Introduktion
Dynamisk mekanisk analyse (DMA) bruges primært til at analysere polymere materialer, men teknikken kan også anvendes inden for en lang række andre områder. De omfatter forskellige anvendelser i den biomedicinske industri. NETZSCH DMA 303 Eplexor® er en alsidig desktop-enhed, der kan måle i et temperaturområde fra -170 °C til 800 °C (-274 °F til 1472 °F), påføre en kraft fra 1 mN til 50 N og med en frekvens på 0,001 til 150 Hz. Kraft- og frekvensområdet giver mulighed for at simulere mange fysiologiske forhold samt accelereret testning af disse fænomener.
Medicinske implantater og udstyr kategoriseres generelt som udskiftelige (knogleskruer, kemoterapiporte osv.) eller permanente (pacemakere, stents, tandimplantater osv.). Produkter, der er designet til at kunne udskiftes, risikerer infektion og problemer med placeringen, mens permanente produkter skal kunne overleve i flere årtier og modstå de kræfter, som menneskekroppen udsættes for. De fleste voksne har en hvilepuls på mellem 60 og 100 slag i minuttet (gennemsnitligt 1,3 slag i sekundet), hvilket forårsager small pulserende bevægelser i hele kroppen. Normal bevægelse (stående, gående versus løbende, hoppende osv.) resulterer i større lokale belastninger i løbet af en dag.
Når man designer et permanent implantat eller medicinsk udstyr, er det afgørende at forstå den mekaniske ydeevne og evnen til at modstå fysiologiske bevægelser på placeringsstedet gennem årtier.
DMA accelereret udmattelsestestning
NETZSCH udførte accelererede udmattelsestests med en implanterbar chip, der primært var lavet af keramiske materialer, der bruges til fremstilling af mikrochips, såsom silicium og siliciumdioxid. Enheden var ultratynd (10 til 100 μm) og mindre end 1 kvadratcentimeter.
Geometrien i DMA 303 bruger RFID-chips til enkel opsætning og brug. Den enkelte cantilever-geometri blev brugt i denne undersøgelse, fordi den klemmer prøven på plads og giver mulighed for præcis bevægelse selv ved meget høje frekvenser. Oscillation af enheden ved 2,8 μm og 150 Hz i en uge svarer til lige under tre års kontinuerlig pulserende bevægelse i kroppen. I begyndelsen af programmet blev der anvendt en indledende kraft til at hæve den ene ende af prøven, så den matchede den biorelevante geometri på det påtænkte placeringssted for implantatet før oscillation.
Resultater af målinger
Resultaterne af det kontinuerlige forsøg i en uge er vist i figur 1. Den dynamiske deformation blev opretholdt ved 2,8 μm og 150 Hz. Den dynamiske kraft, der kræves for at opnå deformationen, er også vist. Kraftgrænser og belastningsgrænser blev programmeret i kørslen for at sikre kontrol over hele sporet. Ændringen i prøvelængden (dL) på chippen i løbet af forsøget viser, at prøven forbliver intakt og ikke begynder at blive slidt over tid.
En vigtig egenskab ved softwaren til NETZSCH DMA 303 Eplexor® er, at der kan tilføjes triggere til et forsøg for at stoppe kørslen, hvis der sker en bestemt hændelse. I dette forsøg bøjes prøven først, så den afspejler geometrien for den påtænkte placering af implantatet, og denne form opretholdes under hele kørslen. Der blev tilføjet en udløser, så hvis prøvelængden ændrede sig tilbage til vandret, som det ville være tilfældet, hvis prøven knækkede, ville forsøget straks slutte. Dette er især nyttigt for lange forsøg, da brugerne kan anvende triggere til at afslutte programmet, hvis prøven mislykkes, eller et ønsket resultat er nået.
Sammenfatning
DMA 303 Eplexor® tilbyder en bred vifte af frekvens, kraft og temperatur, hvilket gør det til et ideelt instrument til termomekaniske målinger på tværs af en lang række anvendelsesområder. Her beskriver vi instrumentets evne til at gennemføre accelererede udmattelsestest på en implanterbar biomedicinsk enhed. Ved at kunne matche fysiologiske deformationer og kræfter nøjagtigt, samtidig med at oscillationen accelereres op til 150 Hz, kan brugerne gennemføre udmattelsestest på en brøkdel af tiden. Et 10 år langt forsøg med den testede biomedicinske enhed kunne gennemføres på kun 3,5 uger.