Biaxiale und triaxiale Prüfung an Biomaterialien

Natürliche Biomaterialien unterliegen mehrachsigen Belastungen, die auch durch geeignete Prüfmaschinen appliziert und gemessen werden können.
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Biaxiale Prüfung an Biomaterialien

Für eine adäquate Modellierung müssen zunächst das mechanische Verhalten und dessen verursachende (darunterliegende) Struktur der Gewebe genau bestimmt werden. Da biologische Gewebe im körperlichen Verbund immer mehrachsigen Belastungen ausgesetzt sind, besteht für die Erforschung dieser Belastungen der Bedarf an einer Prüfmaschine, die mehrachsige Belastungen auf die Gewebeprobe ausübt.
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Infolgedessen wurde eine Biaxial-Prüfmaschine entwickelt, die speziell für die mechanische Charakterisierung von weichen natürlichen und künstlichen Materialen ausgelegt ist. Sie integriert vier Linearantriebe, die unabhängig voneinander über Position, Kraft oder Dehnung geregelt werden. Die Kraftmessung erfolgt über (wasserdichte) Kraftaufnehmer, jeweils zwei in X- und Y-Richtung. Hinzu kommen die vier Mess-, Steuer- und Regelelektronikeinheiten sowie ein Flüssigkeitsbehälter zur optimalen Temperierung des Mediums. Die maximale Prüfkraft liegt bei 100 N je Aufnehmer, die Auflösung erreicht 0,6 mN. Der Verfahrweg für die Zugmessung ist 50 mm (Auflösung 0,1 μm) und die maximale Geschwindigkeit 2.000 mm/min.

Neben klemmenden Einspannvorrichtungen können die Proben über Haken und Schnüre mit einer drehbaren Einspannvorrichtung mit den Kraftaufnehmern verbunden werden. Durch diese Vorrichtung kommt es zu einer homogenen Krafteinleitung in die Probe, und damit auch zu einer homogenen Kraftverteilung in der Probe. Ein weiterer großer Vorteil der Biaxial-Prüfmaschine ist der Laser-Speckle-Extensometer. Er ermöglicht eine berührungslose und zweidimensionale Dehnungs- und Verformungsmessung ohne Probenmarkierungen. Das Messprinzip beruht auf der Auswertung von Specklemustern, die durch Beleuchtung der Probenoberfläche mit einem Laser entstehen, dort reflektiert und mit einer Kamera aufgenommen werden.

Die natürliche Biomaterialprobe wird zunächst experimentell im Labor getestet, anschließend werden diese Daten in einem mathematischen Modell abgebildet und schließlich in ein Computermodell übertragen. Auf Basis der Materialeigenschaften, die mit der Biaxial-Prüfmaschine ermittelt werden, kann z. B. die virtuelle Rekonstruktion der Herzwand verfolgt und die Vorhersagbarkeit des (krankhaften) Verhaltens der Herzwand untersucht werden.
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Alternative Prüflösung

Eine weitere biaxiale Prüfmaschine besteht aus 4 elektromechanischen Prüfzylindern mit je 1 kN Belastbarkeit und 200 mm Weg. Die Längenänderung des Prüflings wird mittels laserXtens/videoXtens Extensometer erfasst. Eine Temperierung für das Wasserbad ist direkt integriert.

Triaxiale Prüfung an Biomaterialien und Gewebe

Um die Schereigenschaften von weichen biologischen (orthotropen) Geweben bestimmen zu können, wurde ein Prüfsystem für triaxiale Anwendungen entwickelt und gebaut. Die Prüfmaschine besteht aus zwei Hauptkomponenten:
Eine obere Plattform, welche vertikal (in die z-Richtung) verfahrbar ausgeführt ist und eine untere Plattform, welche in der horizontalen Ebene in zwei zueinander senkrecht stehenden Richtungen (die x- und y-Richtungen) verfahrbar ausgeführt ist. Die Gewebeprobe ist während des Tests mit der oberen und unteren Plattform mit einer dünnen Superkleber-Schicht verbunden und in einer geeigneten physiologischen und temperierten Lösung eingetaucht. Die untere Plattform bewegt sich relativ zur horizontal fixierten oberen Plattform, wodurch die Probe geschert wird. Die auftretenden Kräfte in die drei orthogonalen Richtungen (x-, y- und z-Richtung) können simultan mit einer an der oberen Plattform montierten speziellen Kraftmessdose gemessen werden.

Der Verfahrweg der senkrecht zueinanderstehenden x- und y-Linearantriebe ist ±14 mm (Wegauflösung 0,25 μm) mit einer max. Geschwindigkeit von 3000 mm/min. Die maximale Prüfkraft des 3-Achsen-Kraftsensors in den drei Richtungen beträgt je 2 N und die Messgenauigkeit ist mit 0,5 % des Messwerts determiniert. Das Übersprechverhalten des Kraftsensors zwischen der x- und y-Richtung ist mit größer als 0,5 % vom Endwert und zwischen x/y und z ist mit größer als 1 % vom Endwert festgelegt.
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Technische Universität München: Biaxiale Dehnungsmessung der Aortenwand

Der Lehrstuhl für Numerische Mechanik an der Technischen Universität München (TUM) führt im Zuge der Forschungstätigkeiten Materialmodellierungen von biologischen Geweben unter großer Dehnung durch.
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