ソフトバイオマテリアルの高ひずみ速度機械的応答を評価するための結合実験、有限要素モデリング手法

Summary

現在の研究では、ソフトバイオマテリアル（脳、肝臓、腱、脂肪等 ）の一軸動的機械的応答を得るために、結合実験、有限要素シミュレーション方法を規定します。なぜなら、試料の生じた多軸の実験結果は、生体材料の有限要素解析の反復最適化を介して刺激されたとき一軸真応力 - ひずみ挙動にレンダリングされたスプリット·ホプキンソン圧力棒の試験から得られ膨らみました。

Abstract

本研究では、高歪み速度にさらさソフト生体材料（ 例えば 、脳、肝臓、腱、脂肪など ）の機械的挙動を調べるための組み合わせ実験と有限要素（FE）シミュレーションアプローチを提供しています。本研究では、100-1,500秒の歪速度を生成するために、スプリットホプキンソン圧力棒（SHPB）を利用^-1。 SHPBは、粘弾性材料（ポリカーボネート）から成るストライカーバーを採用しました。生体材料のサンプルは、死後間もなく得て、SHPB試験のために準備しました。試料は、入射して伝送棒の間に介在し、SHPBの空気圧機器は、入射棒に向けてストライカーバーを駆動するために活性化しました。結果として生じる影響は、入射バーを進行圧縮応力波（ 即ち、入射波）を発生します。圧縮応力波が入射バーの端に達したときに、一部は試料と透過バーを前方に続け（I.E。透過波）他の部分は引張波として入射バーを介して反転しながら（ つまり ） は反射波。これらの波は、入射及び透過棒に取り付けられた歪みゲージを用いて測定しました。サンプルの真応力 - ひずみ挙動は波の伝播および動的力平衡に基づく式から決定されました。試料が膨らんだため、実験的な応力 - ひずみ応答は、本質的に三次元でした。このように、静水圧応力（最初の不変量）は、応力 - 歪み応答を生成するために使用されました。組織の一軸（一次元の）機械的応答を抽出するために、反復結合最適化は、実験結果と組織のために使用される内部状態変数（ISV）材料モデルが含まれて有限要素解析（FEA）を用いて行きました。実験のFEシミュレーションで使用されるISVの材料モデルは、反復実験データなどTHAに（ すなわち最適化された）較正しました実験およびFEAひずみゲージ値と応力の最初の不変トン良く一致しました。

Introduction

モチベーション

結合されたスプリットの基本的目標-ホプキンソン圧力棒（SHPB）実験/（ など 、脳、肝臓、腱、脂肪、など）ソフト生体材料の有限要素モデリングは、人体FEのさらなる実施のための彼らの一軸の機械的挙動を抽出することでした有害機械的負荷の下でのシミュレーション。人体有限要素（FE）モデルは、詳細な人体メッシュと様々な人間の臓器の履歴に依存するマルチスケール粘弾性·粘塑性内部状態変数（ISV）材料モデルで構成されています。この人体モデルは、革新的な保護具を設計するために、乗員中心の車両設計を可能にするために、損傷の保護のためのより良い基準を構築するためのフレームワークのために使用することができます。

爆発爆風と鈍い衝撃：高レート損傷の二つのモードは、広く人間の外傷で観察されています。爆発兵器の爆破ダメージはtraumatiの主な供給源でありますC損傷（TI）と戦場¹の死亡の主な原因。爆発すると、これらの爆発は大きく、突然の加速および変形を生成外側に伝播する衝撃波を形成します。結果として得られる負荷は露出したものに深刻な脅威をもたらします。解剖学のいずれかの部分が衝撃波によって負傷することができるが、懸念のプライム領域は、（1）その地面近くに近接し、（2）ヘッドによる下肢傷害は正常な脳の機能と生存^2を阻害することができるしているので....

Protocol

注：倫理声明：現在の仕事は、機関の研究政策に固有のものであり、厳密に規制コンプライアンス（ORC）のガイドラインの適切なバイオ安全性およびOfficeに従います。

1.生体材料試験片の調達

1. 実験室および/または機関の標準的な生物学的安全性プロトコルに従って個人用保護具を着用します。ブタ組織とテストの処理中に閉じたつま先の靴、長ズボン、白衣、手術用手袋、保護マスク、および安全ゴーグルを着用します。
2. 1-2時間の死後内のローカルの食肉処理場からの健康なブタのブタ組織（頭部、腹部、または後肢）を取得します。
3. バイオハザード安全バッグにブタの組織を保存した後、氷の容器（〜5.56から7.22℃）に置いてください。
   注：ブタの試料内の温度が7.22未満に低下しないことを確認するために温度計を使用して、 °C。
4. 最寄りの実験室にブタの組織を輸送解剖用（ミシシッピ州立大学獣医学部の大学）。
5. 獣医学の大学で獣医師の監督の下で、外科的にブタの臓器（脳、肝臓、筋肉、脂肪、または腱）を抽出し、一時記憶（pHは7.4）のためのリン酸緩衝生理食塩水（PBS）で充填された容器内に配置します。
6. アイスクーラー（〜5.56から7.22°C）でのPBSコンテナを格納し、すぐにサンプル調製とSHPB試験のための試験施設に輸送。

Results

結合方法の有効性は、図3に例示されている。ここでは、脳のためのSHPB実験的応力-歪み応答は、一次元材料の応力状態と比較して（0.32 MPaでのピーク応力を有する）低い応力状態にありますFEサンプル中心線（要素）の平均に似ている（0.74メガパスカルのピーク値に）点シミュレータ、。これは変形ソフト生体材料の展示の性質によるも​​のです。歪み率が高く、生体材料の波の速度と強度は、不均一な変形材料需要の慣性応力波伝播低いため。この現象は、中央のサンプルエッジで最大と最小です。標本はシリンダであるため、試験片の中央部は、エッジとは異なり、不均一な半径方向の拡張を置換することはできません。従って、一定の時間後に、試料中心密接一軸として近似することができます。

ENT ">により、いくつかの初期の後一軸変形を示すサンプル中心の観察に「リングアップ」時間、FEAは、次にキャプチャする実験のために不可能である中心線データを抽出するために使用することができる。ここで、「環-up「時間がストレス状態平衡が達成されたSHPB試験の初期段階の間のタイムスパンがある。これを行うには、仮想FEAひずみゲージは、実.......

Discussion

カップルSHPB実験とSHPBのFEモデリングは、新規でユニークな技術を提供しています報告の方法論は、高ひずみ速度での生体材料の一軸真応力 - ひずみ応答を評価しました。天然の組織に固有の機械的特性を調達するためには、注意がSHPB試験の前に、5.56から7.22℃の間の生体材料の試料を保持するために注意する必要があります。試料は5.56°C以下に冷却されている場合は、組織中に存在する水は氷に結晶化され始めると、その後、組織の機械的特性を変化させます。他の研究者^{15〜18は、}機械的劣化から保存目的のためにサンプルを凍結しているが、SHPB試験から、その得られた結果は大きく異なる機械的な応答が得られます。また、ヴァン·EEとマイヤーズ²³の報告は5時間死後以内に試験ソフト生体材料は、最良の実験結果を与えたことを示しました。さらに、PBS溶液は、STに選ばれました鉱石生体材料試料と円筒試料は、浸透圧及びイオン濃度は、生物学的流体⁹と同様であるので。

軟質材料の高ひずみ速度試験、最適なサンプルアスペクト比、または直径の試料.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
高圧316ステンレス鋼ねじ付きパイプ継手、1/2オス×1/4メスパイプサイズ、六角レデューシングブッシング	McMaster-Carr		2
タイプ316ステンレス鋼ねじパイプ継手、3/4オス×1/4メス、六角レデューシングブッシング150 psi	McMaster-Carr		2
メンテナンスが容易なタイプ 316SS ボールバルブ、316 ステンレス鋼の端、1/2 インチ NPT メス	McMaster-Carr		2
が容易なタイプ 316SS ボールバルブ、316 ステンレス鋼の端、3/4 インチ NPT メス	McMaster-Carr		2
ASME コード ステンレス鋼ポップセーフティバルブ、1/4 NPT オス、300 psi	McMaster-Carr		2
極圧316SSパイプ継手、1/2 x 1/2パイプサイズ、1-7 / 8 "長さ、六角ニップル	McMaster-Carr		8
タイプ316ステンレス鋼ねじ付きパイプ継手、1/2パイプサイズ、ティー、150 psi	McMaster-Carr		2
テストゲージ、安全ケース付き、ポリエステルケース、標準、ドライ、600 psi	McMaster-Carr		2
デジタルゲージ、プラスチックケース、2-1/2インチダイヤル、1/4下部接続、300 psi	McMaster-Carr		2
タイプ 316 ステンレス鋼 37 度フレア チューブ継手、1/4 インチ チューブ OD x 1/8 インチ NPT オス パイプ用アダプター	McMaster-Carr		12
303 ステンレス鋼 37 度 JIC スイベル フィッティング 3/16" ID	McMaster-Carr		12
高圧化学ホース、3/16 インチ ID、0.312 インチ OD、3,000 psi	McMaster-Carr		6
高純度ガス調整器単段、窒素、0-125 psi、CGA #580	McMaster-Carr		2
窒素ガス、アルゴン、酸素用2ホース 真鍮製FEM継手、PTFEホース、3 ' L、1/4" ID、3,600 psi	McMaster-Carr		2
[header]
極圧316 SSねじ付きパイプ継手1/4 x 1/4パイプサイズ、六角ニップル	McMaster-Carr		4
極圧 316 SS ねじ付きパイプ フィッティング 3/4 x 3/4 パイプ サイズ、六角ニップル	McMaster-Carr		2
極圧 316 SS ねじ付きパイプ フィッティング 1/4 オス x 1/8 メス パイプ サイズ、六角ブッシング	McMaster-Carr		2
標準真鍮圧縮チューブ フィッティング アダプター 1/4" チューブ外径 x 1/4" NPTF オス パイプ	McMaster-Carr		4
Kobalt 1/4 インチ ミニ レギュレーター ゲージ	Lowes		2
1/4 "x 25フィートのポリエチレンチューブ	Lowes		2
1-1 / 2"直径ポリカーボネート(PC)ロッド	McMaster-Carr		2
LTV-35 4ウェイバルブミード流体力学	モーションインダストリーズ		2
ダブルアクションアクチュエータ	Valtronic		2
ステンレス鋼ボールバルブ1/2 "	Valtronic		2
バックアイ圧力容器	バックアイ		2
SR-4 汎用 FAE-25-35SX ひずみゲージ	マイクロ測定 Vishay Precision Group		2
M-M シグナルコンディショニング アンプ 2310A	Micro-Measurement Vishay Precision Group		1
レーザー ROLS-W 光学センサー	Monarch Instruments		1