雙軸生物力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用

本構(gòu)模型對于預(yù)測材料的力學(xué)行為是必要的。然而由于生物組織的定向纖維結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)出明顯的機(jī)械各向異性，傳統(tǒng)單軸試驗(yàn)產(chǎn)生的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)不能直接外推到廣義的三維本構(gòu)方程。而生物組織通常被認(rèn)為是不可壓縮的，對于二維應(yīng)力狀態(tài)的平面雙軸測試，可用于表征其機(jī)械性能并驗(yàn)證本構(gòu)模型。

關(guān)于軟材料/生物組織的雙軸應(yīng)力-應(yīng)變主要挑戰(zhàn)包括：較小的樣本尺寸，取材位置重復(fù)性低，降解引起的時(shí)間依賴性變化，變形的不均勻。

BioTester測試系統(tǒng)專為軟材料和生物組織而設(shè)計(jì)。正交的獨(dú)立作動(dòng)器可以編程在力或變形控制下協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，提供用于精確溫度控制的樣品浴和溫控裝置。夾持附件便于安裝和拆卸，各種精密的小載荷傳感器和光學(xué)應(yīng)變測量提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

自2008年問世以來，BioTester進(jìn)入世界各地用戶的實(shí)驗(yàn)室，使其成為生物材料/軟材料力學(xué)測試的黃金標(biāo)準(zhǔn)。

1. 眼

   角膜和鞏膜構(gòu)成眼球的最外層，形成具有一定眼內(nèi)壓的球體，因此處于動(dòng)態(tài)負(fù)荷條件下。幾種主要的眼科疾病已被證明與角膜和鞏膜生物力學(xué)特性有關(guān)，例如屈光不正，角膜病變，眼表疾病和青光眼。不同眼部組織的不同生物力學(xué)特性包括鞏膜、眼眶結(jié)締組織和脂肪、角膜和眼外肌。

   鞏膜的力學(xué)性能對于開發(fā)用于替代眼組織的合成材料至關(guān)重要。詳細(xì)計(jì)算模型研究要求對機(jī)械性能進(jìn)行深入研究，包括本構(gòu)超彈性模型的擬合。

   
   

2. 血管

   主動(dòng)脈組織的力學(xué)性能主要取決于血管中膜中彈性纖維和膠原纖維的含量，且與距離心臟遠(yuǎn)近位置有關(guān)，同時(shí)周向力學(xué)性能也存在差異。豬降

   主動(dòng)脈的周向力學(xué)性能研究發(fā)現(xiàn)，背側(cè)血管壁的彈性模量明顯高于腹側(cè)，且背側(cè)血管壁厚度明顯低于腹側(cè)。
   夾層是升主動(dòng)脈瘤最常見的破壞模式。目前通過測量主動(dòng)脈直徑來評估風(fēng)險(xiǎn)，這是不夠的。這促使人們尋找一種新的生物指標(biāo)來捕捉相關(guān)的內(nèi)在組織材料特性。“能量損失"頗具前景，然而必須確定其對體內(nèi)負(fù)荷條件的依賴性，這些條件因患者而異。

   
   

3. 心臟

   在生理情況下，心臟搏動(dòng)使得瓣膜兩側(cè)壓力不同，跨瓣壓差造成

   瓣膜四周擴(kuò)張變形。單向拉伸試驗(yàn)只能表征瓣膜在一個(gè)軸向的受力與變形關(guān)系，與生理活性狀態(tài)下的情況有很大差別。另外，單軸拉伸也不能反映徑向與周向之間的力學(xué)耦合關(guān)系。為了使試驗(yàn)條件更加接近活體狀態(tài)下瓣膜的受力情況，進(jìn)行雙軸向拉伸是有必要的。
   心肌對心臟的跳動(dòng)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。例如舒張性心力衰竭，研究發(fā)現(xiàn)心肌彈性成分的變化是引發(fā)該疾病的直接原因，所以認(rèn)識健康和病態(tài)的心室行為是非常緊迫且重要的。當(dāng)前，心臟領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)是構(gòu)建計(jì)算模型以及研制仿生材料，以便更清楚地了解并治愈心臟疾病。因此需要對心肌組織的力學(xué)性能進(jìn)行探究，常用的方法是對心肌組織進(jìn)行雙向拉伸來得到組織的力學(xué)特性。

   
   

4. 皮膚
   皮膚為我們的身體提供抵御環(huán)境損害的物理屏障，它的機(jī)械性能對于支持這一功能至關(guān)重要。作為膠原軟組織，皮膚表現(xiàn)出非線性的應(yīng)力-應(yīng)變特性。盡管通常被認(rèn)為和建模為超彈性材料，但皮膚也表現(xiàn)出粘彈性特性，例如滯后、應(yīng)力松弛、蠕變和塑性變形。這些特性源于其細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的固有固相粘彈性及其與散布間質(zhì)液的相互作用。此外，這些成分的相對分布和密度使皮膚呈現(xiàn)出多層結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成行為取決于方向和區(qū)域，并隨深度變化，即皮膚行為是各向異性和異質(zhì)的。

5. 骨關(guān)節(jié)

   半月板微觀結(jié)構(gòu)的不同層可以通過膠原纖維排列的差異來識別，其在體內(nèi)經(jīng)歷復(fù)雜的負(fù)荷，導(dǎo)致多向應(yīng)力分布。但通常單軸的測試條件并不能復(fù)制這種復(fù)雜的負(fù)荷狀態(tài)。雙軸測試提供同時(shí)沿兩個(gè)不同方向的加載，能更準(zhǔn)確地模擬生理?xiàng)l件。

   椎間盤是一種復(fù)雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在脊柱中運(yùn)動(dòng)并通過壓應(yīng)力在相鄰椎骨之間傳遞負(fù)荷。在健康的椎間盤中，產(chǎn)生的內(nèi)部壓力由纖維環(huán)的徑向同心薄片吸收。盡管它能夠在急性（單周期）加載事件中有效地消散機(jī)械能并抵抗損傷，但它特別容易受到疲勞損傷（例如疝氣）的影響。