Введение
Динамический механический анализ (ДМА) в основном используется для анализа полимерных материалов, однако этот метод может применяться и в других областях. К ним относятся различные приложения в биомедицинской промышленности. NETZSCH DMA 303 Eplexor® - это универсальный настольный прибор, способный проводить измерения в диапазоне температур от -170°C до 800°C (от -274°F до 1472°F), прикладывать усилие в диапазоне от 1 мН до 50 Н и на частоте от 0,001 до 150 Гц. Диапазон сил и частот позволяет моделировать многие физиологические состояния, а также проводить ускоренные испытания этих явлений.
Медицинские имплантаты и устройства обычно делятся на заменяемые (костные винты, порты для химиотерапии и т.д.) и постоянные (кардиостимуляторы, стенты, зубные имплантаты и т.д.). Сменные изделия подвержены риску инфицирования и проблем с установкой, в то время как постоянные изделия должны быть способны прослужить несколько десятилетий и выдерживать нагрузки, которые испытывает человеческое тело. У большинства взрослых людей частота сердечных сокращений в состоянии покоя составляет от 60 до 100 ударов в минуту (в среднем 1,3 удара в секунду), что вызывает пульсирующие движения small во всем теле. Нормальная двигательная активность (стояние, ходьба, а не бег, прыжки и т.д.) приводит к большим локальным нагрузкам в течение дня.
При разработке постоянного имплантата или медицинского устройства очень важно понимать механические характеристики и способность выдерживать физиологические движения в месте установки в течение десятилетий.
Ускоренные усталостные испытания DMA
NETZSCH провели ускоренные усталостные испытания имплантируемого чипа, изготовленного преимущественно из керамических материалов, используемых при производстве микрочипов, таких как кремний и диоксид кремния. Устройство было ультратонким (от 10 до 100 мкм) и занимало площадь менее 1 кв. см.
В геометрии DMA 303 используются RFID-чипы, что упрощает настройку и использование. В данном исследовании использовалась геометрия с одним кантилевером, поскольку она фиксирует образец на месте, обеспечивая точное перемещение даже на очень высоких частотах. Колебания устройства на частоте 2,8 мкм и 150 Гц в течение одной недели соответствуют чуть менее трех лет непрерывного пульсирующего движения в организме. В начале программы прикладывалось начальное усилие, чтобы приподнять один конец образца для соответствия биорелевантной геометрии предполагаемого места установки имплантата до начала колебаний.
Результаты измерений
Результаты недельного непрерывного испытания показаны на рис. 1. Динамическая деформация поддерживалась на уровне 2,8 мкм и 150 Гц. Также показана динамическая сила, необходимая для достижения деформации. Ограничения силы и деформации были запрограммированы для обеспечения контроля на протяжении всего испытания. Изменение длины образца (dL) чипа в течение испытания показывает, что образец остается неповрежденным и не начинает изнашиваться со временем.
Ключевой особенностью программного обеспечения для NETZSCH DMA 303 Eplexor® является возможность добавления триггеров к испытанию, чтобы остановить его в случае наступления определенного события. В данном испытании образец изначально сгибается, чтобы отразить геометрию предполагаемого места установки имплантата, и эта форма сохраняется на протяжении всего испытания. Был добавлен триггер, чтобы при изменении длины образца обратно на горизонтальную, как в случае, если образец сломается, испытание немедленно завершилось. Это особенно полезно при длительных испытаниях, поскольку пользователи могут применять триггеры для завершения программы, если образец не удался или достигнут желаемый результат.
Резюме
DMA 303 Eplexor® обладает широким диапазоном частот, усилий и температур, что делает его идеальным прибором для термомеханических измерений в самых разных областях применения. Здесь мы описали возможности прибора для проведения ускоренных усталостных испытаний на имплантируемом биомедицинском устройстве. Возможность точного соответствия физиологическим деформациям и силам при ускорении колебаний до 150 Гц позволяет проводить усталостные испытания за долю времени. Испытания биомедицинского устройства, длившиеся 10 лет, были завершены всего за 3,5 недели.