Inledning
Dynamisk mekanisk analys (DMA) används främst för att analysera polymera material, men tekniken kan också tillämpas inom en rad andra områden. Till dessa hör olika tillämpningar inom den biomedicinska industrin. NETZSCH DMA 303 Eplexor® är en mångsidig stationär enhet som kan mäta i ett temperaturområde från -170°C till 800°C (-274°F till 1472°F), med en kraft från 1 mN till 50 N och med en frekvens från 0,001 till 150 Hz. Kraften och frekvensområdet möjliggör simulering av många fysiologiska förhållanden samt accelererad testning av dessa fenomen.
Medicinska implantat och anordningar kategoriseras i allmänhet som utbytbara (benskruvar, portar för kemoterapi etc.) eller permanenta (pacemakers, stentar, tandimplantat etc.). Produkter som är avsedda att vara utbytbara löper risk för infektioner och problem med placering, medan permanenta produkter måste kunna överleva flera decennier och stå emot de krafter som människokroppen utsätts för. De flesta vuxna har en hjärtfrekvens i vila på mellan 60 och 100 slag per minut (i genomsnitt 1,3 slag per sekund), vilket orsakar small pulserande rörelser i hela kroppen. Normal rörelse (stå, gå, springa, hoppa etc.) leder sedan till större lokala påfrestningar under en dag.
När man konstruerar ett permanent implantat eller en medicinteknisk produkt är det viktigt att förstå den mekaniska prestandan och förmågan att motstå fysiologiska rörelser på placeringsstället under flera decennier.
DMA Accelererad utmattningsprovning
NETZSCH utförde accelererade utmattningsprov på ett implanterbart chip som huvudsakligen var tillverkat av keramiska material som används vid tillverkning av mikrochips, t.ex. kisel och kiseldioxid. Enheten var ultratunn (10 till 100 μm) och mindre än 1 kvadratcentimeter.
Geometrierna i DMA 303 använder RFID-chips för enkel installation och användning. Geometrin med en enda cantilever användes i denna undersökning eftersom den klämmer fast provet på plats och möjliggör exakta rörelser även vid mycket höga frekvenser. Att oscillera enheten vid 2,8 μm och 150 Hz under en vecka motsvarar knappt tre års kontinuerlig pulserande rörelse i kroppen. I början av programmet applicerades en initial kraft för att höja ena änden av provet så att det matchade den biorelevanta geometrin för implantatets avsedda placeringsställe före oscillationen.
Resultat av mätning
Resultaten av den en vecka långa kontinuerliga provningen visas i figur 1. Den dynamiska deformationen hölls vid 2,8 μm och 150 Hz. Den dynamiska kraft som krävdes för att uppnå deformationen visas också. Kraftgränser och töjningsgränser programmerades in i körningen för att säkerställa kontroll över hela spåret. Förändringen i provlängd (dL) för chipet under provningen visar att provet förblir intakt och inte börjar slitas med tiden.
En viktig egenskap hos programvaran för NETZSCH DMA 303 Eplexor® är att triggers kan läggas till i en provning för att stoppa körningen om en viss händelse inträffar. För den här provningen böjs provet inledningsvis för att återspegla geometrin för den avsedda placeringen av implantatet och den formen bibehålls under hela körningen. En utlösare lades till så att om provets längd ändrades tillbaka till horisontellt läge, vilket skulle vara fallet om provet gick sönder, skulle provningen omedelbart avslutas. Detta är särskilt användbart för långa försök eftersom användarna kan använda triggers för att avsluta programmet om provet går sönder eller om ett önskat resultat uppnås.
Sammanfattning
DMA 303 Eplexor® erbjuder ett brett frekvens-, kraft- och temperaturområde, vilket gör den till ett idealiskt instrument för termomekaniska mätningar inom en mängd olika tillämpningsområden. Här beskriver vi instrumentets förmåga att genomföra accelererade utmattningstester på en implanterbar biomedicinsk enhet. Genom att exakt kunna matcha fysiologiska deformationer och krafter, samtidigt som oscillationen accelereras upp till 150 Hz, kan användarna genomföra utmattningstestning på en bråkdel av tiden. En 10 år lång testperiod för den testade biomedicinska enheten kunde slutföras på bara 3,5 veckor.