Ensayo biaxial y triaxial en biomateriales

Los biomateriales naturales están sometidos a cargas multiaxiales, que también se pueden aplicar y medir con máquinas de ensayos adecuadas.
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Ensayo biaxial en biomateriales

Para una modelación adecuada, primero se deben determinar el comportamiento mecánico y la estructura subyacente de los tejidos. Dado que los tejidos biológicos en el conjunto corporal siempre están expuestos a fuerzas multiaxiales, es necesario explorar dichas fuerzas en una máquina de ensayos que pueda ejercer cargas multiaxiales sobre la probeta de tejido.
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Por consiguiente, se ha desarrollado una máquina de ensayos biaxial, diseñada especialmente para la caracterización mecánica de materiales blandos naturales. Integra cuatro accionamientos lineales, que se pueden regular independientemente el uno del otro en posición, fuerza o deformación. La fuerza se mide mediante captadores de fuerza (resistentes al agua), en sentido X e Y, respectivamente. A ello, se le suman las cuatro unidades de medición, control y regulación, así como un recipiente de líquidos para el temperado óptimo del medio. La fuerza de ensayo máxima es de 100 N por captador, la resolución alcanza 0,6 mN. El recorrido de medición de la tracción es de 50 mm (resolución 0,1 μm) y la velocidad máxima 2.000 mm/min. Además de los dispositivos de fijación, las probetas se pueden unir a los captadores de fuerza con ganchos y cordones con un dispositivo de sujeción giratorio. A través de este dispositivo, se puede aplicar la fuerza de forma homogénea a la probeta y, con ello, también es más homogénea la distribución de fuerza en la misma. Otra gran ventaja de la máquina de ensayos biaxial es el extensómetro láser Speckle. Este permite una medición de la extensión y la deformación sin contacto y bidimensional sin realizar marcas en la probeta. El principio de medición se basa en el análisis de patrones Speckle, generados al iluminar la superficie de la probeta con un láser, se reflejan y se captan con una cámara. La probeta natural de biomaterial se ensaya primero en el laboratorio de forma experimental; a continuación, estos datos se indican en un modelo matemático y, finalmente, se transfieren a un modelo informático. En base a las propiedades de materiales, que se determinan con la máquina de ensayos biaxial, se puede, p. ej., hacer un seguimiento de la reconstrucción virtual de la pared del corazón y estudiar la previsibilidad del comportamiento (patológico) de la pared del corazón.
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Solución de ensayo alternativa

Otra máquina de ensayos biaxial está formada por 4 actuadores de ensayo electromecánicos de 1 kN de capacidad de carga y 200 mm de recorrido. La longitud de la probeta se registra mediante extensómetros laserXtens/videoXtens. La termorregulación del baño de agua está indirectamente integrado.

Ensayo triaxial en biomateriales y tejidos

Para poder determinar las propiedades de cizalladura de tejidos biológicos (ortotrópicos), se ha desarrollado y construido un sistema de ensayos para aplicaciones triaxiales. La máquina de ensayos consta de dos componentes principales:
Una plataforma superior, dispuesta para un recorrido vertical (en sentido Z) y una plataforma inferior, dispuesta para un recorrido a nivel horizontal en dos ejes perpendiculares (sentido X e Y). Durante el ensayo, la probeta de tejido está conectada con la plataforma superior e inferior con una capa fina de pegamento rápido y sumergida en una solución fisiológica y temperada. La plataforma inferior se mueve en relación con la plataforma superior fijada horizontalmente, provocando la cizalladura de la probeta. Las fuerzas resultantes en los tres ejes ortogonales (X, Y y Z) se pueden medir simultáneamente con un captador de fuerza montado en la plataforma superior. El recorrido de los motores lineales X e Y respectivamente perpendiculares es de ±14 mm (resolución de recorrido 0,25 μm) con una velocidad máx. de 3000 mm/min. La fuerza de ensayo máxima del sensor de fuerza de 3 ejes en los tres sentidos asciende a 2 N, respectivamente, y la precisión de medición se determina con 0,5 % del valor de medición. La diafonía del sensor de fuerza entre el eje X e Y está fijado con superior a 0,5 % del valor final y entre X/Y y Z con superior a 1 % del valor final.
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Technical University of Munich: biaxial strain measurement of the aortal wall

As part of its research activities the Department of Computational Mechanics at the Technical University of Munich (TUM) is carrying out material modelling of biological tissues under high strain.
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