Dwuosiowe badanie biomateriałów
W celu odpowiedniego modelowania należy najpierw dokładnie określić zachowanie mechaniczne i powodującą je (podstawową) strukturę tkanki. Ponieważ tkanki biologiczne są coraz bardziej narażone na obciążenia wieloosiowe w grupie fizycznej, istnieje zapotrzebowanie na maszynę badawczą do badania tych obciążeń, które wywierają obciążenia wieloosiowe na próbkę tkanki.
W rezultacie opracowano dwuosiową maszynę wytrzymałościową zaprojektowaną specjalnie do charakteryzowania mechanicznego miękkich materiałów naturalnych i sztucznych. Integruje cztery napędy liniowe, które są niezależnie sterowane poprzez położenie, siłę lub wydłużenie. Siłę mierzy się za pomocą (wodoszczelnych) przetworników siły, po dwa w kierunkach X i Y. Istnieją również cztery elektroniczne zespoły pomiarowe, sterujące i regulacyjne oraz zbiornik na ciecz zapewniający optymalną kontrolę temperatury medium. Maksymalna siła badawcza wynosi 100 N na przetwornik, rozdzielczość sięga 0,6 mN. Droga przemieszczenia przy pomiarze na rozciąganie wynosi 50 mm (rozdzielczość 0,1 μm), a maksymalna prędkość wynosi 2000 mm/min.
Oprócz zaciskowych urządzeń mocujących, próbki można połączyć z głowicami pomiaru siły za pomocą haczyków i linek z obrotowym urządzeniem zaciskowym. Urządzenie to powoduje równomierne wprowadzenie siły do próbki, a tym samym równomierny rozkład siły w próbce. Kolejną dużą zaletą dwuosiowej maszyny wytrzymałościowej jest laserowy ekstensometr plamkowy. Umożliwia bezkontaktowy, dwuwymiarowy pomiar wydłużenia i odkształceń bez konieczności oznaczania próbek. Zasada pomiaru opiera się na ocenie wzorów plamek, które powstają w wyniku oświetlenia powierzchni próbki laserem, są tam odbijane i rejestrowane kamerą.
Próbka naturalnego biomateriału jest najpierw badana eksperymentalnie w laboratorium, następnie dane te są przedstawiane w modelu matematycznym i ostatecznie przenoszone do modelu komputerowego. Na podstawie właściwości materiału określonych za pomocą dwuosiowej maszyny wytrzymałościowej, m.in. można śledzić wirtualną rekonstrukcję ściany serca i badać przewidywalność (patologicznego) zachowania ściany serca.
Alternatywne rozwiązania badawcze
Kolejna dwuosiowa maszyna wytrzymałościowa składa się z 4 elektromechanicznych cylindrów badawczych, każdy o nośności 1 kN i skoku 200 mm. Zmiana długości badanej próbki rejestrowana jest za pomocą ekstensometru laserXtens/videoXtens. Sterowanie temperaturą łaźni wodnej jest zintegrowane bezpośrednio.
Trójosiowe badanie biomateriałów i tkanek
Aby móc określić właściwości ścinające miękkich tkanek biologicznych (ortotropowych), opracowano i skonstruowano system badawczy do zastosowań trójosiowych. Maszyna wytrzymałościowa składa się z dwóch głównych komponentów:
Platformy górnej, która może poruszać się w pionie (w kierunku z) oraz platformy dolnej, która może poruszać się w płaszczyźnie poziomej w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach (kierunki x i y). Podczas badania próbkę tkanki łączy się z platformą górną i dolną cienką warstwą superkleju i zanurza w odpowiednim roztworze fizjologicznym o kontrolowanej temperaturze. Dolna platforma porusza się względem poziomo zamocowanej górnej platformy, ścinając próbkę. Siły występujące w trzech prostopadłych kierunkach (kierunki x, y i z) można mierzyć jednocześnie za pomocą specjalnego czujnika tensometrycznego zamontowanego na górnej platformie.
Droga przemieszczenia prostopadłych do siebie napędów liniowych x i y wynosi ±14 mm (rozdzielczość przesuwu 0,25 µm) przy maksymalnej prędkości 3000 mm/min. Maksymalna siła badawcza 3-osiowego czujnika siły w każdym z trzech kierunków wynosi 2 N, a dokładność pomiaru określa się na 0,5% wartości zmierzonej. Zachowanie przesłuchowe czujnika siły pomiędzy kierunkami x i y jest większy niż 0,5% wartości końcowej, a pomiędzy x/y i z jest większy niż 1% wartości końcowej.
