Úvod
Dynamická mechanická analýza (DMA) se primárně používá k analýze polymerních materiálů, ale tuto techniku lze použít i v celé řadě dalších oblastí. Patří mezi ně různé aplikace v biomedicínském průmyslu. Přístroj NETZSCH DMA 303 Eplexor® je univerzální stolní přístroj, který je schopen měřit v rozsahu teplot od -170 °C do 800 °C (-274°F až 1472°F), působit silou od 1 mN do 50 N a při frekvenci 0,001 až 150 Hz. Rozsah síly a frekvence umožňuje simulaci mnoha fyziologických podmínek i zrychlené testování těchto jevů.
Lékařské implantáty a přístroje se obecně dělí na vyměnitelné (kostní šrouby, porty pro chemoterapii atd.) nebo trvalé (kardiostimulátory, stenty, zubní implantáty atd.). U výrobků určených k výměně hrozí riziko infekce a problémů s umístěním, zatímco trvalé výrobky musí vydržet několik desetiletí a odolat silám, které působí na lidské tělo. Většina dospělých má klidovou tepovou frekvenci mezi 60 a 100 údery za minutu (průměrně 1,3 úderu za sekundu), což způsobuje small pulzující pohyby v celém těle. Běžná lokomoce (stání, chůze versus běh, skoky atd.) pak v průběhu dne způsobuje větší velikost lokálního namáhání.
Při navrhování trvalého implantátu nebo zdravotnického prostředku je rozhodující porozumět mechanickým vlastnostem a schopnosti odolávat fyziologickým pohybům v místě umístění po desetiletí.
Zrychlené únavové zkoušky DMA
NETZSCH provedl zrychlené únavové zkoušky s implantabilním čipem vyrobeným převážně z keramických materiálů používaných při výrobě mikročipů, jako je křemík a oxid křemičitý. Zařízení bylo ultratenké (10 až 100 μm) a mělo plochu menší než 1 cm2.
Geometrie DMA 303 využívá čipy RFID pro jednoduché nastavení a použití. Při tomto zkoumání byla použita geometrie s jedním konzolovým prvkem, protože upíná vzorek na místě a umožňuje přesný pohyb i při velmi vysokých frekvencích. Oscilace zařízení při 2,8 μm a 150 Hz po dobu jednoho týdne odpovídá necelým třem letům nepřetržitého pulzujícího pohybu v těle. Na začátku programu byla použita počáteční síla, aby se jeden konec vzorku zvedl tak, aby odpovídal biorelevantní geometrii zamýšleného místa umístění implantátu před oscilací.
Výsledky měření
Výsledky týdenního kontinuálního pokusu jsou uvedeny na obrázku 1. Dynamická deformace byla udržována na hodnotě 2,8 μm a 150 Hz. Je rovněž zobrazena dynamická síla potřebná k dosažení deformace. Do běhu byly naprogramovány mezní hodnoty síly a deformace, aby byla zajištěna kontrola po celé dráze. Změna délky vzorku (dL) čipu v průběhu pokusu ukazuje, že vzorek zůstává neporušený a nezačne se v průběhu času opotřebovávat.
Klíčovou vlastností softwaru pro NETZSCH DMA 303 Eplexor® je, že do zkoušky lze přidat spouštěče, které zastaví průběh, pokud nastane určitá událost. Při této zkoušce je vzorek zpočátku ohnut tak, aby odrážel geometrii zamýšleného umístění implantátu, a tento tvar je zachován po celou dobu zkoušky. Byl přidán spouštěč, aby se v případě změny délky vzorku zpět do vodorovné polohy, jako by tomu bylo v případě zlomení vzorku, zkouška okamžitě skončila. To je užitečné zejména u dlouhých zkoušek, protože uživatelé mohou použít spouštěče pro ukončení programu, pokud vzorek selže nebo je dosaženo požadovaného výsledku.
Souhrn
DMA 303 Eplexor® nabízí široký rozsah frekvence, síly a teploty, což z něj činí ideální přístroj pro termomechanická měření v širokém spektru aplikací. Zde jsme popsali schopnost přístroje provádět zrychlené únavové zkoušky na implantabilním biomedicínském zařízení. Schopnost přesně odpovídat fyziologickým deformacím a silám při současném zrychlení oscilací až na 150 Hz umožňuje uživatelům dokončit únavové zkoušky ve zlomku času. Desetiletou zkoušku testovaného biomedicínského zařízení bylo možné dokončit za pouhých 3,5 týdne.