A Accoppiato Experiment-finite Element Modeling metodologia per la valutazione alta Strain Rate risposta meccanica di soft Biomateriali

L'obiettivo generale di questa procedura è ottenere la risposta in termini di tensione e deformazione vera sotto carico uniassiale ad alta velocità di deformazione dei biomateriali molli in esame. Questo risultato si ottiene innanzitutto testando un campione di tessuto cerebrale mediante un apparato split hopkinson pressure bar (SHPB), per poi calibrare la versione unidimensionale del modello del materiale sulla base della risposta sperimentale in termini di tensione e deformazione vera. Successivamente, si esegue la simulazione agli elementi finiti (FE) della configurazione SHPB al fine di valutare la direzione media di carico del campione, la tensione e la tensione lungo la linea centrale.

L'ultimo passaggio consiste nel confrontare in modo iterativo l'andamento dello sforzo lungo la linea centrale ottenuto dal modello materiale unidimensionale e dalla simulazione agli elementi finiti (FE), nonché la direzione del carico, lo sforzo e la risposta sforzo-deformazione vera sperimentale in tre dimensioni, fino a quando non si ottiene un buon accordo tra i risultati summenzionati. In definitiva, la metodologia accoppiata sperimentale e agli elementi finiti viene utilizzata per dimostrare che la risposta sforzo-deformazione vera uniaxiale per biomateriali molli può essere ottenuta mediante un dispositivo SHPB. Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti, come i test con tubo a shock, è che essa permette di determinare la risposta meccanica uniaxiale a elevate velocità di deformazione di un biomateriale morbido.

Le implicazioni di questa tecnica si estendono alla diagnosi delle lesioni cerebrali traumatiche attraverso la modellizzazione virtuale del corpo umano. Poiché i dati ottenuti con il metodo attuale possono registrare con precisione lesioni locali e danni derivanti da traumi alla testa umana. Abbiamo avuto per la prima volta l'idea di questo metodo durante il lavoro di correlazione dei dati sperimentali relativi all'elevata velocità di deformazione cerebrale con i risultati ottenuti dalla tiroide e dalla modellizzazione. Il procedimento verrà dimostrato dal dottor Jim Cooley, medico veterinario, dallo studente laureato Soro Patnaik e dall'assistente di ricerca Wilburn Wittington. Sotto la supervisione di un medico veterinario, verranno estratti chirurgicamente organi suini come cervello, fegato, muscolo, grasso o tendine.

Successivamente, collocarli in contenitori riempiti con soluzione salina tamponata al fosfato o PBS per la conservazione temporanea. Conservare i contenitori con PBS in un contenitore refrigerato con ghiaccio e trasportarli immediatamente al laboratorio di prova per la preparazione del campione e per il test split Hopkins in pressure bar o SHPB. Una volta giunti al laboratorio di prova, rimuovere l'organo suino dal contenitore con PBS e posizionarlo su una superficie sterile.

Identificare l'orientamento principale delle fibre e le posizioni per ogni campione di prova. Successivamente, utilizzare un ago circolare con un diametro interno di 30 millimetri per dissezionare il campione di prova dall'organo suino. Poi, utilizzare un supporto per tagliare il campione allo spessore e al rapporto dimensionale prescritti per la prova SHPB su campioni suini.

Lo spessore è compreso tra 10 e 15 millimetri, mentre il rapporto dimensionale è compreso tra 0,33 e 0,5. Utilizzare un calibro per misurare lo spessore e il diametro in tre posizioni diverse. Posizionare una barra d'impatto, una barra incidente e una barra trasmessa nelle prolunghe metalliche per il test SHPV.

Assicurarsi che le aste siano libere di muoversi al tatto e che le loro interfacce siano allineate tra loro. Fornire un tappo di arresto per l'asta trasmessa a scopo di sicurezza. Collegare le estensimetrie, attaccando le aste incidente e trasmessa all'amplificatore del segnale.

Accendere gli amplificatori di condizionamento del segnale e il computer del modulo di acquisizione dati. Quindi inizializzare il software di acquisizione dati ad alta velocità. Verificare l'acquisizione in tempo reale dei segnali per accertarsi che rientrino nel range normale e azzerare i segnali di rumore cliccando sull'icona di azzeramento.

Posizionare l'asta percussore adiacente alla camera a pressione. Portare la camera a pressione alla pressione desiderata aprendo la valvola del serbatoio di azoto e successivamente la valvola di ingresso della camera a pressione. Azzerare il misuratore di velocità laser premendo il pulsante di azzeramento e impostarlo per rilevare la velocità dell'asta percussore posizionando la striscia riflettente sull'asta percussore dietro ai sensori laser.

Posizionare le camere di contenimento del campione in modo che non ostacolino il movimento della barra incidente e di quella riflessa. Quindi posizionare la barra incidente a contatto con la barra trasmessa ai fini della calibrazione. Eseguire un test senza campione attivando l'interruttore di attivazione per la camera a pressione sulla barra Stryker.

Dopo la calibrazione, posizionare un campione cilindrico tra la barra incidente e quella trasmessa, quindi chiudere la camera di confinamento del campione. Assicurarsi che non venga effettuato alcun precondizionamento del campione evitando di caricare e scaricare il campione più volte ed eseguire la prova solo dopo aver completato i test. Utilizzare salviette igieniche monouso per rimuovere i residui del campione dalla barra incidente, dalla barra trasmessa e dalla camera di confinamento del campione.

Smaltire tutti i rifiuti e le salviette nelle apposite borse per rifiuti biologici. Sanificare le barre e la camera di contenimento del campione utilizzando una soluzione detergente al 70% di etanolo e salviette igieniche.

Aprire il software MSU ad alta velocità per l'analisi delle onde Hopkins nella barra. Avviare il software esaminando la finestra delle impostazioni e selezionando l'opzione di trazione-compressione nella scheda modalità per il test uniassiale. Inoltre, selezionare due estensimetri nella scheda estensimetri e fare clic su continua. Nella finestra principale, selezionare la scheda apri file uno e individuare i dati dell'onda incidente registrati dall'estensimetro sulla barra incidente; selezionare la scheda apri file due per importare il registro dell'estensimetro della barra trasmessa.

Successivamente, selezionare la scheda parametri nella finestra principale e inserire i parametri fisici della configurazione del test, inclusi le dimensioni della barra, i fattori di tensione a deformazione, le posizioni dei sensori di deformazione e le costanti di dispersione viscoelastica. Fare clic su continua. Quindi selezionare la scheda seleziona dati nella finestra principale e utilizzare le barre del cursore per ridurre il set di dati alla sola quantità di dati contenente le onde incidenti, riflesse e trasmesse.

Fare clic su continua. A questo punto, passare alla scheda seleziona onde nella finestra principale e utilizzare le barre del cursore per delimitare l'onda incidente nel grafico dell'onda incidente, l'onda riflessa nel grafico dell'onda riflessa e l'onda trasmessa nel grafico dell'onda trasmessa. Quindi fare clic su continua.

Dopo di ciò, selezionare la scheda corretta nella finestra principale per consentire al software di correggere la dispersione viscoelastica. Ora selezionare la scheda di spostamento nella finestra principale nel grafico dell'onda. Utilizzare il cursore per trascinare le onde incidente, riflessa e trasmessa alla stessa posizione iniziale nel tempo.

Selezionandoli singolarmente. Nella scheda di selezione delle onde, visualizzare tutte le onde nel grafico dei dati. Al termine, fare clic su continua nel file dei risultati.

Salvare la posizione di applicazione del carico e i profili di velocità facendo clic su "salva con nome" utilizzando un software commerciale agli elementi finiti o FE. Creare un modello FE della configurazione SHPB. Quindi eseguire una simulazione agli elementi finiti.

Verificare che le misurazioni degli estensimetri nell'esperimento e nella simulazione agli elementi finiti siano in buon accordo. Incorporare il campione di biomateriale nel modello agli elementi finiti dell'apparato SHPB. Assegnare al campione di biomateriale un'implementazione tridimensionale del modello costitutivo basato su variabili di stato interne.

Calibrare la curva sforzo-deformazione vera dell'esperimento con la curva sforzo-deformazione vera del modello, regolando i parametri dei modelli di materiali a variabili di stato interne. Assegnare quindi le costanti di materiale a variabili di stato interne al campione di biomateriale nel modello EF per la configurazione SHPB. Successivamente, eseguire la simulazione EF con la velocità della barra di Stryker e la velocità di deformazione del campione corrispondenti ai test SHPB alla stessa velocità di deformazione.

Nel secondo passaggio della calibrazione del modello EF, eseguire la simulazione EF utilizzando i dati del trasduttore di deformazione. Software di post-elaborazione dell'esperimento SHPB MSU software ad alta velocità. Infine, eseguire una media volumetrica della tensione nella direzione del carico lungo gli elementi della linea centrale del campione del modello EF.

L'efficacia della metodologia accoppiata viene qui illustrata. La risposta sperimentale sforzo-deformazione SHPV per il tessuto cerebrale si trova a uno stato di sforzo inferiore rispetto allo stato di sforzo del simulatore puntiforme unidimensionale, che è paragonabile alla media dello stato di sforzo lungo la linea centrale del campione agli elementi finiti. Ciò è dovuto alla natura multiasiale della deformazione.

I costanti del materiale rappresentative del BioMAT morbido mostrato qui sono state ottenute attraverso la metodologia sperimentale accoppiata SHPB e simulazione FE. Gli estensimetri virtuali dell'analisi agli elementi finiti vengono confrontati con gli estensimetri sperimentali e, contemporaneamente, il simulatore del punto materiale e la media della linea centrale FE vengono confrontati per ottenere un buon accordo. In questo caso, le costanti del materiale vengono variate finché più di due non risultano in buon accordo.

Questo grafico mostra che la curva sperimentale tensione-deformazione vera ottenuta tramite SHPB misura effettivamente il primo invariante della tensione piuttosto che il comportamento tensione-deformazione nella direzione di carico uniaxiale. Pertanto, l'utilizzo esclusivo dei risultati sperimentali SHPB risulterebbe errato se non fosse abbinato a una modellazione di tipo FE per valutare il comportamento uniaxiale. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in 12 ore se effettuata correttamente.

Nel tentativo di eseguire questa procedura, è importante ricordare che gli esperimenti e le prove multiasse devono essere effettuati quando si testano materiali metallici morbidi.