Sprzężona eksperymentalna metodologia modelowania metodą elementów skończonych do oceny reakcji mechanicznej miękkich biomateriałów przy dużej szybkości odkształcania
18 maja 2015
Obecne badanie zaleca metodologię symulacji sprzężonego eksperymentu z elementami skończonymi, aby uzyskać jednoosiową dynamiczną reakcję mechaniczną miękkich biomateriałów (mózg, wątroba, ścięgna, tłuszcz, itp.). Wieloosiowe wyniki eksperymentalne, które powstały z powodu wybrzuszenia próbki uzyskanego z testów prętów ciśnieniowych Split-Hopkinson, zostały przekształcone w jednoosiowe rzeczywiste zachowanie naprężenie-odkształcenie podczas symulacji poprzez iteracyjną optymalizację analizy elementów skończonych
Ogólnym celem niniejszej procedury jest uzyskanie jednowymiarowej odpowiedzi naprężenie-odkształcenie dla prawdziwego naprężenia przy wysokiej prędkości odkształcania badanych miękkich biomateriałów. Osiąga się to najpierw poprzez przebadanie próbki mózgu w urządzeniu z prętem Hopkinsona do prób ściskania (SHPB), a następnie poprzez kalibrację jednowymiarowej wersji modelu materiałowego z eksperymentalną odpowiedzią prawdziwego naprężenia i odkształcenia. Następnie przeprowadzana jest symulacja metodą elementów skończonych (FE) układu SHPB w celu oceny średniego kierunku obciążenia próbki, naprężenia oraz naprężenia w linii środkowej.
Ostatnim krokiem jest iteracyjne porównywanie dopasowania jednowymiarowego modelu materiałowego z naprężeniem w linii środkowej symulacji EF oraz trójwymiarowego kierunku obciążenia EF, naprężenia i eksperymentalnej odpowiedzi naprężenie-odkształcenie rzeczywiste, aż do uzyskania dobrej zgodności między wyżej wymienionymi wynikami. Ostatecznie sprzężona eksperymentalna metodologia elementów skończonych służy do wykazania, że jednowymiarowa odpowiedź naprężenie-odkształcenie rzeczywiste dla miękkich biomateriałów może zostać uzyskana przy użyciu SHPB. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak testy w rurach uderzeniowych, jest to, że pozwala ona na wyznaczenie jednowymiarowej odpowiedzi mechanicznej miękkiego biomateriału przy wysokiej szybkości odkształcenia.
Zastosowania tej techniki rozciągają się na diagnostykę urazowych obrażeń mózgu poprzez wirtualne modelowanie ludzkiego ciała, ponieważ dane uzyskane za pomocą obecnej metody mogą precyzyjnie odwzorować lokalne urazy i uszkodzenia wynikające z urazów ludzkiej głowy. Pomysł na tę metodę pojawił się podczas pracy nad korelacją danych z eksperymentów o wysokiej prędkości odkształcenia mózgu z wynikami modelowania tarczycy. Procedurę tę zaprezentują lekarz weterynarii dr Jim Cooley, doktorant pan Soro Patnaik oraz pracownik naukowy pan Wilburn Wittington. Pod nadzorem lekarza weterynarii chirurgicznie wypreparowano organy świńskie, takie jak mózg, wątroba, mięśnie, tłuszcz lub ścięgna.
Następnie umieść je w pojemnikach wypełnionych solą fizjologiczną z buforem fosforanowym (PBS) do tymczasowego przechowywania. Pojemniki z PBS przechowuj w chłodniczce z lodem i niezwłocznie przetransportuj do placówki badawczej w celu przygotowania próbek oraz przeprowadzenia testów za pomocą pręta Hopkinsa (SHPB). Po dotarciu do placówki badawczej wyjmij organ świni z pojemnika z PBS i połóż go na sterylnej powierzchni.
Zidentyfikuj główną orientację włókien oraz lokalizacje dla każdej próbki testowej. Następnie użyj cylindrycznej wycinaki o średnicy wewnętrznej 30 milimetrów, aby wyciąć próbkę z organu świńskiego. W kolejnym kroku wykorzystaj prowadnicę, aby przyciąć próbkę do wymaganej grubości i współczynnika proporcji dla testów SHPB próbek świńskich.
Grubość wynosi od 10 do 15 milimetrów, a stosunek boków wynosi od 0,33 do 0,5. Użyj suwmiarki, aby zmierzyć grubość i średnicę w trzech różnych miejscach. Umieść pręt uderzający, pręt padający i pręt przechodzący w metalowych przedłużeniach do testów SHPV.
Upewnij się, że pręty poruszają się swobodnie pod dotykiem i że ich powierzchnie styku są ze sobą wyrównane. W celu zapewnienia bezpieczeństwa zamocuj ogranicznik dla pręta transmitującego. Podłącz tensometry, a pręty padającego i transmitującego podłącz do wzmacniacza sygnału.
Włącz wzmacniacze kształtujące sygnał oraz komputer modułu akwizycji danych. Następnie zainicjuj oprogramowanie do szybkiego przechwytywania danych. Zweryfikuj przechwytywanie sygnałów w czasie rzeczywistym, aby sprawdzić, czy mieszczą się one w normalnym zakresie, a następnie wyzeruj sygnały szumowe, klikając ikonę zera.
Załaduj pręt uderzeniowy w sąsiedztwie komory ciśnieniowej. Wytwórz w komorze ciśnieniowej pożądane ciśnienie, otwierając dyszę zbiornika z azotem, a następnie zawór wlotowy komory ciśnieniowej. Wyzeruj miernik prędkości laserowej, naciskając przycisk zero, a następnie ustaw go do pomiaru prędkości pręta uderzeniowego, umieszczając pasek refleksyjny na pręcie uderzeniowym za czujnikami laserowymi.
Umieść komory ograniczające próbkę w taki sposób, aby nie utrudniały one ruchu pręta padającego i odbitego. Następnie, w celu kalibracji, ustaw pręt padający w kontakcie z prętem transmitowanym. Przeprowadź test bez próbki, włączając przełącznik wyzwalający komorę ciśnieniową na pręcie Strykera.
Po kalibracji umieść cylindryczną próbkę pomiędzy prętem padającym a prętem transmitowanym, a następnie zamknij komorę zabezpieczającą próbkę. Upewnij się, że próbka nie została poddana wstępnemu przygotowaniu, unikając wielokrotnego ładowania i wyładowywania próbki, i przeprowadź badanie po zakończeniu testowania. Użyj jednorazowych chusteczek sanitarnych, aby usunąć pozostałości próbki z pręta padającego, pręta transmitowanego oraz komory zabezpieczającej próbkę.
Wszystkie odpady i chusteczki należy wyrzucić do worków na odpady biologiczne. Przetrzeć i zdezynfekować pręty oraz komorę ograniczającą próbkę, używając 70% roztworu etanolu i chusteczek sanitarnych.
Otwórz oprogramowanie MSU high rate do analizy fal w prętach Hopkinsa. Rozpocznij pracę z programem od sprawdzenia okna ustawień i wybrania opcji rozciągania-ściskania (tension compression) w zakładce trybu (mode) dla badań jednowymiarowych. Następnie wybierz dwa tensometry w zakładce tensometrów (gauges) i kliknij kontynuuj. W głównym oknie wybierz zakładkę otwierania pierwszego pliku (open file one) i przejdź do danych fali padającej z zapisu tensometru na pręcie padającym, a następnie wybierz zakładkę otwierania drugiego pliku (open file two), aby zaimportować zapis z tensometru pręta odbijającego.
Następnie wybierz kartę parametrów w głównym oknie i wprowadź parametry fizyczne układu pomiarowego, w tym wymiary pręta, współczynniki przelicznika napięcia na odkształcenie, położenia tensometrów oraz stałe dyspersji wiskoelastycznej. Kliknij kontynuuj. Następnie wybierz kartę wyboru danych w głównym oknie i użyj pasków kursora, aby ograniczyć zbiór danych wyłącznie do zakresu zawierającego fale padające, odbite i przechodzące.
Kliknij kontynuuj. W tym momencie przejdź do karty wyboru fal w głównym oknie i użyj pasków kursora, aby ograniczyć falę padającą na wykresie fali padającej, falę odbitą na wykresie fali odbitej oraz falę przechodzącą na wykresie fali przechodzącej. Następnie kliknij kontynuuj.
Następnie wybierz odpowiednią kartę w głównym oknie, aby umożliwić oprogramowaniu korekcję dyspersji wiskoelastycznej. Teraz w grafie fali wybierz kartę przesunięcia (shift) w głównym oknie. Użyj kursora, aby przesunąć falę padającą, odbitą i przechodzącą do tej samej początkowej pozycji w czasie.
Wybierając każdą z nich pojedynczo. W karcie wyboru fal wyświetl wszystkie fale na wykresie danych. Po zakończeniu kliknij kontynuuj w pliku wyników.
Zapisz profile pozycji i prędkości rozmieszczenia obciążenia, klikając „zapisz jako” w komercyjnym oprogramowaniu do analizy elementów końcowych (FE). Stwórz model FE zestawienia SHPB. Następnie uruchom symulację FE.
Zweryfikuj, czy pomiary tensometrów w eksperymencie i symulacji EF są ze sobą zgodne. Wprowadź próbkę biomateriału do modelu EF układu SHPB. Przypisz trójwymiarową implementację modelu materiałowego ze zmienną stanu wewnętrznego do próbki biomateriału.
Zestaw krzywą prawdziwego naprężenia i odkształcenia z eksperymentu z krzywą prawdziwego naprężenia i odkształcenia modelu poprzez dostrojenie parametrów materiałowych modeli zmiennych stanu wewnętrznego. Następnie przypisz stałe materiałowe zmiennych stanu wewnętrznego do próbki biomateriału w modelu FE dla układu SHPB. W dalszej kolejności uruchom symulację FE z prędkością pręta Strykera i szybkością odkształcenia próbki odpowiadającą testom SHPB przy tej samej szybkości odkształcenia.
W drugim kroku kalibracji modelu EF przeprowadź symulację EF dla danych z tensometrów. Wykorzystaj oprogramowanie do przetwarzania danych z eksperymentów SHPB (MSU high rate software). Na koniec oblicz średnią objętościową naprężeń w kierunku obciążenia wzdłuż elementów linii środkowej próbki w modelu EF.
W niniejszym przypadku zilustrowano skuteczność zastosowanej zintegrowanej metodologii. Eksperymentalna odpowiedź naprężeniowo-odkształceniowa mózgu w systemie SHPV występuje przy niższym stanie naprężenia w porównaniu do stanu naprężenia w jednowymiarowym symulatorze punktu materiałowego, który odpowiada średniemu stanowi naprężenia wzdłuż linii środkowej próbki FE. Wynika to z wieloosiowego charakteru odkształcenia.
Przedstawiony tutaj miękki model BioMAT reprezentuje stałe materiałowe mózgu, uzyskane za pomocą metodologii łączącej eksperyment SHPB z symulacją FE. Wirtualne tensometry analizy elementów skończonych są porównywane z tensometrami eksperymentalnymi, a następnie symulator punktu materiałowego oraz średnia linia środkowa FE są porównywane jednocześnie w celu osiągnięcia dobrej zgodności. W tym przypadku stałe materiałowe są modyfikowane do momentu uzyskania dobrej zgodności dla więcej niż dwóch parametrów.
Rysunek ten pokazuje, że eksperymentalna krzywa prawdziwego naprężenia i odkształcenia uzyskana metodą SHPB w rzeczywistości mierzy pierwszy niezmiennik naprężeń, a nie zachowanie naprężenie-odkształcenie w kierunku jednowymiarowego obciążenia. Zatem wykorzystanie samych wyników eksperymentalnych SHPB byłoby błędne, gdyby nie zostały one powiązane z modelowaniem typu FE w celu oceny zachowania jednowymiarowego. Po opanowaniu tej techniki, przy prawidłowym wykonaniu, procedura ta może zostać zrealizowana w ciągu 12 godzin.
Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać, że eksperymenty wieloosiowe są stosowane podczas testowania miękkich materiałów drutowych.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia metodologię łączącą eksperyment z symulacją metodą elementów skończonych w celu określenia jednowymiarowej dynamicznej odpowiedzi mechanicznej miękkich biomateriałów, takich jak mózg i wątroba. Podejście to obejmuje wykorzystanie testów z użyciem pręta Split-Hopkinsona do uzyskania wieloosiowych wyników eksperymentalnych, które następnie są optymalizowane za pomocą analizy elementów skończonych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Biomechanika
- Inżynieria materiałowa
- Analiza elementów skończonych
Wstęp
- Miękkie biomateriały wykazują złożone zachowania mechaniczne pod wpływem obciążenia dynamicznego.
- Tradycyjne metody testowania mogą nie oddawać precyzyjnie odpowiedzi przy wysokich prędkościach odkształcania.
- Symulacje metodą elementów skończonych mogą pogłębić zrozumienie zachowania materiałów.
- Słup dynamiczny Split-Hopkinsona (SHPB) jest powszechnie stosowanym narzędziem do badań dynamicznych.
Cel badania
- W celu uzyskania odpowiedzi naprężenie-odkształcenie dla miękkich biomateriałów przy jednowymiarowym wysokim tempie odkształcenia.
- W celu zwiększenia dokładności modelowania materiałów poprzez optymalizację iteracyjną.
- W celu wykazania skuteczności połączonej metodologii eksperymentalnej i symulacyjnej.
Zastosowane metody
- Badanie próbek mózgu przy użyciu prętowego urządzenia Split-Hopkinsona (SHPB).
- Kalibracja jednowymiarowego modelu materiału w oparciu o dane eksperymentalne.
- Symulacja metodą elementów skończonych układu SHPB w celu oceny odpowiedzi naprężeń.
- Iteracyjne porównywanie wyników symulacji z danymi eksperymentalnymi w celu optymalizacji.
Główne wyniki
- Metodologia ta pozwoliła na pomyślne odwzorowanie jednowymiarowej odpowiedzi naprężenia rzeczywistego i odkształcenia dla miękkich biomateriałów.
- Osiągnięto dobrą zgodność pomiędzy wynikami eksperymentalnymi a symulowanymi.
- Technika ta okazała się skuteczniejsza od tradycyjnych testów w rurze uderzeniowej w zakresie rejestrowania odpowiedzi przy wysokiej prędkości odkształcania.
- Wykazano potencjał do szerszych zastosowań w badaniach biomateriałów.
Wnioski
- Metoda łącząca eksperymenty z analizą elementów skończonych jest skuteczna w przypadku miękkich biomateriałów.
- Podejście to pozwala na lepsze zrozumienie zachowania materiałów w warunkach dynamicznych.
- Przyszłe badania mogą rozszerzyć tę metodologię o różne rodzaje biomateriałów.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Dokładna mechaniczna charakterystyka miękkich biomateriałów przy wysokich prędkościach odkształcania jest kluczowa dla modelowania predykcyjnego w badaniach nad urazami oraz oceny bezpieczeństwa urządzeń. Ta sprzężona metodologia eksperymentalno-MES pozwala na minimalizację ryzyka podczas walidacji celów, dostarczając ilościowe i powtarzalne dane o naprężeniu i odkształceniu w fizjologicznie istotnych warunkach dynamicznego obciążenia. Podejście to wspiera dopasowanie translacyjnych biomarkerów oraz udoskonalenie modeli przedklinicznych w zastosowaniach neurologicznych i mięśniowo-szkieletowych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia analizę mechanistyczną odpowiedzi tkanek na siły dynamiczne, co wspiera testowanie hipotez dotyczących celów terapeutycznych w neurotraumie i ścieżkach powstawania urazów.
- Wartość operacyjna: Zapewnia ustandaryzowane, ilościowe wyniki pozwalające na porównanie zachowania biomateriałów w różnych modelach chorobowych lub wariantach genetycznych.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Generuje powtarzalne, wysokowierne krzywe odpowiedzi mechanicznej, odpowiednie do standaryzacji testów i porównań międzylaboratoryjnych.
- Wartość operacyjna: Ułatwia opracowanie biomechanicznych odczytów do przesiewania związków lub interwencji mających na celu modulowanie odporności tkanki.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Łączy testy ex vivo z modelowaniem ludzkiego organizmu in silico, zwiększając pewność predykcyjną w badaniach nad mechanizmami urazów.
- Wartość operacyjna: Umożliwia iteracyjną kalibrację modelu w celu poprawy wierności wirtualnych platform przedklinicznych do oceny urazów i urządzeń.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z wczesnymi etapami procesów odkrywania leków, dostarczając danych z fenotypowania biomechanicznego, które pomagają w wyborze celu oraz analizie szlaków sygnałowych przed identyfikacją związku wiodącego.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez związanych z komórkową mechanotransdukcją i integralnością macierzy zewnątrzkomórkowej pod obciążeniem dynamicznym.
- Screening: Dostarcza zestandaryzowane, ilościowe wyniki naprężenia i odkształcenia, umożliwiając wiarygodne porównanie stanów biomateriałów.
- Analityka: Generuje pierwszy niezmiennik naprężeń oraz metryki naprężeń w linii środkowej w celu ilościowego porównania warunków eksperymentalnych i symulowanych.
- Badania translacyjne: Łączy eksperymentalną biomechanikę z modelami ludzkiego ciała opartymi na metodzie elementów skończonych w celu przewidywania urazów i oceny bezpieczeństwa urządzeń.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia wielokrotnego użytku platformę charakterystyki biomechanicznej, którą można zastosować w wielu typach tkanek miękkich i obszarach chorobowych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w modelowaniu odpowiedzi tkanek dzięki powiązanej walidacji eksperymentalno-symulacyjnej.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalność i standaryzację testów o wysokiej prędkości odkształcania w różnych laboratoriach i dla różnych typów próbek.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu projektów związanych z urazami, dostarczając predykcyjnych danych biomechanicznych na wczesnym etapie badań.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację celów z uwzględnieniem ryzyka w oparciu o dane dotyczące redukcji ryzyka biomechanicznego uzyskane przy fizjologicznie istotnych prędkościach odkształcania.
Uwagi dotyczące implementacji
- Wiedza specjalistyczna w zakresie biomechaniki, obsługi prętów Hopkinsona do badań ściskania oraz modelowania metodą elementów skończonych.
- Instrumentacja obejmująca aparat SHPB, tensometry, systemy szybkiego pozyskiwania danych oraz oprogramowanie do symulacji FE.
- Protokoły standaryzacji przygotowania próbek, ich osiowania oraz przetwarzania sygnałów falowych w celu zapewnienia spójności danych.
- Kwestie adaptacyjne dotyczące zróżnicowanych właściwości biomateriałów (np. mózgu w porównaniu z ścięgnem), wymagające rekalibracji modelu.
- Ograniczenia praktyczne obejmują wybrzuszenia próbek, co wymusza analizę naprężeń opartą na niezmiennikach, oraz ograniczenia związane z żywotnością tkanek pośmiertnych.
