Johdanto
Dynaamista mekaanista analyysia (DMA) käytetään ensisijaisesti polymeerimateriaalien analysointiin, mutta tekniikkaa voidaan soveltaa myös monilla muilla aloilla. Näihin kuuluvat muun muassa erilaiset sovellukset biolääketieteellisessä teollisuudessa. NETZSCH DMA 303 Eplexor® on monipuolinen pöytälaite, joka pystyy mittaamaan lämpötilavälillä -170°C - 800°C (-274°F - 1472°F), käyttämään voimaa 1 mN - 50 N ja taajuudella 0,001 - 150 Hz. Voima- ja taajuusalueet mahdollistavat monien fysiologisten olosuhteiden simuloinnin sekä näiden ilmiöiden nopeutetun testauksen.
Lääketieteelliset implantit ja laitteet luokitellaan yleensä vaihdettaviin (luuruuvit, kemoterapiaportit jne.) tai pysyviin (sydämentahdistimet, stentit, hammasimplantit jne.). Vaihdettaviksi suunnitelluissa tuotteissa on infektioiden ja istutukseen liittyvien ongelmien riski, kun taas pysyvien tuotteiden on kestettävä useita vuosikymmeniä ja kestettävä ihmiskehon kokemat voimat. Useimpien aikuisten sydämen lyöntitiheys lepotilassa on 60-100 lyöntiä minuutissa (keskimäärin 1,3 lyöntiä sekunnissa), mikä aiheuttaa small sykkiviä liikkeitä koko kehossa. Normaali liikkuminen (seisominen, käveleminen, juokseminen, hyppääminen jne.) aiheuttaa sitten suurempia paikallisia rasituksia päivän mittaan.
Kun suunnitellaan pysyvää implanttia tai lääkinnällistä laitetta, on ratkaisevan tärkeää ymmärtää mekaaninen suorituskyky ja kyky kestää fysiologisia liikkeitä istutuskohdassa vuosikymmenien ajan.
DMA kiihdytetty väsymistestaus
NETZSCH suoritti kiihdytettyjä väsymistestejä implantoitavalla sirulla, joka on valmistettu pääasiassa mikrosirujen valmistuksessa käytettävistä keraamisista materiaaleista, kuten piistä ja piidioksidista. Laite oli erittäin ohut (10-100 μm) ja alle 1 neliösenttimetrin kokoinen.
DMA 303:n geometrioissa käytetään RFID-siruja, jotka mahdollistavat yksinkertaisen asennuksen ja käytön. Tässä tutkimuksessa käytettiin yksittäistä cantilever-geometriaa, koska se kiinnittää näytteen paikalleen ja mahdollistaa tarkan liikkeen jopa hyvin korkeilla taajuuksilla. Laitteen värähtely 2,8 μm:n ja 150 Hz:n taajuudella viikon ajan vastaa vajaan kolmen vuoden jatkuvaa sykkivää liikettä kehossa. Ohjelman alussa näytteen toista päätä nostettiin alkuvoimalla, jotta se vastaisi implantin aiotun sijoituspaikan biorelevanttia geometriaa ennen värähtelyä.
Mittaustulokset
Kuvassa 1 on esitetty viikon mittaisen jatkuvan kokeen tulokset. Dynaaminen muodonmuutos pidettiin 2,8 μm:n ja 150 Hz:n taajuudella. Myös muodonmuutoksen saavuttamiseen tarvittava dynaaminen voima on esitetty. Ajoajoon ohjelmoitiin voima- ja venymärajat, jotta varmistettiin koko radan hallinta. Sirun näytteen pituuden (dL) muutos kokeen aikana osoittaa, että näyte pysyy ehjänä eikä ala kulua ajan myötä.
NETZSCH DMA 303 Eplexor® -laitteen ohjelmiston keskeinen ominaisuus on se, että koeajoon voidaan lisätä laukaisimia, jotka pysäyttävät ajon tietyn tapahtuman sattuessa. Tässä kokeessa näyte taivutetaan aluksi siten, että se vastaa implantin aiotun paikan geometriaa, ja tämä muoto säilytetään koko ajon ajan. Laukaisulaite lisättiin, jotta jos näytteen pituus muuttuu takaisin vaakasuoraksi, kuten jos näyte rikkoutuu, koe lopetetaan välittömästi. Tämä on erityisen hyödyllistä pitkissä kokeissa, koska käyttäjät voivat käyttää laukaisimia ohjelman lopettamiseksi, jos näyte epäonnistuu tai haluttu tulos saavutetaan.
Yhteenveto
DMA 303 Eplexor® tarjoaa laajan taajuus-, voima- ja lämpötila-alueen, mikä tekee siitä ihanteellisen laitteen termomekaanisiin mittauksiin useilla eri sovellusalueilla. Tässä kuvataan laitteen kykyä suorittaa kiihdytettyjä väsymistestejä implantoitavalle biolääketieteelliselle laitteelle. Koska laite pystyy vastaamaan tarkasti fysiologisia muodonmuutoksia ja voimia ja samalla kiihdyttämään värähtelyä jopa 150 Hz:iin, käyttäjät voivat suorittaa väsymistestauksen murto-osassa ajasta. Testatun biolääketieteellisen laitteen 10 vuotta kestävä tutkimus saatiin päätökseen vain 3,5 viikossa.