מדי מתחמיקרו-מדידה Vishay Precision Group2
M-M מגבר מיזוג אותות 2310Aמיקרו-מדידה Vishay Precision Group1
לייזר ROLS-W חיישן אופטיMonarch Instruments1

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Champion, H. R., Holcomb, J. B., Young, L. A. Injuries from explosions: physics, biophysics, pathology, and required research focus. J Trauma. 66 (5), 1468-1477 (2009).
  2. Aubry, M.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

High Strain RateSplit Hopkinson Pressure BarFinite Element AnalysisSoft BiomaterialsTrue Stress StrainInternal State VariableCoupled Experiment ModelingUniaxial Mechanical ResponseWave Propagation AnalysisStrain Gauge Measurements

Related Articles