Испытание на растяжение при одноосном нагружении.

Растяжение при одноосном напряжении широко приме­няется для испытания как твердых, так и мягких биологиче­ских тканей, главным образом, благодаря простоте его реа­лизации и возможности использования существующего стан­дартного оборудования, обеспечивающего высокий класс точ­ности измеряемых параметров.

Скорость нагружения при одноосном растяжении выби­рают в зависимости от назначения получаемой информации. Для оценки естественных условий функционирования био­объекта испытания образцов биотканей проводят при ско­ростях нагружения порядка 10^-3 м/с. При решении тех­нологических задач хирургии необходима информация о ме­ханическом поведении биообъекта при скоростях порядка 10^-2…10^-1 м/с.

Биологический материал является анизотропным, что затрудняет определение его механических параметров. В биомеханике класс упругой симметрия принято принимать ортотропным. Поэтому в экспериментах применяют образ­цы, вырезанные в перпендикулярных направлениях. Напри­мер, из стенки кровеносного сосуда образцы вырезают вдоль главной оси сосуда и перпендикулярно ей, т.е. в продольном и поперечном направлениях.

По полученным при растяжении диаграммам можно определить условный предел прочности , относи­тельную деформацию и модуль упругости при разруше­нии, а также построить зависимость условных напряжений от деформации и определить касательный и секущие модули упругости по следующим соотношениям:

,

где - нагрузка; - исходная ширина образца; - ис­ходная толщина образца; - длина образца до деформации; - длина образца после деформации.

Такие характеристики позволяют сравнить изменения свойств биологического материала, но недостаточны для оценки напряженно-деформированного состояния органа как биоконструкции при различных нагрузках. Для математиче­ского моделирования необходимы истинные характеристики или где для построения которых при помощи кривых необходимо знание коэффициента Пуассона .

Для определения используются оптические методы, из которых наиболее прост в реализации метод фотографи­рования. При помощи фотографий и известных соотношений определяют .

По вышеизложенной методике можно получить все данные, необходимые для постановки и решения задачи напря­женно-деформированного состояния цилиндрической оболоч­ки, материал которой имеет ортотропный класс симметрии, при заданных возмущениях.

Для единства анализа и обозначений используется орто­гональная система координат , оси которой напра­влены следующим образом: 1 - вдоль продольной оси (глав­ной оси кровеносного сосуда), 2 - в окружном (поперечном) направлении, 3 - в радиальном направлении оболочки.

Оптические методы позволяют определить , где , а также найти зависимость коэффициента поперечной деформации от удлинения , используя соотношение .

Испытание на раздир.

Испытание на раздир проводится с целью определения прочности связи между слоями мягких биологических тка­ней. Первоначально данная методика была разработана для испытаний здоровой и пораженной атеросклерозом стенки кровеносного сосуда, при этом использовались методические рекомендации для механических испытаний каучука и резины [4].

Испытания проводят на прямоугольных образцах, выре­заемых из развертки стенки кровеносного сосуда. При на­личии в стенке патологии образцы вырезают таким образом, чтобы на исследуемом участке находился атеросклеротический очаг только одной стадии. Ширину образца выбирают в зависимости от размеров очага. Длина образца не долж­на превышать 50 мм. Для закрепления образца в зажимы испытательной машины INSTRON3365 его предварительно расслаивают со стороны нерабочего участка на длину не ме­нее 10 мм.

Испытание на раздир проводят при различных скоро­стях нагружения, соответствующих условиям функциониро­вания и технологического воздействия на биообъект. С помо­щью регистрирующего блока испытательного комплекса (ба­зовый вариант) строят диаграмму «нагрузка – время». За ходом расслоения ведут визуальное наблюдение. На рис. 3 представлены схемы расслоения (а,б) и характерная кривая диаграммы «нагрузка – время» (в).

При расслоении нормальной стенки кровеносного сосуда пики на диаграмме, обусловленные надрывами связей меж­ду слоями, имеют малое значение. Наличие патологического очага характеризуется значительным увеличением нагрузки, что свидетельствует об образовании дополнительных связей между слоями при атеросклерозе.

По результатам испытаний определяют показатель со­противления расслаиванию , характеризующий прочность связи между слоями:

,

Где - средняя нагрузка при раздире, определяемая по диа­грамме «нагрузка – время»; - ширина испытуемого образца на рабочем участке.

а

б

в

Рис 3.

Модификацией метода испытания на раздир является выворачивание части стенки оболочки кровеносного сосуда, имитирующее внутрисосудистую операцию по методу эверсионной эндартерэктомии (см. рис. 3, б). Испытание на раз­дир по такой схеме позволяет оценить характер расслоения стенки кровеносного сосуда в зависимости от степени пора­жения атеросклерозом.

Испытание проводят на сегментах кровеносных сосудов длиной 50 мм, вырезанных из секционного материала и не имеющих на своем протяжении ответвлений. С одного кон­ца сегмент предварительно расслаивают на границе атеросклеротического поражения стенки на 10 мм с помощью хи­рургических пинцетов. Наружный непораженный слой стен­ки сосуда закрепляют путем его отбортовки на специаль­ной втулке соответствующего диаметра, которую затем уста­навливают в неподвижном зажиме испытательной машины. Внутренний пораженный слой перевязывают шелковой ни­тью и закрепляют в зажиме на подвижной траверсе машины INSTRON3365.

Расслоение происходит под действием растягивающих усилий путем выворачивания кровеносного сосуда внутрен­ней поверхностью наружу с отделением пораженного слоя.

Испытания проводятся на различных скоростях нагруженяя с одновременной записью диаграммы «нагрузка – время».

По полученным данным определяют показатель сопро­тивления расслаиванию или прочность связи между слоями стенки сосуда. Выражение для в этом случае принимает следующий вид:

,

Значение определяют по диаграмме «нагрузка - вре­мя». Длина окружности сегмента на участке расслоения вы­числяется по формуле:

,

где диаметр сегмента сосуда; толщина выворачи­ваемой части стенки сосуда.

Характер расслоения зависит от состояния стенки сосу­да. Расслоение тем сложнее, чем больше степень пораже­ния, связанная со структурными превращениями сосудистой стенки. При этом разрыв связей происходит скачкообразно, с большой амплитудой изменения нагрузки. Наличие оча­гов склероза различной степени поражения и стадии влияет на уровень нагрузки, воспринимаемой испытываемым образ­цом.