Bevezetés
Bár a dinamikus mechanikai analízist (DMA) elsősorban polimer anyagok elemzésére használják, a technika számos más területen is alkalmazható. Ezek közé tartoznak a biomedicinális iparban történő változatos alkalmazások. A NETZSCH DMA 303 Eplexor® egy sokoldalú asztali készülék, amely -170°C és 800°C (-274°F és 1472°F) közötti hőmérséklet-tartományban, 1 mN és 50 N közötti erő alkalmazásával és 0,001 és 150 Hz közötti frekvencián képes mérni. Az erő- és frekvenciatartomány lehetővé teszi számos fiziológiai állapot szimulációját, valamint e jelenségek gyorsított vizsgálatát.
Az orvosi implantátumokat és eszközöket általában cserélhető (csontcsavarok, kemoterápiás portok stb.) vagy állandó (pacemakerek, sztentek, fogászati implantátumok stb.) kategóriákba sorolják. A cserélhetőre tervezett termékeknél fennáll a fertőzés és a behelyezési problémák kockázata, míg a tartós termékeknek több évtizedet kell kibírniuk, és ellen kell állniuk az emberi testet érő erőknek. A legtöbb felnőtt nyugalmi szívritmusa 60 és 100 ütés/perc között van (átlagosan 1,3 ütés/másodperc), ami a small pulzáló mozgásokat okoz az egész testben. A normális mozgás (állás, járás, szemben a futással, ugrálással stb.) aztán a nap folyamán nagyobb nagyságrendű lokális igénybevételeket eredményez.
Egy tartós implantátum vagy orvosi eszköz tervezésekor kritikus fontosságú a mechanikai teljesítmény és a fiziológiai mozgások évtizedeken át tartó elviselésére való képesség megértése a beültetés helyén.
DMA gyorsított fáradásvizsgálat
NETZSCH gyorsított fáradási vizsgálatokat végzett egy beültethető chipen, amely elsősorban a mikrochipek gyártása során használt kerámiaanyagokból, például szilíciumból és szilícium-dioxidból készült. Az eszköz ultravékony (10-100 μm) és kevesebb mint 1 négyzetcentiméteres volt.
A DMA 303 geometriái az egyszerű beállítás és használat érdekében RFID-chipeket használnak. Az egyetlen konzolos geometriát azért használták ebben a vizsgálatban, mert ez a mintát a helyére szorítja, lehetővé téve a pontos mozgást még nagyon magas frekvenciákon is. Az eszköz 2,8 μm-es és 150 Hz-es rezgése egy héten keresztül megfelel a testben történő folyamatos pulzáló mozgásnak, ami alig három évnek felel meg. A program kezdetén a minta egyik végének megemeléséhez kezdeti erőt alkalmaztunk, hogy az oszcilláció előtt az implantátum tervezett beültetési helyének bioreleváns geometriájához igazodjon.
Mérési eredmények
Az egyhetes folyamatos vizsgálat eredményeit az 1. ábra mutatja. A dinamikus deformációt 2,8 μm-en és 150 Hz-en tartottuk. A deformáció eléréséhez szükséges dinamikus erő is látható. Az erő- és alakváltozási határértékeket a futásba programoztuk be, hogy a teljes pályán biztosítsuk az ellenőrzést. A chip mintahosszának (dL) változása a kísérlet során azt mutatja, hogy a minta sértetlen marad, és nem kezd el kopni az idő múlásával.
A NETZSCH DMA 303 Eplexor® szoftverének egyik legfontosabb jellemzője, hogy a kísérlethez triggereket lehet hozzáadni, amelyek egy meghatározott esemény bekövetkezése esetén megállítják a futást. Ehhez a vizsgálathoz a mintát kezdetben úgy hajlítják meg, hogy az tükrözze az implantátum tervezett elhelyezésének geometriáját, és ezt az alakot a futtatás teljes időtartama alatt megtartják. A kísérletet egy kiváltó funkcióval egészítettük ki, hogy ha a minta hossza visszaváltozik vízszintesre, mint például a minta törése esetén, a kísérlet azonnal befejeződjön. Ez különösen hasznos a hosszú próbák esetében, mivel a felhasználók triggereket alkalmazhatnak a program befejezésére, ha a minta meghibásodik vagy a kívánt eredményt elérik.
Összefoglaló
A DMA 303 Eplexor® széles frekvencia-, erő- és hőmérséklet-tartományt kínál, ami ideális eszközzé teszi a termomechanikai mérésekhez az alkalmazási területek széles skáláján. A következőkben ismertettük a műszer képességét egy beültethető orvosbiológiai eszköz gyorsított fáradásvizsgálatának elvégzésére. Azzal, hogy képes pontosan megfeleltetni a fiziológiai deformációkat és erőket, miközben az oszcillációt 150 Hz-re gyorsítja, a felhasználók az idő töredéke alatt végezhetik el a fáradásvizsgálatot. A vizsgált orvosbiológiai eszköz 10 éves vizsgálatát mindössze 3,5 hét alatt lehetett elvégezni.