Introduzione
Sebbene l'analisi meccanica dinamica (DMA) sia utilizzata principalmente per analizzare i materiali polimerici, la tecnica può essere applicata anche a un'ampia gamma di altri settori. Tra questi, diverse applicazioni nell'industria biomedica. Il DMA 303 Eplexor® di NETZSCH è un dispositivo da tavolo versatile in grado di misurare in un intervallo di temperatura compreso tra -170°C e 800°C (-274°F e 1472°F), applicando una forza che va da 1 mN a 50 N e a una frequenza compresa tra 0,001 e 150 Hz. La forza e la frequenza consentono di simulare molte condizioni fisiologiche e di eseguire test accelerati di tali fenomeni.
Gli impianti e i dispositivi medici sono generalmente classificati come sostituibili (viti ossee, porte per chemioterapia, ecc.) o permanenti (pacemaker, stent, impianti dentali, ecc.). I prodotti progettati per essere sostituiti corrono il rischio di infezioni e problemi di posizionamento, mentre i prodotti permanenti devono essere in grado di sopravvivere per diversi decenni e di resistere alle forze che il corpo umano subisce. La maggior parte degli adulti ha una frequenza cardiaca a riposo compresa tra 60 e 100 battiti al minuto (in media 1,3 battiti al secondo), che provoca small movimenti pulsatili in tutto il corpo. La normale locomozione (in piedi, camminando, correndo, saltando, ecc.) comporta poi una maggiore quantità di sollecitazioni localizzate nel corso della giornata.
Quando si progetta un impianto o un dispositivo medico permanente, è fondamentale comprendere le prestazioni meccaniche e la capacità di resistere ai movimenti fisiologici nel sito di posizionamento per decenni.
Prove di fatica accelerata DMA
NETZSCH ha eseguito prove di fatica accelerata su un chip impiantabile realizzato principalmente con materiali ceramici utilizzati nella produzione di microchip, come il silicio e il biossido di silicio. Il dispositivo era ultrasottile (da 10 a 100 μm) e inferiore a 1 cm quadrato.
Le geometrie del DMA 303 utilizzano chip RFID per semplificare la configurazione e l'uso. La geometria a singolo cantilever è stata utilizzata in questa indagine perché blocca il campione in posizione consentendo un movimento preciso anche a frequenze molto elevate. Oscillare il dispositivo a 2,8 μm e 150 Hz per una settimana corrisponde a poco meno di tre anni di movimento pulsatile continuo nel corpo. All'inizio del programma, è stata applicata una forza iniziale per sollevare un'estremità del campione in modo che corrispondesse alla geometria biologicamente rilevante del sito di posizionamento previsto per l'impianto prima dell'oscillazione.
Risultati della misurazione
I risultati della prova continua di una settimana sono illustrati nella Figura 1. La deformazione dinamica è stata mantenuta a 2,8 μm e 150 Hz. È mostrata anche la forza dinamica necessaria per ottenere la deformazione. I limiti di forza e di deformazione sono stati programmati nella corsa per garantire il controllo dell'intero percorso. La variazione della lunghezza del campione (dL) del chip nel corso della prova mostra che il campione rimane intatto e non inizia a consumarsi nel tempo.
Un attributo chiave del software di NETZSCH DMA 303 Eplexor® è la possibilità di aggiungere dei trigger a una prova per interrompere la corsa, se si verifica un evento specifico. Per questa prova, il campione viene inizialmente piegato in modo da riflettere la geometria del posizionamento previsto dell'impianto e tale forma viene mantenuta per l'intero corso della prova. È stato aggiunto un trigger in modo che se la lunghezza del campione torna ad essere orizzontale, come nel caso di una rottura del campione, la prova termina immediatamente. Questo è particolarmente utile per le prove lunghe, in quanto gli utenti possono applicare dei trigger per terminare il programma, nel caso in cui il campione fallisca o venga raggiunto un risultato desiderato.
Sintesi
Il DMA 303 Eplexor® offre un'ampia gamma di frequenze, forze e temperature, che lo rendono uno strumento ideale per le misure termomeccaniche in un'ampia gamma di settori applicativi. Qui abbiamo descritto la capacità dello strumento di completare prove di fatica accelerata su un dispositivo biomedico impiantabile. La capacità di riprodurre accuratamente le deformazioni e le forze fisiologiche, accelerando l'oscillazione fino a 150 Hz, consente agli utenti di completare le prove di fatica in una frazione di tempo. Un test della durata di 10 anni per il dispositivo biomedico testato ha potuto essere completato in sole 3,5 settimane.