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

この手順の全体的な目的は、テスト対象となるソフトバイオマテリアルの単軸高ひずみ速度における真応力-ひずみ応答を得ることであります。これはまず、スプリット・ホプキンソン圧力棒（SHPB）装置を用いて脳試料の試験を行い、次に実験的な真応力-ひずみ応答を用いて材料モデルの1次元バージョンをキャリブレーションすることで達成されます。その後、SHPBセットアップの有限要素（FE）シミュレーションを実行し、試料の平均的な負荷方向、応力、および中心線応力を評価します。

最終ステップでは、1次元材料モデルのフィッティング結果とFEシミュレーションの中心線応力、および3次元FEの負荷方向、応力、実験による真応力-真ひずみ応答を繰り返し比較し、上述の結果の間で良好な一致が得られるまで調整を行います。最終的に、この実験と有限要素法を組み合わせた手法を用いることで、ソフトバイオマテリアルの単軸真応力-真ひずみ応答をSHPBを用いて取得できることが示されます。衝撃波管試験などの既存の手法に対する本手法の主な利点は、ソフトバイオマテリアルの高ひずみ速度における単軸機械的応答を明らかにできる点にあります。

この手法の意義は、仮想人体モデリングを通じた外傷性脳損傷の診断へと広がります。本手法で得られるデータは、人間の頭部への外傷から生じる局所的な損傷やダメージを正確に捉えることができるためです。この手法の着想は、脳の高ひずみ速度実験データと、甲状腺のモデリング結果との相関関係に関する研究に取り組んでいた際に得られました。本手順のデモンストレーションは、獣医師のJim Cooley博士、大学院生のSoro Patnaik氏、およびリサーチアソシエイトのWilburn Wittington氏が行います。獣医師の監督下で、脳、肝臓、筋肉、脂肪、または腱などのブタの臓器を外科的に摘出してください。

その後、一時保存のためにリン酸緩衝生理食塩水（PBS）を満たした容器に入れます。PBS容器を氷冷クーラーで保管し、直ちに試験施設へ搬送して、試料調製およびスプリット・ホプキンスン圧力棒（SHPB）試験を行います。試験施設に到着後、豚の臓器をPBS容器から取り出し、滅菌済みの表面に置きます。

各テストサンプルの主繊維方向と位置を確認します。次に、内径30 millimeterの円筒形ダイを使用して、豚の臓器からテストサンプルを切り出します。続いて、スキャフォールドを用いて、豚サンプルのSHPB試験に規定された厚さとアスペクト比に合わせてサンプルをトリミングします。

厚さは10〜15 mmであり、アスペクト比は0.33〜0.5です。ノギスを用いて、3か所の異なる位置で厚さと直径を測定してください。SHPV試験のため、ストライカーバー、入射バー、および透過バーを金属延長部に配置します。

バーが触れたときに自由に動くこと、およびそれぞれの接合面が互いに揃っていることを確認します。安全のため、透過バーにストッパーを設けてください。ひずみゲージを接続し、入射バーと透過バーを信号増幅器に接続します。

信号コンディショニングアンプとデータ収集モジュール用コンピュータの電源を入れます。次に、高速データキャプチャソフトウェアを初期化します。信号のライブキャプチャを確認し、正常範囲内にあるかを確認した後、ゼロアイコンをクリックしてノイズ信号をゼロ点調整します。

圧力室に隣接してストライカーバーをロードします。窒素タンクのノズルを開き、次に圧力室の入口バルブを開いて、圧力室を目的の圧力まで加圧します。ゼロボタンを押してレーザー速度計をゼロ点調整し、ストライカーバーにリフレクターストリップを貼り付けて、ストライカーバーの速度を読み取れるように設定します。レーザーセンサーの後方に配置してください。

入射バーおよび反射バーの動きを妨げないように、試料閉じ込めチャンバーを配置します。次に、キャリブレーションのために入射バーを透過バーに接触させます。Strykerバーの圧力チャンバーのトリガースイッチをオンにして、試料なしでテストを実行します。

校正後、円柱状の試料を入射バーと透過バーの間に配置し、試料封入チャンバーを閉じます。試料のロードおよびアンロードを繰り返さないようにして、試料に事前処理が行われないようにし、準備が整い次第テストを実施してください。使い捨ての衛生ワイプを使用して、入射バー、透過バー、および試料封入チャンバーから試料の破片を取り除いてください。

すべての廃棄物およびワイプはバイオハザード安全袋に廃棄してください。70% ethanol洗浄液とサニタリーワイプを使用して、バーとサンプル封じ込めチャンバーを消毒してください。

Hopkinsバー波の解析のため、MSUハイレートソフトウェアを開きます。まず設定ウィンドウを確認し、「mode」タブで一軸試験用の「tension compression」オプションを選択します。次に、「gauges」タブで2つのゲージを選択し、「continue」をクリックします。メインウィンドウで、「open file one」タブを選択して入射バーのひずみゲージ記録から入射波データへと進み、続いて「open file two」タブを選択して透過バーのひずみゲージ記録をインポートします。

次に、メインウィンドウのパラメータータブを選択し、バーの寸法、電圧-ひずみ係数、ひずみゲージの位置、および粘弾性分散定数を含むテストセットアップの物理パラメーターを入力します。「continue」をクリックしてください。その後、メインウィンドウのデータ選択タブを選択し、カーソルバーを使用して、入射波、反射波、および透過波を含むデータのみにデータセットを絞り込みます。

「Continue」をクリックします。この時点で、メインウィンドウの「select waves」タブに移動し、カーソルバーを使用して、入射波グラフ内の入射波、反射波グラフ内の反射波、および透過波グラフ内の透過波をそれぞれ指定します。その後、「Continue」をクリックしてください。

その後、メインウィンドウで適切なタブを選択し、ソフトウェアによる粘弾性分散の補正を有効にします。次に、波形グラフのメインウィンドウにあるシフトタブを選択します。カーソルを使用して、入射波、反射波、および透過波を時間軸上の同一の初期位置にドラッグします。

それぞれを個別に選択します。「wave select」タブで、データグラフ内のすべての波形を確認してください。完了後、結果ファイルで「continue」をクリックします。

商用の有限要素解析（FE）ソフトウェアの「名前を付けて保存」をクリックし、荷重負荷位置と速度プロファイルを保存します。SHPB装置のFEモデルを作成し、FEシミュレーションを実行してください。

実験におけるひずみゲージの測定値と有限要素（FE）シミュレーションの結果が良好に一致していることを確認します。生物材料サンプルをSHPB装置のFEモデルに組み込みます。生物材料サンプルに、内部状態変数材料モデルの3次元実装を割り当てます。

内部状態変数材料モデルのパラメータを調整することで、実験の真応力-真ひずみ曲線をモデルの真応力-真ひずみ曲線にキャリブレーションします。次に、SHPB装置のFEモデルにおける生体材料サンプルに、内部状態変数材料定数を割り当てます。続いて、SHPB試験と同じひずみ速度におけるStrykerバー速度およびサンプル変形ひずみ速度を用いて、FEシミュレーションを実行します。

FEモデル校正の第2ステップでは、FEシミュレーションのひずみゲージデータを実行します。SHPB実験の後処理ソフトウェアにはMSU high rate softwareを使用します。最後に、FEモデル試料の中心線要素に沿って、荷重方向応力の体積平均を算出します。

結合された手法の有効性をここで例示します。脳におけるSHPV実験の応力-ひずみ応答は、1次元材料点シミュレーターの応力状態（これはFEサンプルの中心線における応力状態の平均に相当します）と比較して、より低い応力状態にあります。これは、変形の多軸的な性質によるものです。

ここに示されているBioMATのソフトな展示物は、SHPB実験とFEシミュレーションを組み合わせた手法によって得られた脳の代表的な材料定数です。仮想有限要素解析のひずみゲージを実験的なひずみゲージと比較し、同時に材料点シミュレーターとFE中心線平均を比較して、良好な一致を得ています。ここでは、2つ以上の定数が良好に一致するまで、材料定数を変更しています。

この図は、SHPB実験による真応力-ひずみ曲線が、実際には一軸荷重方向の応力-ひずみ挙動ではなく、応力の第1不変量を測定していることを示しています。したがって、一軸挙動を評価するためにFEタイプのモデリングと組み合わせていない場合、SHPBの実験結果のみを使用することは誤りとなります。この手法を習得し、適切に実施すれば、12時間で完了させることができます。

この手順を試みる際は、軟化したワイヤ材料を試験する場合、実験が多軸応力状態になることを念頭に置くことが重要です。