Een combinatie Experiment-eindige elementen modellering Methodologie voor het beoordelen van Hoge Strain Rate mechanische respons van Soft Biomaterialen

Het algemene doel van deze procedure is het verkrijgen van de uni-axiale respons van werkelijke spanning-rek bij een hoge vervormingssnelheid van de geteste zachte biomaterialen. Dit wordt bereikt door eerst een hersenmonster te testen in een split hopkinson drukstaaf of SHPB-apparaat, en vervolgens de eendimensionale versie van het materiaalmodel te kalibreren met de experimentele respons van werkelijke spanning-rek. De finite element of FE-simulatie van de SHPB-opstelling wordt vervolgens uitgevoerd om de gemiddelde belastingsrichting, spanning en centrumlijnspanning van het monster te evalueren.

De laatste stap is om iteratief de fit van het eendimensionale materiaalmodel en de middellijnspanning van de FE-simulatie te vergelijken met de driedimensionale FE-belastingsrichting, de spanning en de experimentele ware spanning-rekrespons, totdat er een goede overeenstemming tussen de bovengenoemde resultaten is bereikt. Uiteindelijk wordt de gekoppelde experimentele finite element-methodologie gebruikt om aan te tonen dat de uniaxiale ware spanning-rekrespons voor zachte biomaterialen kan worden verkregen met behulp van een SHPB. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden, zoals schokbuistests, is dat deze techniek de uniaxiale mechanische respons bij een hoge rekrate van een zacht biomateriaal weergeeft.

De implicaties van deze techniek strekken zich uit tot de diagnose van traumatisch hersenletsel via virtuele modellering van het menselijk lichaam. Dit komt doordat de gegevens die met de huidige methode worden verkregen, lokale letsels en beschadigingen als gevolg van trauma aan de menselijke schedel nauwkeurig kunnen vastleggen. We kregen voor het eerst het idee voor deze methode tijdens het correleren van experimentele gegevens over de hoge rekstroomsnelheid van de hersenen met resultaten uit schildklieronderzoek en modellering. Deze procedure zal worden gedemonstreerd door dierenarts Dr. Jim Cooley, promovendus Mr. Soro Patnaik en onderzoeksmedewerker Mr. Wilburn Wittington. Onder supervisie van een dierenarts worden varkensorganen zoals de hersenen, lever, spieren, vet of pezen chirurgisch verwijderd.

Plaats ze vervolgens in containers gevuld met fosfaatgebufferde zoutoplossing of PBS voor tijdelijke bewaring. Bewaar de PBS-containers in een koelbox met ijs en transporteer ze onmiddellijk naar de testfaciliteit voor monstervoorbereiding en testen met een split Hopkinson-drukstaaf of SHPB. Verwijder bij aankomst in de testfaciliteit het varkensorgaan uit de PBS-container en plaats het op een steriel oppervlak.

Stel de primaire vezeloriëntatie en locaties voor elk testmonster vast. Gebruik vervolgens een cilindrische pons met een binnendiameter van 30 millimeter om het testmonster uit het varkensorgaan te snijden. Gebruik daarna een mal om het monster op de voorgeschreven dikte en aspectratio te trimmen voor SHPB-testen van varkensmonsters.

De dikte bedraagt 10 tot 15 millimeter, terwijl de aspectratio 0,33 tot 0,5 is. Gebruik een schuifmaat om de dikte en diameter op drie verschillende locaties te meten. Plaats een slagstang, een incidentiestang en een transmissiestang in de metalen extensies voor SHPV-testen.

Zorg ervoor dat de staven bij aanraking vrij kunnen bewegen en dat hun interfaces met elkaar zijn uitgelijnd. Plaats voor de veiligheid een stopper voor de getransmitteerde staaf. Verbind de rekstrookjes, bevestigd aan de incidentele en getransmitteerde staven, met de signaalversterker.

Schakel de signaalconditioneringsversterkers en de computer van de data-acquisitiemodule in. Initialiseer vervolgens de software voor hogesnelheidsdatacapture. Controleer de live-registratie van de signalen om te zien of deze binnen het normale bereik liggen en elimineer de ruissignalen door op het nul-icoon te klikken.

Plaats de slagstang naast de drukkamer. Breng de drukkamer op de gewenste druk door eerst de spuier van de stikstoftank en vervolgens de inlaatklep van de drukkamer te openen. Zet de lasersnelheidsmeter op nul door op de nulknop te drukken en stel deze in om de snelheid van de slagstang te meten door de reflectorstrip op de slagstang achter de lasersensoren te plaatsen.

Plaats de monsterbeperkingskamers zodanig dat ze de beweging van de invals- en reflectiebalk niet hinderen. Plaats vervolgens de invalsbalk in contact met de transmissiebalk voor kalibratiedoeleinden. Voer een test uit zonder monster door de triggerschakelaar voor de drukkamer op de Stryker-balk in te schakelen.

Plaats na kalibratie een cilindrisch monster tussen de invallende en de doorgelaten staaf en sluit vervolgens de monsterbehuizing. Zorg ervoor dat er geen conditionering van het monster plaatsvindt door te voorkomen dat het monster meerdere keren wordt geladen en ontladen, en voer de test uit zodra de voorbereiding is voltooid. Gebruik wegwerpreinigingsdoekjes om monsterresten van de invallende staaf, de doorgelaten staaf en de monsterbehuizing te verwijderen.

Voer al het afval en de veegdoekjes af in biohazard-veiligheidszakken. Desinfecteer de staven en de monsterhouder. Gebruik hiervoor een 70% ethanol reinigingsoplossing en desinfectiedoekjes.

Open de MSU high rate software voor de analyse van Hopkins bar-golven. Start de software door het instellingenvenster te bekijken en in het tabblad 'mode' de optie 'tension compression' te kiezen voor uni-axiaal testen. Selecteer daarnaast twee meters in het tabblad 'gauges' en klik op 'continue'. Selecteer in het hoofdvenster het tabblad 'open file one' en navigeer naar de gegevens van de invallende golf uit de rekstrookmeting op de invallende staaf; selecteer vervolgens het tabblad 'open file two' om de rekstrookmeting van de doorgegeven staaf te importeren.

Selecteer vervolgens het tabblad parameters in het hoofdvenster en voer de fysieke parameters van de testopstelling in, waaronder de afmetingen van de staaf, de voltage-rekfactoren, de posities van de rekstapsensoren en de visco-elastische dispersieconstanten. Klik op continue. Selecteer daarna het tabblad select data in het hoofdvenster en gebruik de cursorbalken om de dataset te beperken tot enkel de hoeveelheid gegevens die de invalleide, gereflecteerde en getransmiteerde golven bevatten.

Klik op doorgaan. Navigeer op dit punt naar het tabblad 'select waves' in het hoofdvenster en gebruik de cursorbalken om de invallende golf in de grafiek van de invallende golf, de gereflecteerde golf in de grafiek van de gereflecteerde golf en de doorgelaten golf in de grafiek van de doorgelaten golf af te bakenen. Klik vervolgens op doorgaan.

Select daarna het juiste tabblad in het hoofdvenster om de software de visco-elastische dispersie te laten corrigeren. Selecteer nu het shift-tabblad in het hoofdvenster in de golfgrafiek. Gebruik de cursor om de invallende, gereflecteerde en getransmitteerde golven naar dezelfde beginpositie in de tijd te slepen.

Door elke golf afzonderlijk te selecteren. Bekijk in het tabblad 'wave select' alle golven in de datagraaf. Klik na voltooiing op 'continue' in het resultatenbestand.

Sla de posities van de lastplaatsing en de snelheidsprofielen op door op 'opslaan als' te klikken met behulp van commerciële eindige-elementen- of FE-software. Maak een FE-model van de SHPB-opstelling. Voer vervolgens een FE-simulatie uit.

Verifieer of de rekmetingen in het experiment en de FE-simulatie goed overeenkomen. Integreer het biomateriaalmonster in het FE-model van de SHPB-opstelling. Wijs een driedimensionale implementatie van het materiaalmodel met interne toestandsvariabelen toe aan het biomateriaalmonster.

Kalibreer de curve van werkelijke spanning en rek van het experiment met de curve van werkelijke spanning en rek van het model door de parameters van de materiaalmodellen van de interne toestandsvariabelen aan te passen. Wijs vervolgens de materiaalconstanten van de interne toestandsvariabelen toe aan het biomateriaalmonster in het FE-model voor de SHPB-opstelling. Voer daarna de FE-simulatie uit met de snelheid van de Stryker-staf en de rekssnelheid van de monsterdeformatie die overeenkomen met de SHPB-testen bij dezelfde reksnelheid.

Voer in de tweede stap van de kalibratie van het FE-model de FE-simulatiedata van de rekensensoren uit. Gebruik hiervoor de MSU high rate software voor de post-processing van SHPB-experimenten. Voer tot slot een volumegemiddelde uit van de spanning in de belastingsrichting langs de elementen van de centrumlijn van het FE-modelmonster.

De effectiviteit van de gekoppelde methodologie wordt hier geïllustreerd. De SHPV experimentele spannings-rekrespons voor de hersenen bevindt zich in een lagere spanningstoestand in vergelijking met de spanningstoestand van de eendimensionale materiaalpunt-simulator, welke vergelijkbaar is met de gemiddelde spanningstoestand van de centerlijn van het FE-monster. Dit is te wijten aan het multiaxiale karakter van de vervorming.

De hier getoonde zachte BioMAT-expositie bevat representatieve materiaalkonstanten voor de hersenen, verkregen via de gekoppelde SHPB-experiment- en FE-simulatiemethode. De virtuele rekstrookjes uit de eindige-elementenanalyse worden vergeleken met de experimentele rekstrookjes, waarna gelijktijdig de materiaalpuntsimulator en het FE-gemiddelde van de middellijn worden vergeleken om een goede overeenstemming te bereiken. Hierbij worden de materiaalkonstanten variaties ondergaan totdat er een goede overeenstemming is bij meer dan twee parameters.

Deze figuur laat zien dat de experimentele spanning-rekcurve van de SHPB in feite de eerste invariant van de spanning meet, in plaats van het spanning-rekgedrag in de richting van de enkelassige belasting. Daarom zou het uitsluitend gebruikmaken van de SHPB-experimentele resultaten onjuist zijn als dit niet zou worden gekoppeld aan FE-modellering om het enkelassige gedrag te beoordelen. Eenmaal onder de knie, kan deze techniek in 12 uur worden voltooid als deze correct wordt uitgevoerd.

Tijdens het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om te onthouden dat experimenten multiaxiale spanningen vertonen bij het testen van vervormbare draadmaterialen.