УСТРОЙСТВО ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ И ОБРАЗЦОВ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ

Полезная модель относится к материаловедению, в частности, к проведению механических испытаний материалов медико-биологического назначения, образцов биологических тканей, а именно - композиционных пленок сложной структуры, образцов волос.
Для проведения механических испытаний материалов медико-биологического назначения, образцов биологических тканей и их искусственных аналогов фирмами-изготовителями специальные испытательные комплексы не производятся. Для этих целей могут быть использованы различные типы современных испытательных машин, предназначенных для исследования материалов, используемых в технических приложениях.
В медицинской литературе известно, что волос является одним из доступных биосубстратов, позволяющих получить обширную и объективную информацию при проведении различных видов исследований, например, о балансе микроэлементов в биоэлементологии, механических характеристиках в биоматериаловедении и биомеханике. Он является метаболически активным, а его взятие для анализа отличается простотой и отсутствием болезненных проявлений для пациента. Волосы используются как предпочтительный тест-объект Агентством по Защите Окружающей Среды США (АЗОС) для определения полученной дозы тяжелых металлов, для биологического мониторинга экологических антропогенных загрязнений окружающей среды.
Известны различные устройства для испытания материалов на прочность, в которых испытуемый образец устанавливается между вкладышей (авт. св. СССР №1796969, пат. РФ №2051356, ПМ РФ №145786). В данных устройствах возможно проведение испытаний только твердых образцов.
Известно приспособление для закрепления плоского образца при его испытаниях, содержащее захваты для образца и обоймы, составляющие звенья параллелограмма, взаимодействующего с нагружающим устройством (авт. св. СССР №729483). Данное устройство предназначено для крупных плоских образцов и не пригодно для образцов с толщиной 1-3 мм и менее, например, волоса, поперечный размер которого составляет 30-180 микрон.
Известно устройство для определения прочностных свойств пленочных материалов, для которого вырезают образец испытуемого материала в виде круга. Размещают его в матрице и зажимают пуансоном, по мере нагружения образца односторонним давлением до появления пластических деформаций снимают текущие показания давления от начала нагружения вплоть до разрыва образца (пат. РФ №2184361).
Известны устройства для испытания полимерных материалов и нитей на растяжение, содержащее зажимы образца, силоизмеритель, связанный с одним из зажимов, связанный с другим зажимом нагружающий механизм, и измеритель деформации (авт. св. СССР №1026034, №1747997). Из-за большого разброса значений прочности отдельных волокон для определения среднего значения прочности требуется проведение большого числа испытаний.
Известно устройство для определения фрикционных свойств волокна в виде волоса (пат. РФ №2135982), включающее цилиндрическое тело, размещенное на оси, проходящей через ось цилиндра и расположенное с возможностью помещения на части его боковой поверхности перпендикулярно образующей перекинутого через него нагруженного образца волокна, а также измерительное средство для измерения параметра, характеризующего силу трения волокна о боковую поверхность цилиндрического тела в виде диска. Устройство снабжено стойкой с зажимом для жесткого закрепления одного из концов нагруженного образца волокна, перекинутого через диск и нагруженного другого свободного конца грузом, обеспечивающим натяжение образца волокна. Способ заключается в том, что измеряют параметры, характеризующие силу трения между поверхностью цилиндрического тела и поверхностью нагруженного образца волокна.
Известно устройство (пат. РФ №2255323) для испытания нитей на растяжение, выбранное в качестве прототипа, включающее два зажима для образца, связанные через тяги с механизмом нагружения в виде площадки со штырями и расположенным на них грузом, привод перемещения площадки, привод механизма фиксации рычага и узел измерения деформации в виде сельсин-датчика, на котором закреплен двуплечий рычаг своей средней частью.
Известные устройства для крепления образцов при испытании материалов на растяжение, содержащие удерживающие испытуемый образец средства с тягами, взаимодействующими с механизмом для нагружения, не позволяют осуществить испытания образцов человеческого волоса, тонкой биологической пленки, например, кожи человека.
В качестве прототипа выбрана испытательная машина фирмы Instron с электромеханическим способом силовозбуждения (видом привода), позволяющая осуществлять механические испытания различных пленочных материалов, волокон и др. На рис. 1 представлена принципиальная схема универсальной настольной машины фирмы Instron.
Основные элементы устройства для механических испытаний материалов: нагрузочная рама, состоящая из двух направляющих колонн (1), основание (2), траверса (3). Рама представляет собой жесткую замкнутую конструкцию, позволяющую снижать до минимума ее деформацию под нагрузкой. Внутри каждой колонны находится ходовой винт (на рис. не показан), закрепленный с двух сторон на траверсе (3). При вращении ходового винта осуществляется подача траверсы вверх и вниз. Направляющие колонны (1) обеспечивают стабильность перемещения. Устройство функционирует по принципу замкнутой системы управления. Для управления используются данные о положении траверсы, силе нагрузки или величине деформации. В основании (2) нагрузочной рамы находится система привода. Крутящий момент с вала электродвигателя (7) передается на ходовые винты. Подача траверсы (3) происходит при синхронном вращении ходовых винтов. На траверсе (3) установлен динамометрический датчик (9), который соединен с активным зажимом (4), а на основании рамы закрепляется второй - пассивный зажим (6). Между зажимами (4) и (6) установлен образец (5). Зажимы снабжены губками (10), которые сжимаются с помощью пневмосистемы (8). Динамометрический датчик (9) преобразует нагрузку при испытании в электрический сигнал и подает его в систему управления на компьютер.
Хотя в процессе проведения механических испытаний учтены многие современные технические достижения, некоторые вопросы, включая закрепление образцов в захватах устройства для механических испытаний материалов, нуждаются в дальнейшем совершенствовании. В этой связи представляется актуальным решение вопросов, связанных с испытанием пленочных материалов, волокон, нитей, стержней волос при их незначительной толщине в условиях ограниченных размеров и количества: фиксация и закрепление образцов представляет значительную трудоемкость, не исключает «проскальзывания» и вытягивания из захватов устройства, что делает невозможным из-за указанных трудностей проведение их экспертизы.
Недостатком прототипа является невозможность закрепления в зажимном устройстве материалов медико-биологического назначения, образцов биологических тканей, а именно - композиционных пленок сложной структуры, образцов волос. Очень часто данные материалы испытаний представлены в ограниченном количестве.
Технической задачей предлагаемого технического решения является -расширение функциональных возможностей установки путем обеспечения испытаний тонких объектов толщиной 1-3 мм и менее за счет использования размещения испытуемого образца между губками и накладкой с адгезивным внутренним слоем и возможностью фиксации накладки на одну из губок активного зажима.
Техническая задача решается за счет использования устройства для механических испытаний материалов медико-биологического назначения и образцов биологических тканей, включающего нагрузочную раму, состоящую из двух направляющих колонн (1), внутри которых установлены ходовые винты, основание (2), траверсу (3), динамометрический датчик, пневмосистему (8), активный (4) и пассивный зажимы (6), снабженные губками (10). Одна из губок (11) активного зажима в верхней части выполнена с цилиндрическими фиксаторами (14), другая губка установлена таким образом, что верхний ее край расположен ниже цилиндрических фиксаторов (14), а пассивный (6) и активный зажимы (4) снабжены накладками (12, 15) с нанесенным на их внутреннюю поверхность адгезивным слоем, при этом накладка для активного зажима выполнена с отверстиями (13), расположенными напротив цилиндрических фиксаторов (14) с возможностью ее установки между губками (10, 11).
На рис. 2, а представлен активный зажим, где губка (11) активного зажима (4) выполнена с цилиндрическими фиксаторами (14), накладка (12) с отверстиями (13), губка (10), одинаковая для активного (4) и пассивного зажима (6). На рис. 2, б показан общий вид образцов пленки и волоса с накладками для их установки между зажимами (4) и (6).
Накладка (12) выполнена из плотного материала толщиной 1-1,5 мм с одним или двумя цилиндрическими отверстиями, диаметр которых соответствует диаметру цилиндрических фиксаторов (14) губки (11) (рис. 2, а). Внутренняя поверхность накладок имеет адгезивный слой, благодаря которому верхняя часть образца (5) быстро устанавливается и прочно соединяется с накладкой (12) и (15). В пассивном зажиме (6) используется аналогичная накладка, но без отверстий. После соединения образца с накладками (рис. 2, в) он подвешивается посредством накладки (12) с отверстиями на цилиндрических фиксаторах (14) усовершенствованной губки (11) активного захвата (4). Нижняя часть образца с накладкой (15) располагается в зоне пассивного зажима (6). После указанной предварительной установки включается пневмосистема 8 и образец с помощью губок (11) и (10) (рис. 2, а) надежно закрепляется в зажимах, исключая возможность их проскальзывания и вытягивания из зажимов в процессе испытания.
Управление устройством для механических испытаний материалов выполняется с помощью программного обеспечения, включая необходимые вычисления, обработку данных, вывод результатов эксперимента в удобной для пользователя форме и создание электронного варианта отчета. С учетом характера приложения нагрузок во времени (статические, динамические, усталостные или повторно-переменные) можно выбрать параметры режима испытания (скорость нагружения, деформирования и др.), позволяющие установить закономерности поведения материала в зависимости от особенностей возрастания нагрузки образца вплоть до его разрушения. При этом в любой момент можно определить значения усилия (напряжения), приложенного к образцу, и измерить деформацию.
Используемые накладки (12) могут иметь различную форму, размеры, количество установочных отверстий в зависимости от типов используемых при проведении испытаний образцов - полосок, волокон, нитей, стержней волос (рис. 2,6). Они позволяют исключить повреждение находящейся в зажиме части испытываемого образца, не вызывают снижения его реальных механических характеристик и обеспечивают достижение разрушения в средней части рабочей длины в полном соответствии с требованиями биомеханических исследований и биоматериаловедения.
Пример. Подготовка образца для испытания
На накладку (15) с внутренним адгезивным слоем для пассивного зажима (6) сверху укладывают нижнюю часть образца. Накрывают образец другой аналогичной накладкой, обеспечивая тем самым плотное клеевое соединение накладки с испытываемым образцом. Верхний конец образца укладывают на накладку (12) для активного зажима (4) с отверстиями (для волоса - с одним отверстием, для пленки - с двумя). Так же накрывают образец другой накладкой (15), обеспечивая плотное клеевое соединение. Подготовленный образец подвешивают на цилиндрические фиксаторы (14) губки (11). Сжимают губки (10, 11) с помощью пневмосистемы (8), обеспечивая надежное закрепление как накладок в губках, так и образца в накладках.
Предлагаемое техническое решение открывает широкие перспективы для проведения массовых испытаний образцов биологических тканей - кожи (натуральной и искусственного происхождения), костной ткани с различным композиционным составом, материалов медико-биологического назначения (резиновые, полимерные пленки и др.), тканных материалов, включая перевязочные, волокон (шовные материалы, нити, стержни волос и др.).