Yumuşak Biyomalzeme Yüksek Deformasyon Hızı Mekanik Tepki değerlendirilmesi için Coupled Deney-sonlu Eleman Modelleme Metodolojisi
18 Mayıs 2015
Bu çalışma, yumuşak biyomalzemeler (beyin, karaciğer, tendon, yağ, vs.) tek eksenli dinamik mekanik yanıtını elde etmek için bir deney birleştiğinde-sonlu eleman simülasyon metodolojisi koşuyor. Çünkü numunenin ortaya çıkan eksenli deneysel sonuçlar biyomalzemenin sonlu elemanlar analizinin iteratif optimizasyon ile simüle zaman tek eksenli gerçek gerilme-deformasyon davranışı hale getirildi Split-Hopkinson Basınç Bar testlerden elde edilen şişkin.
Bu prosedürün genel amacı, test edilen yumuşak biyomalzemelerin tek eksenli yüksek gerinim hızındaki gerçek gerilme-gerinim yanıtını elde etmektir. Bu işlem, öncelikle bir beyin örneğinin bölünmüş hopkinson basınç çubuğu veya SHPB cihazında test edilmesi ve ardından malzeme modelinin tek boyutlu versiyonunun deneysel gerçek gerilme-gerinim yanıtı ile kalibre edilmesiyle gerçekleştirilir. Daha sonra, örneğin ortalama yükleme yönünü, gerilmesini ve merkez hattı gerilmesini değerlendirmek için SHPB kurulumunun sonlu elemanlar veya FE simülasyonu yapılır.
Son adım, tek boyutlu malzeme model uyumu ile FE simülasyonu merkez hattı gerilmesi ve üç boyutlu FE yükleme yönü, gerilmesi ve deneysel gerçek gerilme-birim şekil değiştirme yanıtı arasında, söz konusu sonuçlar arasında iyi bir uyum elde edilene kadar yinelemeli olarak karşılaştırma yapmaktır. Nihayetinde, kenetli deneysel sonlu elemanlar metodolojisi, yumuşak biyomalzemeler için tek eksenli gerçek gerilme-birim şekil değiştirme yanıtının bir SHPB kullanılarak elde edilebileceğini göstermek için kullanılır. Bu tekniğin şok tüpü testleri gibi mevcut yöntemlere göre temel avantajı, yumuşak bir biyomalzemenin yüksek birim şekil değiştirme hızındaki tek eksenli mekanik yanıtını ortaya koymasıdır.
Bu tekniğin doğurguları, sanal insan vücudu modellemesi aracılığıyla travmatik beyin hasarının teşhisine kadar uzanmaktadır. Çünkü mevcut yöntemden elde edilen veriler, insan başına gelen travmalardan kaynaklanan lokal yaralanmaları ve hasarları doğru bir şekilde yakalayabilmektedir. Bu yöntemle ilgili ilk fikri, beyin yüksek gerinim hızı deney verilerini tiroid ve modelleme sonuçlarıyla ilişkilendirme üzerine çalışırken edindik. Bu prosedür; veteriner hekim Dr. Jim Cooley, lisansüstü öğrencisi Mr. Soro Patnaik ve araştırma görevlisi Mr. Wilburn Wittington tarafından demonstre edilecektir. Bir veteriner hekim gözetiminde; beyin, karaciğer, kas, yağ veya tendon gibi porsin organlarını cerrahi olarak çıkarın.
Ardından, geçici depolama için bunları fosfat tamponlu salin veya PBS ile doldurulmuş kaplara yerleştirin. PBS kaplarını buzlu bir soğutucuda saklayın ve numune hazırlama ile ayrık Hopkins basınç çubuğu veya SHPB testi için derhal test tesisine nakledin. Test tesisine varıldığında, domuz organını PBS kabından çıkarın ve steril bir yüzeye yerleştirin.
Her bir test örneği için temel lif yönelimini ve konumlarını belirleyin. Ardından, test örneğini domuz organından ayırmak için 30 milimetre iç çaplı silindirik bir kesici kullanın. Sonraki adımda, domuz örneklerinin SHPB testleri için örneği öngörülen kalınlığa ve en-boy oranına getirmek amacıyla bir destek kalıbı kullanarak düzeltme yapın.
Kalınlık 10 ila 15 milimetre, en-boy oranı ise 0,33 ila 0,5'tir. Kalınlığı ve çapı üç farklı noktadan ölçmek için kumpas kullanın. SHPV testi için metal uzantılara bir vuruç çubuğu, gelen dalga çubuğu ve iletilen dalga çubuğu yerleştirin.
Çubukların dokunulduğunda serbestçe hareket ettiğinden ve arayüzlerinin birbirleriyle hizalandığından emin olun. Güvenlik için iletilen çubuğa bir durdurucu yerleştirin. Strain gauge'leri bağlayın, gelen ve iletilen çubukları sinyal amplifikatörüne sabitleyin.
Sinyal koşullandırma amplifikatörlerini ve veri toplama modülü bilgisayarını açın. Ardından yüksek hızlı veri yakalama yazılımını başlatın. Sinyallerin normal aralıkta olup olmadığını görmek için canlı yakalamayı doğrulayın ve sıfır simgesine tıklayarak gürültü sinyallerini sıfırlayın.
Vuruş çubuğunu basınç odasının yanına yerleştirin. Azot tankının nozulunu ve ardından basınç odasının giriş valfini açarak basınç odasını istenen basınca getirin. Sıfırlama düğmesine basarak lazer hız ölçeri sıfırlayın ve vuruş çubuğundaki reflektör şeridini lazer sensörlerinin arkasına yerleştirerek cihazı vuruş çubuğu hızını okuyacak şekilde ayarlayın.
Örnek hapsetme odalarını, gelen ve yansıyan çubuğun hareketini engellemeyecek şekilde yerleştirin. Ardından kalibrasyon amacıyla gelen çubuğu, iletilen çubukla temas edecek şekilde konumlandırın. Stryker çubuğu üzerindeki basınç odası tetikleme anahtarını açarak numunesiz bir test gerçekleştirin.
Kalibrasyonun ardından, silindirik bir numuneyi gelen ve iletilen çubukların arasına yerleştirin ve ardından numune hapsetme odasını kapatın. Numunenin birden fazla kez yüklenip boşaltılmasından kaçınarak numune üzerinde herhangi bir ön işlem uygulanmadığından emin olun ve test işlemini tamamladıktan sonra testi gerçekleştirin. Gelen çubuk, iletilen çubuk ve numune hapsetme odasındaki numune kalıntılarını temizlemek için tek kullanımlık hijyenik mendiller kullanın.
Tüm atıkları ve silme bezlerini biyotehlike güvenlik torbalarına atın. %70 etanol temizleme solüsyonu ve steril silme bezleri kullanarak barları ve numune hapsetme haznesini sterilize edin.
Hopkins bar dalgalarının analizi için MSU yüksek hız yazılımını açın. Yazılımı, ayarlar penceresini inceleyerek ve uni aksiyel test için mod sekmesindeki çekme-basma seçeneğini belirleyerek başlatın. Ayrıca, göstergeler sekmesinden iki gösterge seçin ve devam et'e tıklayın. Ana pencerede, dosya birini aç sekmesini seçin ve gelen bar üzerindeki gerinim ölçer kaydından gelen dalga verilerine gidin; iletilen bar gerinim ölçer kaydını içe aktarmak için dosya ikisini aç sekmesini seçin.
Ardından, ana penceredeki parametreler sekmesini seçin ve çubuk boyutları, voltaj-birim şekil değiştirme faktörleri, şekil değiştirme ölçer (strain gauge) konumları ve viskoelastik dispersiyon sabitleri dahil olmak üzere test düzeneğinin fiziksel parametrelerini girin. Devam et düğmesine tıklayın. Daha sonra ana penceredeki veri seç sekmesini seçin ve veri setini yalnızca gelen, yansıyan ve iletilen dalgaları içeren veri miktarına indirmek için imleç çubuklarını kullanın.
Devam et seçeneğine tıklayın. Bu noktada, ana penceredeki dalga seçme (select waves) sekmesine gidin ve imleç çubuklarını kullanarak gelen dalga grafiğinde gelen dalgayı, yansıyan dalga grafiğinde yansıyan dalgayı ve iletilen dalga grafiğinde iletilen dalgayı sınırlandırın. Ardından devam et seçeneğine tıklayın.
Bundan sonra, yazılımın viskoelastik dispersiyonu düzeltmesine olanak tanımak için ana pencerede ilgili sekmeyi seçin. Şimdi, dalga grafiğindeki ana pencerede kaydırma (shift) sekmesini seçin. İmleci kullanarak gelen, yansıyan ve iletilen dalgaları zaman ekseninde aynı başlangıç konumuna sürükleyin.
Her birini tek tek seçerek. Dalga seçim sekmesinde, veri grafiğindeki tüm dalgaları görüntüleyin. İşlem tamamlandığında, sonuçlar dosyasında devam et seçeneğine tıklayın.
Ticari sonlu elemanlar veya FE yazılımını kullanarak "farklı kaydet" seçeneğine tıklayıp yük yerleştirme konumunu ve hız profillerini kaydedin. SHPB düzeneğinin bir FE modelini oluşturun. Ardından bir FE simülasyonu çalıştırın.
Deneydeki ve FE simülasyonundaki gerinim ölçer ölçümlerinin birbiriyle uyumlu olduğunu doğrulayın. Biyomalzeme örneğini SHPB düzeneğinin FE modeline dahil edin. Biyomalzeme örneğine, iç durum değişkenli malzeme modelinin üç boyutlu bir uygulamasını atayın.
Dahili durum değişkeni malzeme modeli parametrelerini ayarlayarak, deneyin gerçek gerilme-birim şekil değiştirme eğrisini modelin gerçek gerilme-birim şekil değiştirme eğrisi ile kalibre edin. Ardından, dahili durum değişkeni malzeme sabitlerini, SHPB düzeneği için FE modelindeki biyomalzeme örneğine atayın. Sonrasında, FE simülasyonunu, aynı birim şekil değiştirme hızındaki SHPB testlerine karşılık gelen Stryker çubuk hızı ve örnek deformasyon birim şekil değiştirme hızı ile çalıştırın.
FE model kalibrasyonunun ikinci adımında, FE simülasyon gerinim ölçer verilerini çalıştırın. SHPB deney sonrası işlem yazılımı MSU yüksek hız yazılımı. Son olarak, FE model numunesinin merkez hattı elemanları boyunca yükleme yönü gerilmesinin hacim ortalamasını hesaplayın.
Kombine metodolojinin etkinliği burada örneklendirilmiştir. Beyin için SHPV deneysel stres-gerinim yanıtı, FE numune merkez hattı stres durumu ortalamasına benzer olan tek boyutlu malzeme nokta simülatörünün stres durumuna kıyasla daha düşük bir stres durumundadır. Bu durum, deformasyonun çok eksenli doğasından kaynaklanmaktadır.
Burada gösterilen yumuşak BioMAT sergisi, birleştirilmiş SHPB deneyi ile FE simülasyon metodolojisi aracılığıyla elde edilen beyin için temsilci malzeme sabitleridir. Sanal sonlu elemanlar analizi gerinim ölçerler, deneysel gerinim ölçerlerle karşılaştırılır ve ardından iyi bir uyum sağlamak için malzeme nokta simülatörü ile FE merkez hattı ortalaması eş zamanlı olarak karşılaştırılır. Burada malzeme sabitleri, ikiden fazlası iyi bir uyum sağlayana kadar değiştirilir.
Bu şekil, SHPB deneysel gerçek gerilme-birim şekil değiştirme eğrisinin aslında tek eksenli yükleme yönündeki gerilme-birim şekil değiştirme davranışından ziyade, gerilmenin birinci değişmezini ölçtüğünü göstermektedir. Bu nedenle, tek eksenli davranışı değerlendirmek için FE tipi modelleme ile desteklenmediği takdirde, yalnızca SHPB deneysel sonuçlarının kullanılması hatalı olacaktır. Uzmanlaşıldığında, bu teknik uygun şekilde uygulandığı takdirde 12 saat içinde tamamlanabilir.
Bu prosedürü uygularken, yumuşak tel malzemeler test edilirken deneylerin çok eksenli gerilmeler sergilediğini hatırlamak önemlidir.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu çalışma, beyin ve karaciğer gibi yumuşak biyomalzemelerin tek eksenli dinamik mekanik yanıtlarını belirlemek için deney-sonlu elemanlar simülasyonuyla eşleştirilmiş bir metodoloji sunmaktadır. Yaklaşım, çok eksenli deneysel sonuçlar elde etmek için Split-Hopkinson Basınç Çubuğu testlerinin kullanılmasını ve ardından bu sonuçların sonlu elemanlar analizi yoluyla optimize edilmesini içermektedir.
Temel Çalışma Bileşenleri
Bilim Alanı
- Biyomekanik
- Malzeme Bilimi
- Sonlu Elemanlar Analizi
Arka Plan
- Yumuşak biyomalzemeler, dinamik yükleme altında karmaşık mekanik davranışlar sergiler.
- Geleneksel test yöntemleri, yüksek gerinim hızı yanıtlarını doğru bir şekilde yakalayamayabilir.
- Sonlu elemanlar simülasyonları, malzeme davranışının anlaşılmasını geliştirebilir.
- Split-Hopkinson Basınç Çubuğu (SHPB), dinamik testler için yaygın olarak kullanılan bir araçtır.
Çalışmanın Amacı
- Yumuşak biyomalzemelerin tek eksenli yüksek gerinim hızındaki gerçek gerilme-gerinim tepkisini elde etmek.
- Yinelemeli optimizasyon yoluyla malzeme modellemesinin doğruluğunu artırmak.
- Birleşik deneysel ve simülasyon metodolojisinin etkinliğini göstermek.
Kullanılan Yöntemler
- Split-Hopkinson Basınç Çubuğu (SHPB) kullanılarak beyin örneklerinin test edilmesi.
- Bir boyutlu materyal modelinin deneysel verilerle kalibrasyonu.
- Gerilme tepkilerini değerlendirmek için SHPB düzeneğinin sonlu elemanlar simülasyonu.
- Optimizasyon için simülasyon sonuçlarının deneysel verilerle iteratif karşılaştırması.
Ana Sonuçlar
- Yöntem, yumuşak biyomalzemelerin tek eksenli gerçek gerilme-birim şekil değiştirme tepkisini başarıyla sunmuştur.
- Deneysel ve simüle edilmiş sonuçlar arasında iyi bir uyum sağlanmıştır.
- Teknik, yüksek birim şekil değiştirme hızı tepkilerini yakalamada geleneksel şok tüpü testlerinden daha üstün performans göstermiştir.
- Biyomalzeme testlerinde daha geniş uygulama potansiyeli kanıtlanmıştır.
Sonuçlar
- Kombine edilmiş deneysel-sonlu elemanlar metodolojisi, yumuşak biyomalzemeler için etkilidir.
- Bu yaklaşım, malzemenin dinamik koşullar altındaki davranışının anlaşılmasını geliştirir.
- Gelecekteki çalışmalar, bu metodolojiyi çeşitli biyomalzemeler için genişletebilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Yönetici Sektörel Uygunluğu
Yumuşak biyomalzemelerin yüksek gerinim hızındaki mekanik karakterizasyonunun doğru yapılması, travma araştırmalarında öngörücü modelleme ve cihaz güvenliği değerlendirmesi için kritiktir. Bu birleşik deneysel-FE metodolojisi, fizyolojik olarak ilgili dinamik yükleme koşulları altında nicel ve tekrarlanabilir stres-gerinim verileri sağlayarak hedef doğrulamanın risklerinin azaltılmasına olanak tanır. Bu yaklaşım, nörolojik ve kas-iskelet uygulamaları için translasyonel biyobelirteç hizalamasını ve preklinik model geliştirilmesini destekler.
Biyofarma Ar-Ge'sinde Stratejik Uygulamalar
Erken Keşif ve Hedef Doğrulama
- Bilimsel Değer: Dinamik kuvvetlere karşı doku düzeyindeki tepkinin mekanistik olarak sorgulanmasına imkan tanıyarak, nörotravma ve yaralanma yollarındaki hedef hipotez testlerini destekler.
- Operasyonel Değer: Biyomalzeme davranışlarını farklı hastalık modelleri veya genetik varyantlar arasında karşılaştırmak için standartlaştırılmış, kantitatif çıktılar sağlar.
Tarama ve Analiz Geliştirme
- Bilimsel Değer: Analiz standardizasyonu ve laboratuvarlar arası kıyaslama için uygun, tekrarlanabilir ve yüksek sadakatli mekanik yanıt eğrileri oluşturur.
- Operasyonel Değer: Doku dayanıklılığını modüle etmeyi amaçlayan bileşiklerin veya müdahalelerin taranması için biyomekanik okumaların geliştirilmesini kolaylaştırır.
Translasyonel ve Preklinik Araştırmalar
- Bilimsel Değer: Ex vivo testleri in silico insan vücudu modellemesiyle birleştirerek, yaralanma mekanizması çalışmalarındaki öngörü güvenilirliğini artırır.
- Operasyonel Değer: Travma ve cihaz değerlendirmesi için sanal preklinik platformların sadakatini artırmak amacıyla yinelemeli model kalibrasyonuna olanak tanır.
Boru Hattı ve İş Akışı Entegrasyonu
Bu yöntem, öncü bileşik tanımlama öncesinde hedef seçimi ve yolak analizine temel oluşturan biyomekanik fenotipleme verileri sağlayarak erken keşif iş akışlarına entegre olur.
- Keşif Biyolojisi: Dinamik yük altındaki hücresel mekanotransdüksiyon ve hücre dışı matris bütünlüğü ile ilgili hipotezlerin test edilmesini destekler.
- Tarama: Biyomalzeme koşullarının güvenilir bir şekilde karşılaştırılmasına olanak tanıyan standartlaştırılmış, kantitatif stres-gerinim çıktıları sağlar.
- Analitik: Deneysel ve simüle edilmiş koşullar arasında kantitatif karşılaştırma yapmak için stresin birinci invariantı ve merkez hattı stres metriklerini oluşturur.
- Translasyonel Araştırma: Yaralanma tahmini ve cihaz güvenliği değerlendirmesi için deneysel biyomekanikleri, sonlu elemanlı insan vücudu modelleriyle ilişkilendirir.
- Kurumsal Yeniden Kullanım: Birden fazla yumuşak doku tipi ve hastalık alanı genelinde uygulanabilir, yeniden kullanılabilir bir biyomekanik karakterizasyon platformu kurar.
Operasyonel ve Kurumsal Etki
- Bilimsel Değer: Kesişen deneysel-simülasyon doğrulaması aracılığıyla doku yanıt modellemesindeki mekanistik belirsizliği azaltır.
- Operasyonel Değer: Laboratuvarlar ve örnek türleri genelinde yüksek gerilme hızı testlerinin tekrarlanabilirliğini ve standardizasyonunu sağlar.
- Stratejik Değer: Keşif sürecinin erken aşamalarında öngörücü biyomekanik veriler sağlayarak travma ile ilgili programlardaki devam/dur kararlarını iyileştirir.
- Portföy Etkisi: Fizyolojik olarak ilgili gerilme hızlarından elde edilen biyomekanik risk azaltma verilerine dayalı olarak hedeflerin riskten arındırılmış önceliklendirmesini sağlar.
Uygulama Hususları
- Biyomekanik, split-Hopkinson basınç çubuğu kullanımı ve sonlu elemanlar modellemesi konularında uzmanlık.
- SHPB düzeneği, gerinim ölçerler, yüksek hızlı veri toplama sistemleri ve FE simülasyon yazılımı içeren enstrümantasyon.
- Veri tutarlılığını sağlamak amacıyla numune hazırlama, hizalama ve dalga sinyali işleme için standartlaştırma protokolleri.
- Model yeniden kalibrasyonu gerektiren farklı biyomalzeme özellikleri (örneğin, beyin ve tendon karşılaştırması) için adaptasyon değerlendirmeleri.
- Pratik kısıtlamalar arasında, değişmez tabanlı stres analizini gerektiren numune şişmesi ve ölüm sonrası doku canlılığı sınırlamaları yer almaktadır.
