3D-DIC技术注入骨骼材料研究,融合创新为医疗产业赋能

商业 来源: 2021/1/29 4:44:25 阅读:345

骨组织是一种具有复杂层级结构的生物复合材料,能够承重、提供生长附着,以及传递载荷实现各种复杂运动,对人体生命健康与运动极为重要。

然而,现实中人体骨胳材料遭受意外伤害的情况日益增多,极大削弱了其力学性能及服役可靠性,给人类生命造成了极大的威胁,同时也增加了社会经济负担。

 

因此,研究骨材料在服役载荷工况下的力学性能在变形机理,不仅对骨材料服役性能预测评估具有重要指导意义,同时能够为不同载荷模式下骨破坏的潜在原因追溯分析,为仿生骨替代材料的微结构设计及组分配比提供数据参考。

骨组织及相似骨材料力学性能测量,是骨生物力学领域的一项基础研究,有利于解决临床医学上的骨折、植入物松动和骨重建等力学问题。

面临的测试难题

骨是非均匀的、各向异性的复合材料,骨是由胶原纤维和羟基磷灰石组成的复合材料,表现出不均匀性和各向异性。

该检测中心过去采用的是传统测量方法对相似骨材料进行测量,在应用上存在着不少的局限性:

1、只能进行静态测量,无法观测材料的动态演变过程

2、无法测试材料特定位置的应变情况,各异向性动态实时变化

3、无法实时计算屈服强度、弹性模量等参数,无法输出应力—应变曲线。

新拓三维DIC应变测量技术,是一种非接触式的高精度位移、用于全场形状、变形、运动测量的方法,可实时记录整个实验的全过程,数据可追溯,可重复利用;对于大变形、各向异性的材料、力学性能数据计算的实验,DIC技术具备明显的优势。

1、相似骨骼材料压缩

骨组织力学性能测量,有利于解决临床医学上的骨折、植入物松动和骨重建等力学问题。通过具代表性的压缩测试手段,分析类似骨头材料受压过程中结构的变形,获取类似骨材料的力学性能参数,可方便用于有限元模拟,新材料的研发和生产。

通过计算分析得出,压缩力在相似骨材料内产生压应力和压应变,材料受压缩后缩短,压应变为负值,代表试件受到挤压符合实际情况,然后从位移场可以清晰看到压缩的位移量。

  • 骨材料压应力

  • 骨材料压应变

  • 压缩位移量

 

2、胫骨骨骼标本拉伸测试

采用类似骨头材料—鸡胫骨标本进行拉伸应变测试,通过模拟胫骨负载状态,验证胫骨受拉变形情况及抗拉能力。XTDIC系统可支持各种应变测量,并可进行实时的应力应变计算,适用于骨骼材料在各种负载条件下的图像采集需求。

由于鸡胫骨尺寸较小,XTDIC系统搭配光学体式显微镜,对鸡胫骨观测区域进行放大,能够观测到更细节的特征,所测数据能够反映骨骼应力分布的真实客观情况,并自动记录和分析处理数据,可输出三维色谱云图,清晰地观测到位移、应变场的变化趋势。

 

在拉伸加载过程中,可测量骨胳组织的性能(如杨氏模量、强度)和几何参数,计算出鸡胫骨的轴向拉伸强度和刚度,以便于更好地掌握复杂骨胳材料的力学性能。

 

胫骨拉伸位移场

 

胫骨加载应变场

3、脊椎骨标本压缩、扭转、弯曲测试

脊柱类问题主要脊柱疾病包括各类畸形骨折以及退化、椎体与椎间盘脱位等。采用羊椎骨进行弯曲、摆动、扭转实验经由新拓三维XTDA系统进行数据采集和后处理,分析骨胳应力分布情况,并自动记录和分析处理数据测出羊脊椎骨节段应变的位移场和应变场

通过调整骨骼相对于压力机的相对角度,模拟人体骨胳负载及运动的情况,使其复现人体在运动中的脊椎骨骼受力工况,进而了解其不同部位的应变数据。

 

通过实验数据可以看出,脊椎骨在承受扭转、弯曲的载荷作用下,呈现出多向性的应力-应变曲线。实验数据可以验证有限元仿真中,脊椎骨的承载能力和材料属性。根据动物脊椎试验数据,模拟了人类脊椎在载荷状态下的各部分变化情况,。

 

加载前标定和采集准备

 

点位移规矩追踪

当人体骨骼上下或左右运动时,其关节粘膜会产生摩擦。当运动剧烈时,则有可能引起骨折等损伤。采用骨骼或相似骨骼材料进行应力应变模拟试验,利用新拓三维3D-DIC测量技术,可精确地测量骨骼材料各组分的位移、应变数据。实验数据对于骨骼疾病防治、骨骼缺损修复以及人工骨骼材料研制等,都具有重要的科学意义,并且对骨骼疾病的临床治疗提供指导意义。



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