Wprowadzenie
Chociaż dynamiczna analiza mechaniczna (DMA) jest wykorzystywana głównie do analizy materiałów polimerowych, technika ta może być również stosowana w wielu innych dziedzinach. Obejmują one różnorodne zastosowania w przemyśle biomedycznym. Model NETZSCH DMA 303 Eplexor® to wszechstronne urządzenie stacjonarne zdolne do pomiarów w zakresie temperatur od -170°C do 800°C (-274°F do 1472°F), przy zastosowaniu siły od 1 mN do 50 N i częstotliwości od 0,001 do 150 Hz. Zakres siły i częstotliwości pozwala na symulację wielu warunków fizjologicznych, a także przyspieszone testowanie tych zjawisk.
Implanty i urządzenia medyczne są ogólnie klasyfikowane jako wymienne (śruby kostne, porty do chemioterapii itp.) lub stałe (rozruszniki serca, stenty, implanty dentystyczne itp.). Produkty przeznaczone do wymiany wiążą się z ryzykiem infekcji i problemów z umieszczeniem, podczas gdy produkty trwałe muszą być w stanie przetrwać kilka dziesięcioleci i wytrzymać siły, których doświadcza ludzkie ciało. U większości osób dorosłych tętno spoczynkowe wynosi od 60 do 100 uderzeń na minutę (średnio 1,3 uderzenia na sekundę), co powoduje small pulsacyjne ruchy całego ciała. Normalna lokomocja (stanie, chodzenie, bieganie, skakanie itp.) powoduje większe lokalne naprężenia w ciągu dnia.
Podczas projektowania stałego implantu lub urządzenia medycznego kluczowe znaczenie ma zrozumienie wydajności mechanicznej i zdolności do wytrzymywania ruchów fizjologicznych w miejscu umieszczenia przez dziesięciolecia.
Przyspieszone testy zmęczeniowe DMA
NETZSCH przeprowadziła przyspieszone testy zmęczeniowe na wszczepialnym chipie wykonanym głównie z materiałów ceramicznych używanych do produkcji mikrochipów, takich jak krzem i dwutlenek krzemu. Urządzenie było ultracienkie (10 do 100 μm) i miało powierzchnię mniejszą niż 1 cm kwadratowy.
Geometrie DMA 303 wykorzystują chipy RFID do prostej konfiguracji i użytkowania. Geometria pojedynczego wspornika została wykorzystana w tym badaniu, ponieważ zaciska próbkę w miejscu, umożliwiając precyzyjny ruch nawet przy bardzo wysokich częstotliwościach. Oscylacja urządzenia z częstotliwością 2,8 μm i 150 Hz przez tydzień odpowiada prawie trzem latom ciągłego pulsacyjnego ruchu w ciele. Na początku programu zastosowano początkową siłę, aby podnieść jeden koniec próbki w celu dopasowania do biorelevant geometrii zamierzonego miejsca umieszczenia implantu przed oscylacją.
Wyniki pomiarów
Wyniki tygodniowego ciągłego badania pokazano na rysunku 1. Odkształcenie dynamiczne utrzymywano na poziomie 2,8 μm i 150 Hz. Pokazano również siłę dynamiczną wymaganą do osiągnięcia odkształcenia. Limity siły i odkształcenia zostały zaprogramowane w przebiegu, aby zapewnić kontrolę nad całą ścieżką. Zmiana długości próbki (dL) chipa w trakcie próby pokazuje, że próbka pozostaje nienaruszona i nie zaczyna się zużywać w miarę upływu czasu.
Kluczowym atrybutem oprogramowania dla NETZSCH DMA 303 Eplexor® jest to, że do próby można dodać wyzwalacze, aby zatrzymać przebieg, jeśli wystąpi określone zdarzenie. W przypadku tej próby próbka jest początkowo zginana w celu odzwierciedlenia geometrii zamierzonego umieszczenia implantu i kształt ten jest utrzymywany przez cały czas trwania badania. Dodano wyzwalacz, aby w przypadku zmiany długości próbki z powrotem na poziomą, co miałoby miejsce w przypadku pęknięcia próbki, próba natychmiast się zakończyła. Jest to szczególnie przydatne w przypadku długich prób, ponieważ użytkownicy mogą zastosować wyzwalacze, aby zakończyć program, jeśli próbka nie powiedzie się lub zostanie osiągnięty pożądany wynik.
Podsumowanie
DMA 303 Eplexor® oferuje szeroki zakres częstotliwości, siły i temperatury, co czyni go idealnym urządzeniem do pomiarów termomechanicznych w szerokim zakresie zastosowań. W niniejszym dokumencie opisaliśmy zdolność urządzenia do przeprowadzania przyspieszonych testów zmęczeniowych na wszczepialnym urządzeniu biomedycznym. Możliwość dokładnego dopasowania fizjologicznych odkształceń i sił, przy jednoczesnym przyspieszeniu oscylacji do 150 Hz, pozwala użytkownikom na wykonanie testów zmęczeniowych w ułamku czasu. 10-letnie badanie testowanego urządzenia biomedycznego mogło zostać ukończone w zaledwie 3,5 tygodnia.