CellScale BioRake在測試各向異性超彈性材料中的優勢

引言

平面雙軸試驗已被用于研究與方向相關的生物組織和材料的力學性能，它可以探索在兩個正交方向上施加在近似方形膜狀樣品上的力或位移。可使用縫合線、鉤子和滑輪的力平衡系統(圖1a)或使用CellScale BioRake(圖1b)固定樣品。縫合線-滑輪系統設計用于模擬施加在試樣邊緣的均勻分布載荷，而BioRake®用于模擬均勻分布的位移。

當樣品主軸(通常平行于纖維方向)與測試軸對齊/垂直時，加載條件很好控制。而試件相對于試驗軸的不對準可能導致試件不受控制的剪切變形和力的變化。

方法

選用各向同性的軟質硅橡膠作為試驗材料。先單軸測試材料條帶，以確定橡膠的材料性能。20×2×0.5 mm使用定制夾具進行位移控制單軸測試。選擇最大施加位移達到5 N的力。3個加載-卸載循環，并使用ANSYS 16.1對最后一個循環的數據進行分析，以擬合超彈性Ogden模型。

為制造各向異性的樣品，將橡膠模壓成具有肋狀結構的平面膜(圖2)。肋的尺寸使用輪廓儀測量。試件被切割成與試驗軸平行或呈45°的肋。雙軸試驗中，平行45°肋的設計以減小剪切應變為目標。

4種實驗條件下進行了測試，包括0和45°肋與縫合線-滑輪和BioRake。在所有條件下，運行了一系列9種位移控制方案，以探索試件的各向異性行為。這些方案產生高達20%的應變，X/Y位移比范圍為0.17至6.00。各向異性超彈性材料模型按照詳細的數值程序擬合實驗數據。

在ANSYS中建立了試件的有限元模型，并根據單軸試驗確定了體各向同性超彈性材料的性能。模型包括大約100,000個十節點四面體Solid285有限元，適用于幾乎不可壓縮的超彈性材料的大變形。縫合-滑輪系統的模擬是在安裝孔節點上施加分布力的情況下完成的，同時限制標本中心的多個節點在各個方向上的移動。BioRake系統的仿真是通過在安裝孔節點上施加位移條件來完成的，此外，防止樣品每側的中間孔在垂直于相應側的方向上移動。

結果

二階Ogden模型能很好地擬合單軸實驗數據。計算了所有雙軸試驗應力應變結果。二階Piola-Kirchhoff膜張力由BioTester測得的力得到，Green應變由樣品中心區域紋理表面的數字圖像相關(DIC)得到。實驗數據用于生成材料模型中的材料常數。

物理雙軸試驗的有限元模擬得到的應變圖與等雙軸條件下0和45°結構的DIC數據吻合得很好。此外，還可以將物理試驗期間施加的位移和產生的力與數值模擬的相同數據進行比較。在所有實驗條件下，數值模擬的平均誤差小于10%。

討論

通過縫合線-滑輪和BioRake固定系統的雙軸實驗測試確定的材料模型在模擬真實條件下的實驗中都是成功的。在雙軸力學測試中，與BioRake相比，縫合線-滑輪系統使用起來更加困難和耗時。設置適當的長度以確保未變形標本的最小張力是具有挑戰性的。掛鉤相對于標本的方向是不穩定的，需要多次調整。另一方面，BioRake的分布更均勻，操作也簡單快捷。

結論

在所有測試方案和儀器配置中，實驗和模擬之間的誤差小于10%，結合其顯著的易用性，都強烈表明BioRake優于縫合線-滑輪。