소프트 생체 재료의 높은 변형 속도 기계 응답을 평가하기위한 결합 실험 - 유한 요소 모델링 방법론

본 절차의 전반적인 목표는 테스트 대상인 연성 생체 재료의 단축 고변형률 진응력-변형률 응답을 얻는 것입니다. 이는 먼저 분할 홉킨슨 압축봉(split hopkinson pressure bar, SHPB) 장치에서 뇌 샘플을 테스트한 다음, 실험적으로 얻은 진응력-변형률 응답을 사용하여 재료 모델의 1차원 버전을 보정함으로써 달성됩니다. 이후 SHPB 설정의 유한 요소(FE) 시뮬레이션을 수행하여 샘플의 평균 하중 방향, 응력 및 중심선 응력을 평가합니다.

마지막 단계는 1차원 재료 모델 피팅과 FE 시뮬레이션 중심선 응력, 그리고 3차원 FE 하중 방향, 응력 및 실험적 진 응력-변형률 응답을 반복적으로 비교하여 상기 결과들 사이에 충분한 일치성이 확보될 때까지 진행하는 것입니다. 궁극적으로, 이 결합된 실험적 유한 요소 방법론은 SHPB를 사용하여 연성 바이오 소재의 단축 진 응력-변형률 응답을 얻을 수 있음을 보여주는 데 사용됩니다. 충격 튜브 시험과 같은 기존 방법과 비교하여 이 기술의 주요 장점은 연성 바이오 소재의 고변형률 단축 기계적 응답을 구현할 수 있다는 점입니다.

이 기술의 함의는 가상 인체 모델링을 통한 외상성 뇌 손상 진단으로 확장됩니다. 현재의 방법으로 얻은 데이터는 인간의 머리에 가해진 외상으로 인해 발생하는 국소적 손상과 피해를 정확하게 포착할 수 있기 때문입니다. 저희는 뇌의 고변형률 실험 데이터와 갑상선 및 모델링 결과를 상관시키는 연구를 수행하던 중 이 방법의 아이디어를 처음 얻었습니다. 이 절차의 시연은 수의사 Dr.Jim Cooley, 대학원생 Mr.Soro Patnaik, 그리고 연구원 Mr.Wilburn Wittington이 진행하며, 수의사의 감독하에 뇌, 간, 근육, 지방 또는 힘줄과 같은 돼지의 장기를 외과적으로 적출합니다.

그 다음, 임시 보관을 위해 인산염 완충 식염수 또는 PBS가 채워진 용기에 넣습니다. PBS 용기를 아이스 쿨러에 보관하고, 시료 준비 및 분할 홉킨스 압력봉 또는 SHPB 테스트를 위해 즉시 테스트 시설로 운반합니다. 테스트 시설에 도착하면 돼지 장기를 PBS 용기에서 꺼내 멸균된 표면에 놓습니다.

각 시험편의 주 섬유 방향과 위치를 확인합니다. 그런 다음 내경 30 millimeter인 원통형 다이(dye)를 사용하여 돼지 장기에서 시험편을 절단합니다. 다음으로, 스캐폴드를 사용하여 돼지 시료의 SHPB 시험에 규정된 두께와 가로세로비(aspect ratio)에 맞게 시료를 다듬습니다.

두께는 10 to 15 millimeters이며, 가로세로비는 0.33 to 0.5입니다. 캘리퍼스를 사용하여 세 군데의 서로 다른 위치에서 두께와 직경을 측정하십시오. SHPV 테스트를 위해 금속 확장부에 스트라이커 바, 입사 바 및 투과 바를 배치하십시오.

바가 손으로 만졌을 때 자유롭게 움직이는지 확인하고, 인터페이스가 서로 정렬되었는지 확인하십시오. 안전을 위해 투과 바(transmitted bar)에 스토퍼를 설치하십시오. 스트레인 게이지를 연결하고, 입사 바(incident bar)와 투과 바를 신호 증폭기에 부착하십시오.

신호 조절 증폭기와 데이터 수집 모듈 컴퓨터의 전원을 켭니다. 그런 다음 고속 데이터 캡처 소프트웨어를 초기화합니다. 신호의 실시간 캡처 상태를 확인하여 정상 범위 내에 있는지 확인하고, 제로 아이콘을 클릭하여 노이즈 신호를 제거합니다.

압력 챔버에 인접한 위치에 스트라이커 바를 장착합니다. 질소 탱크의 노즐을 열고 압력 챔버의 입구 밸브를 열어 압력 챔버를 원하는 압력까지 가압합니다. 제로 버튼을 눌러 레이저 속도계를 영점 조절하고, 스트라이커 바에 반사 스트립을 부착하여 레이저 센서 뒤에서 스트라이커 바의 속도를 측정할 수 있도록 설정합니다.

입사 및 반사 바의 이동을 방해하지 않도록 시료 구속 챔버를 배치하십시오. 그런 다음 교정을 위해 입사 바를 투과 바에 접촉시키십시오. Stryker 바의 압력 챔버 트리거 스위치를 켜서 시료 없이 테스트를 실행하십시오.

교정을 마친 후, 원통형 시료를 입사봉과 투과봉 사이에 배치하고 시료 밀폐 챔버를 닫습니다. 시료를 여러 번 로딩 및 언로딩하여 전처리가 수행되지 않도록 주의하고, 테스트가 완료된 후 시험을 진행하십시오. 일회용 위생 물티슈를 사용하여 입사봉, 투과봉 및 시료 밀폐 챔버에서 시료 잔해를 제거하십시오.

모든 잔해물과 와이프를 생물학적 위험 폐기물 봉투에 폐기하십시오. 70% ethanol 세척액과 위생 와이프를 사용하여 바(bar)와 시료 구속 챔버를 소독하십시오.

Hopkins 바 파동 분석을 위해 MSU 고속 소프트웨어를 엽니다. 소프트웨어를 시작하여 설정 창을 확인하고, 단축 시험을 위해 모드 탭에서 인장 압축 옵션을 선택합니다. 또한, 게이지 탭에서 두 개의 게이지를 선택하고 계속하기를 클릭합니다. 메인 창에서 파일 열기 1 탭을 선택하여 입사 바의 스트레인 게이지 기록에서 입사파 데이터를 찾아 선택하고, 파일 열기 2 탭을 선택하여 투과 바의 스트레인 게이지 기록을 가져옵니다.

다음으로, 메인 창에서 parameters 탭을 선택하고 바 치수, 전압-변형률 계수, 스트레인 게이지 위치 및 점탄성 분산 상수를 포함한 테스트 설정의 물리적 파라미터를 입력하십시오. continue를 클릭합니다. 그런 다음 메인 창에서 select data 탭을 선택하고 커서 바를 사용하여 데이터 세트를 입사, 반사 및 투과 파동이 포함된 데이터 양으로만 줄이십시오.

계속하기를 클릭하십시오. 이제 메인 창의 파동 선택(select waves) 탭으로 이동하여 커서 바를 사용하여 입사파 그래프의 입사파, 반사파 그래프의 반사파, 투과파 그래프의 투과파 영역을 각각 지정하십시오. 그런 다음 계속하기를 클릭하십시오.

그 후, 소프트웨어가 점탄성 분산을 보정할 수 있도록 메인 창에서 올바른 탭을 선택하십시오. 이제 웨이브 그래프의 메인 창에서 shift 탭을 선택하십시오. 커서를 사용하여 입사파, 반사파 및 투과파를 시간상 동일한 초기 위치로 드래그하십시오.

각 항목을 개별적으로 선택하십시오. 파장 선택(wave select) 탭에서 데이터 그래프의 모든 파장을 확인합니다. 완료되면 결과 파일에서 계속(continue)을 클릭하십시오.

상용 유한 요소(FE) 소프트웨어의 '다른 이름으로 저장'을 클릭하여 하중 배치 위치와 속도 프로파일을 저장하십시오. SHPB 설정의 FE 모델을 생성한 다음, FE 시뮬레이션을 실행하십시오.

실험에서의 스트레인 게이지 측정값과 FE 시뮬레이션 결과가 잘 일치하는지 확인하십시오. SHPB 장치의 FE 모델에 생체 재료 샘플을 통합하십시오. 생체 재료 샘플에 내부 상태 변수 재료 모델의 3차원 구현 방식을 할당하십시오.

내부 상태 변수 재료 모델 매개변수를 조정하여 실험의 진응력-진변형률 곡선을 모델의 진응력-진변형률 곡선과 보정하십시오. 그런 다음 SHPB 설정의 FE 모델 내 생체 재료 샘플에 내부 상태 변수 재료 상수를 할당하십시오. 이어서 동일한 변형률에서의 SHPB 시험에 해당하는 Stryker 바 속도와 샘플 변형 변형률 속도로 FE 시뮬레이션을 수행하십시오.

FE 모델 보정의 두 번째 단계에서는 FE 시뮬레이션 스트레인 게이지 데이터를 실행하십시오. SHPB 실험 후처리 소프트웨어인 MSU high rate software를 사용합니다. 마지막으로 FE 모델 시료의 중심선 요소들을 따라 하중 방향 응력의 부피 평균을 구하십시오.

여기서 결합된 방법론의 효과를 예시합니다. 뇌에 대한 SHPV 실험 응력-변형률 응답은 1차원 재료 지점 시뮬레이터의 응력 상태와 비교하여 더 낮은 응력 상태에 있으며, 이는 FE 시편 중심선 응력 상태의 평균과 유사합니다. 이는 변형의 다축적 성질 때문입니다.

여기에 표시된 소프트 BioMAT 모델은 SHPB 실험과 FE 시뮬레이션 결합 방법론을 통해 얻은 뇌의 대표적인 재료 상수를 나타냅니다. 가상 유한 요소 분석 스트레인 게이지를 실험적 스트레인 게이지와 비교하고, 이와 동시에 재료 지점 시뮬레이터와 FE 중심선 평균을 비교하여 높은 일치도를 달성합니다. 여기서는 두 개 이상의 값이 잘 일치할 때까지 재료 상수를 변경합니다.

이 그림은 SHPB 실험의 진응력-변형률 곡선이 실제로는 단축 하중 방향의 응력-변형률 거동이 아니라 응력의 제1 불변량을 측정한다는 것을 보여줍니다. 따라서 단축 거동을 평가하기 위한 FE 타입 모델링과 결합하지 않고 SHPB 실험 결과만 사용하는 것은 오류가 될 수 있습니다. 숙달되면, 이 기술은 적절히 수행될 경우 12시간 이내에 완료할 수 있습니다.

이 절차를 수행할 때, 연질 와이어 재료를 테스트하는 경우 다축 응력 실험이 중요하다는 점을 기억하는 것이 중요합니다.