Разработка испытательной машины для двухосного тестирования мягких тканей и биоматериалов
Автор: Овсепьян А.Л., Саламатова В.Ю., Рамазанов А.Н., Диц Д.Д., Вартанов О.С., Бардынин Д.Н., Клочко Н.В., Подоровский А.В., Василевский Ю.В.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 4 (102) т.27, 2023 года.
Бесплатный доступ
Планирование операций в кардио- и эндоваскулярной хирургии, травматологии и ортопедии, нейрохирургии, разработка тканеинженерных конструктов требуют знания механических свойств мягких тканей и биоматериалов, которые можно получить только в условиях натурного эксперимента. Поэтому механический эксперимент формирует фундамент систем поддержки принятия врачебных решений, невозможных без адекватных математических моделей вовлеченных процессов. На базе НТУ «Сириус» реализуется проект «Экспериментальное исследование и математическое моделирование механического поведения биоматериалов», целью которого является создание инфраструктуры для экспериментального исследования механики мягких тканей и биоматериалов. На данном этапе разработана и введена в опытную эксплуатацию машина для двухосного испытания мягких тканей и биоматериалов. Разработанная машина учитывает особенности работы с мягкими тканями: малый размер образцов, поддержание определенных условий окружающей среды для сохранения образца, различные виды закрепления образца для минимизации краевых эффектов и исключения проскальзывания, бесконтактные методы оценки полей перемещений и деформаций, вариативность в протоколах нагружения образца. Результатом испытания является набор данных, включающий протокол испытаний и синхронизированные показания тензометрических, температурных, оптоэлектронных датчиков с изображениями высокого разрешения. На разработанной машине проведены одноосные верификационные испытания акриловых лент VHB4910 . Результаты сравнивались с данными, полученными на коммерческом динамическом механическом анализаторе RSA - G2 ( TA Instruments ) для аналогичных материалов при тех же условиях испытаний. Проведен ряд двухосных циклических экспериментов для перикарда крупного рогатого скота, сердечно-сосудистой заплатки Экофолон ПС04/ПС01 (АО «НПК «Экофлон», Санкт-Петербург, Россия), сосудистого трансплантата GoreTex ( W.L. Gore and Associates , США).
Экспериментальная биомеханика, двухосное тестирование, мягкие ткани, экофлон, goretex, перикард
Короткий адрес: https://sciup.org/146282787
IDR: 146282787 | УДК: 531/534: | DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2023.4.01
Development of a testing machine for biaxial testing of soft tissue and biomaterials
Knowledge of the mechanical properties of soft tissues and biomaterials is the keystone for predictive modeling in cardio- and endovascular surgery, traumatology and orthopedics, neurosurgery, and the development of tissue-engineering constructs. Needed mechanical properties can be only explored via experimental tests. Therefore, mechanical experiments are forming the foundation of medical decision support systems, which are impossible without adequate mathematical models of the processes involved. Sirius University of Science and Technology has launched the project "Experimental research and mathematical modeling of the mechanical behavior of biomaterials". The goal of the project is to create an infrastructure for experimental study of the mechanics of soft tissues and biomaterials. At this stage, a machine for biaxial testing of soft tissues and biomaterials has been developed and put into trial operation. The developed machine takes into account the features of working with soft tissues: small sample size, maintaining certain environmental conditions to preserve the sample, various types of sample gripping to minimize edge effects and no slippage, non-contact methods for assessing displacement and deformation fields, variability in sample loading protocols. The result of the test is a data set that includes a test report and synchronized output readings of strain gauge, temperature, optoelectronic sensors with high-resolution images. Uniaxial verification tests of acrylic tapes VHB4910 were carried out by the developed machine. The results were compared with data obtained on a commercial dynamic mechanical analyzer RSA-G2 (TA Instruments) for similar materials under the same test conditions. A series of biaxial cyclic experiments were carried out for the pericardium of cattle, the cardiovascular patch Ecofolon PS04/PS01 (JSC NPK Ecoflon, St. Petersburg, Russia), and the GoreTex vascular graft (W.L. Gore and Associates, USA).
Список литературы Разработка испытательной машины для двухосного тестирования мягких тканей и биоматериалов
- Библиотека для обработки изображений OpenCV. [Электронный ресурс]. - URL: https://docs.opencv.org/ (дата обращения: 25.11.2023)
- Боровков А.И., Маслов Л.Б., Жмайло М.А., Зелинский И.А., Войнов И.Б., Керестень И.А., Мамчиц Д.В., Тихилов Р.М., Коваленко А.Н., Билык С.С., Денисов А.О. Конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния эндопротеза тазобедренного сустава при двухопорном стоянии // Российский журнал биомеханики. - 2018. - Т. 22. -№ 4. - С. 437-458.
- Двухосная испытательная машина Admet. [Электронный ресурс]. - URL: https://www. admet. com/products/biaxial-testing-machines (дата обращения: 25.11.2023)
- Двухосная испытательная машина Biss [Электронный ресурс]. - URL: https://www.biss.in/planar-biaxial.php/ (дата обращения: 25.11.2023)
- Двухосная испытательная машина CellScale. [Электронный ресурс]. - URL: https://www. cellscale. com/products/biotester/ (дата обращения: 25.11.2023)
- Двухосная испытательная машина TestResources. [Электронный ресурс]. - URL: https://www.testresources.net/applications/test-types/planar-biaxial-test/planar-biaxial-tests-of-collagenous-soft-biological-tissues/ (дата обращения: 25.11.2023)
- Двухосная испытательная машина Zwickroell. [Электронный ресурс]. - URL: https://www.zwickroell. com/products/ static-materials-testing-machines/biaxial-and-triaxial-testing-machines/biaxial-testing-machine-for-biomaterials/ (дата обращения: 25.11.2023)
- Клышников К.Ю., Овчаренко Е.А., Онищенко П.С., Стасев А.Н., Брель Н.К., Коков А.Н., Евтушенко А.В., Барбараш Л.С. Численное моделирование гемодинамики бескаркасного биопротеза клапана аорты // Российский журнал биомеханики. - 2021. - Т. 25. - №. 3. - С. 301-312.
- Коммерческий код DIC. [Электронный ресурс]. - URL: 26. https://www.gom.com/en/topics/digital-image-correlation/ (дата обращения: 25.11.2023)
- Лабораторные покрытия Durcon. [Электронный ресурс]. - URL: https://www.durcon.com/solicor-cr-lab-grade/ (дата обращения: 25.11.2023) 27.
- Мелконян К.И., Русинова Т.В., Козмай Я.А., Солоп Е.А., Москалюк О.А., Асякина А.С., Манукян М.М., Гуревич К.Г. Оценка биомеханических свойств материалов на основе дермы для герниопластики // Российский журнал биомеханики. - 2023. - Т. 27, 28. № 2. - С. 10-17.
- Металлы. Методы испытаний на растяжение. [Электронный ресурс]. - URL: https://docs.cntd.ru/document/1200004888/ (дата 29. обращения: 25.11.2023)
- Немавхола Ф., Панделани Т., Нгвангва Г. Применение гиперупругих моделей для описания поведения разных областей овечьего сердца на основе двухосных механических испытаний // Российский журнал биомеханики. - 2022. -Т. 26, № 2. - С. 19-30. 31.
- Открытый код DIC. [Электронный ресурс]. - URL: http://www.ncorr.com/index.php/dic-algorithms/ (дата обращения: 25.11.2023)
- Открытый код DIC. [Электронный ресурс]. - URL: 32. https://mudic.readthedocs.io/en/latest/ (дата обращения: 25.11.2023)
- Пластмассы. Метод испытания на растяжение. [Электронный ресурс]. - URL: 33. https://docs.cntd.ru/document/1200158280/ (дата обращения: 25.11.2023)
- Цифровая корреляция изображений DIC [Электронный ресурс]. - URL: 34. https://digitalimagecorrelation.org/#DICtypes/ (дата обращения: 25.11.2023)
- Chen Y., Zhou S., Li Q. Mathematical modeling of degradation for bulk-erosive polymers: applications in tissue engineering scaffolds and drug delivery systems // Acta Biomaterialia. - 2011. - Vol. 7, No. 3. - P. 1140-1149.
- Chretien A., Daigle M., Hacker A., Rinkel B. Design of a Biaxial Test Device to Measure Soft Tissue Properties // Worcester: Worcester Polytechnic Institute. - 2018.
- Corti A., Shameen T., Sharma S., De Paolis A., Cardoso L. Biaxial testing system for characterization of mechanical and rupture properties of small samples // HardwareX. - 2022. - Vol. 12. - P. e00333.
- de Deus Filho J. C. A., da Silva Nunes L. C., Xavier J. M. C. iCorrVision-2D: An integrated python-based open- source Digital Image Correlation software for in-plane measurements (Part 1) // SoftwareX. - 2022. - Vol. 19.
- Diani J., Fayolle B., Gilormini P. A review on the Mullins effect // European Polymer Journal. - 2009. - Vol. 45, No. 3. - P. 601-612.
- Dover, C.M., Goth, W., Goodbrake, C., Tunnell, J.W., Sacks, M.S. Simultaneous wide-field planar strain-fiber orientation distribution measurement using polarized spatial domain imaging // Annals of Biomedical Engineering. - 2022. - Vol. 50, No. 3. - P. 253-277.
- Durbak E., Tarraf S., Gillespie C., Germano E., Cikach F., Blackstone E., Emerton K., Colbrunn R., Bellini C., Roselli E.E. Ex vivo biaxial load testing analysis of aortic biomechanics demonstrates variation in elastic energy distribution across the aortic zone zero // The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. - 2021. - Vol. 116, No. 3. - P. 701-712. DOI: 10.1016/j.jtcvs.2021.09.071 41.
- Esmaeili, A., George, D., Masters, I., Hossain, M. Biaxial experimental characterizations of soft polymers: review // Polymer Testing. - 2023. - Vol. 128. - P. 108246.
- Fehervary H., Smoljkic M., Vander Sloten J., Famaey N. Planar biaxial testing of soft biological tissue using rakes: A critical analysis of protocol and fitting process // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. - 2016. - Vol. 61. - P. 135-151.
- Fehervary H., Vastmans J., Vander Sloten J., & Famaey N. How important is sample alignment in planar biaxial testing of anisotropic soft biological tissues? A finite element study // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. - 2018. - Vol. 88. - P. 201-216.
- Gasser T.C. Modeling the structural and mechanical properties of the normal and aneurysmatic aortic wall // Multi-scale Extracellular Matrix Mechanics and Mechanobiology. - 2020. - P. 55-82.
- Geris L., Gerisch A., Schugart R. Mathematical modeling in wound healing, bone regeneration and tissue engineering // Acta Biotheoretica. - 2010. - Vol. 58. - P. 355-367.
- Goth, W., Lesicko, J., Sacks, M.S., & Tunnell, J.W. Optical-based analysis of soft tissue structures // Annual Review of Biomedical Engineering. - 2016. - Vol. 18. - P. 357-385.
- Ha H., Kim G.B., Kweon J., Lee S.J., Kim Y.H., Kim, N., Yang D.H. The influence of the aortic valve angle on the hemodynamic features of the thoracic aorta // Scientific reports. - 2016. - Vol. 6, No. 1. - P. 1-14.
- Jiang M., Sridhar R.L., Robbins A.B., Freed A.D., Moreno M.R. A versatile biaxial testing platform for soft tissues // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. - 2021. - Vol. 114. - P. 104144.
- Jones E.M. A good practices guide for digital image correlation // International Digital Image Correlation Society. - 2018. - Vol. 10. - P. 1-101. DOI: 10.32720/idics/gpg.ed1
- Khodaei S., Henstock A., Sadeghi R., Sellers S., Blanke P., Leipsic J., Emadi A., Keshavarz-Motamed Z. Personalized intervention cardiology with transcatheter aortic valve replacement made possible with a non-invasive monitoring and diagnostic framework // Scientific Reports. - 2021. -Vol. 11, No. 1. - P. 1-28.
- Labrosse M.R., Kadem L. Experimental Methods in Cardiovascular Mechanics // Cardiovascular Mechanics. -CRC Press, 2018. - P. 91-128.
- Laurence D.W., Ross C.J., Hsu M.C., Mir A., Burkhart H.M., Holzapfel G.A., Lee C.H. Benchtop characterization of the tricuspid valve leaflet pre-strains // Acta Biomaterialia. - 2022. - Vol. 152. - P. 321-334.
- Liao, Z., Hossain, M., Yao, X., Mehnert, M., & Steinmann, P. On thermo-viscoelastic experimental characterization and numerical modelling of VHB polymer // International Journal of Non-Linear Mechanics. - 2020. - Vol. 118. -P. 1-15. DOI: 10.1016/j.ijnonlinmec.2019.103263
- Loerakker S., Ristori T. Computational modeling for cardiovascular tissue engineering: the importance of including cell behavior in growth and remodeling algorithms // Current Opinion in Biomedical Engineering. -2020. - Vol. 15. - P. 1-9.
- Meinert C., Schrobback K., Hutmacher D.W., Klein T.J. A novel bioreactor system for biaxial mechanical loading enhances the properties of tissue-engineered human cartilage // Scientific Reports. - 2017. - Vol. 7, No. 1. - P. 16997.
- Naserkhaki S., Jaremko J.L., El-Rich M. Effects of interindividual lumbar spine geometry variation on load-sharing: Geometrically personalized Finite Element study // Journal of biomechanics. - 2016. - Vol. 49, No. 13. - P. 2909-2917.
- Oe S., Narita K., Hasegawa K., Natarajan R.N., Yamato Y., Hasegawa T., Yoshida G., Banno T., Arima H., Mihara Y.,
- Ushirozako H., Ide K., Yamada T., Watanabe Y., Matsuyama Y. Longer screws can reduce the stress on the upper instrumented vertebra with long spinal fusion surgery: 47. A finite element analysis study // Global Spine Journal. -2023. - Vol. 13, No. 4. - P. 1072-1079.
- Pearce D., Nemcek M., Witzenburg C. Combining unique planar biaxial testing with full-field thickness and 48. displacement measurement for spatial characterization of soft tissues // Current Protocols. - 2022. - Vol. 2, No. 7.
- Salamatova V.Y., Liogky A.A., Karavaikin P.A., Danilov A.A., Kopylov P.Y., Kopytov G.V., Kosukhin O.N., Pryamonosov R.A., Shipilov A.A., Yurova A.S., 49. Vassilevski Y.V. Numerical assessment of coaptation for auto-pericardium based aortic valve cusps // Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. - 2019. - Vol. 34, No. 5. - P. 277-287. 50.
- Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. [Электронный ресурс]. -URL: https://www.astm.org/d3039_d3039m-08.html/ (дата обращения: 25.11.2023)
- Sutton M.A., Orteu J.J., Schreier H. Image correlation for shape, motion and deformation measurements: basic 51. concepts, theory and applications. - Springer Science & Business Media, 2009.
- Tensile Testing of Metallic Materials. [Электронный ресурс]. - URL: https://www. iso.org/ru/standard/78322 .html (дата обращения: 25.11.2023)
