Introducción
Aunque el Análisis Mecánico Dinámico (AMD) se utiliza principalmente para analizar materiales poliméricos, la técnica también puede aplicarse a una amplia gama de otros campos. Entre ellos se incluyen diversas aplicaciones en la industria biomédica. El NETZSCH DMA 303 Eplexor® es un versátil dispositivo de sobremesa capaz de medir en un rango de temperatura de -170°C a 800°C (-274°F a 1472°F), aplicando una fuerza que oscila entre 1 mN y 50 N, y a una frecuencia de 0,001 a 150 Hz. El rango de fuerza y frecuencia permite simular muchas condiciones fisiológicas, así como realizar pruebas aceleradas de esos fenómenos.
Los implantes y dispositivos médicos suelen clasificarse en reemplazables (tornillos óseos, puertos de quimioterapia, etc.) o permanentes (marcapasos, stents, implantes dentales, etc.). Los productos diseñados para ser reemplazables corren el riesgo de infección y problemas de colocación, mientras que los productos permanentes deben ser capaces de sobrevivir varias décadas y soportar las fuerzas que experimenta el cuerpo humano. La mayoría de los adultos tienen un ritmo cardiaco en reposo de entre 60 y 100 latidos por minuto (con una media de 1,3 latidos por segundo), lo que provoca movimientos pulsátiles en todo el cuerpo ( small ). La locomoción normal (estar de pie, caminar frente a correr, saltar, etc.) provoca entonces mayores magnitudes de tensiones localizadas a lo largo de un día.
A la hora de diseñar un implante permanente o un dispositivo médico, es fundamental comprender el rendimiento mecánico y la capacidad de soportar movimientos fisiológicos en el lugar de colocación durante décadas.
Pruebas de fatiga acelerada DMA
NETZSCH realizó pruebas de fatiga acelerada con un chip implantable fabricado principalmente con materiales cerámicos utilizados en la fabricación de microchips, como el silicio y el dióxido de silicio. El dispositivo era ultrafino (de 10 a 100 μm) y de menos de 1 cm cuadrado.
Las geometrías del DMA 303 utilizan chips RFID para facilitar su configuración y uso. En esta investigación se utilizó la geometría de voladizo único porque sujeta la muestra en su sitio permitiendo un movimiento preciso incluso a frecuencias muy altas. La oscilación del dispositivo a 2,8 μm y 150 Hz durante una semana corresponde a algo menos de tres años de movimiento pulsátil continuo en el cuerpo. Al principio del programa, se aplicó una fuerza inicial para elevar un extremo de la muestra de modo que coincidiera con la geometría biorrelevante del lugar previsto de colocación del implante antes de la oscilación.
Resultados de las mediciones
Los resultados del ensayo continuo de una semana se muestran en la figura 1. La deformación dinámica se mantuvo a 2,8 μm y 150 Hz. También se muestra la fuerza dinámica necesaria para lograr la deformación. Se programaron límites de fuerza y límites de deformación en la ejecución para garantizar el control durante todo el recorrido. El cambio en la longitud de la muestra (dL) del chip a lo largo del ensayo muestra que la muestra permanece intacta y no comienza a desgastarse con el tiempo.
Un atributo clave del software para el NETZSCH DMA 303 Eplexor® es que se pueden añadir disparadores a un ensayo para detener la ejecución, en caso de que se produzca un evento específico. En este ensayo, la muestra se dobla inicialmente para reflejar la geometría de la colocación prevista del implante y esa forma se mantiene durante todo el ensayo. Se añadió un disparador para que si la longitud de la muestra volvía a ser horizontal, como ocurriría si la probeta se rompiera, el ensayo finalizara inmediatamente. Esto resulta especialmente útil para ensayos largos, ya que los usuarios pueden aplicar disparadores para finalizar el programa, en caso de que la probeta falle o se alcance un resultado deseado.
Resumen
El DMA 303 Eplexor® ofrece una amplia gama de frecuencias, fuerzas y temperaturas, lo que lo convierte en un instrumento ideal para mediciones termomecánicas en una amplia gama de áreas de aplicación. En este artículo describimos la capacidad del instrumento para realizar ensayos de fatiga acelerada en un dispositivo biomédico implantable. La capacidad de igualar con precisión las deformaciones y fuerzas fisiológicas, al tiempo que se acelera la oscilación hasta 150 Hz, permite a los usuarios completar las pruebas de fatiga en una fracción del tiempo. Un ensayo de 10 años de duración para el dispositivo biomédico sometido a prueba pudo completarse en sólo 3,5 semanas.