ЗАЖИМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ И ОБРАЗЦОВ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
CLAMPING DEVICE FOR MECHANICAL TESTING OF MEDICAL AND BIOLOGICAL MATERIALS AND BIOLOGICAL TISSUE SAMPLES

Изобретение относится к испытательной технике в медицинском материаловедении и предназначено для исследования прочностных свойств биологических тканей путем приложения к ним одноосных механических нагрузок, в частности, при экспериментальном моделировании одноосного разрыва сосудистой ткани, тканей различных биологических оболочек (перикарда, фасций мышечной ткани, апоневроза) тканей, симулирующих биологические (бактериальной наноцеллюлозы), а также заменителей ТМО.
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 универсальных разрывных машин, предназначенных для исследования материалов, используемых в технических приложениях. В то же время, например, из-за особенностей использования имплантата ТМО (гладкая, упругая и влажная поверхность), испытание этого материала, используя стандартную конфигурацию универсальных разрывных машин, представляет сложную задачу. Идущие в комплекте к любой разрывной машине зажимы не позволяют надежно зафиксировать такой образец, что ведет к проскальзыванию образца, и, следовательно, неточным измерениям.
Известно устройство для механических испытаний материалов медико-биологического назначения и образцов биологических тканей по патенту РФ №166260. Данное устройство включает нагрузочную раму, состоящую из двух направляющих колонн, внутри которых установлены ходовые винты, основание, траверсу, динамометрический датчик, пневмосистему, активный и пассивный зажимы, снабженные губками, одна из губок активного зажима в верхней части выполнена с цилиндрическими фиксаторами, при этом другая губка установлена таким образом, что верхний ее край расположен ниже цилиндрических фиксаторов, а пассивный и активный зажимы снабжены накладками с нанесенным на их внутреннюю поверхность адгезивным слоем, кроме того, накладка для активного зажима выполнена с отверстиями, расположенными напротив цилиндрических фиксаторов с возможностью ее установки между губками.
К недостаткам данного устройства следует отнести непосредственный контакт ткани с разрывной машиной. Это будет приводить к необходимости постоянной обработки элементов самой машины дезинфицирующими растворами и чистящими средствами, что, во-первых, не удобно, а, во-вторых, может приводить к преждевременному износу конструктивных элементов разрывной машины.
Наиболее близким к предлагаемому является зажимное устройство по патенту РФ №2377530, которое содержит корпус с механизмом сжатия образца, две зажимные губки. Корпус выполнен в виде дугообразных базовой и накладной балок с выполненными на их внутренних рабочих поверхностях выступами. На внутренней рабочей поверхности базовой балки неподвижно установлены шпильки, которые подвижно размещены в направляющих отверстиях, выполненных в накладной балке. Каждая шпилька снабжена съемной зажимной гайкой. Шпильки и зажимные гайки составляют механизм сжатия образца. Верхняя и нижняя съемные зажимные губки выполнены в виде полукруга, прямой край которого выполнен в виде бортика. Бортик нижней зажимной губки направлен в сторону базовой балки, а бортик верхней зажимной губки направлен в сторону, противоположную от базовой балки. В плоскости нижней зажимной губки через ее выпуклый край выполнены перпендикулярно бортику сквозная срединная выемка, касающаяся бортика, и параллельно по ее обеим сторонам сквозные боковые выемки для размещения в них шпилек базовой балки. В пластине верхней зажимной губки выполнены сквозные трафаретные отверстия. Вблизи выпуклого края пластины выполнены установочные отверстия для размещения в них шпилек базовой балки, а в средней части прямого края через бортик выполнена проточка с нанесенными на ее края центровочными рисками.
К недостаткам устройства по патенту 2377530 следует отнести зажимание образца путем его прокола. Проколы образца могут создавать дополнительные концентраторы напряжений и искажать результаты экспериментов. Это особенно важно при исследовании тонких анизотропных биологических структур. Кроме того, закрепление верхних и нижних зажимных губок относительно друг друга с помощью закручивающихся гаек не гарантирует надежное закрепление образца. При многократном циклическом нагружении, чего требует общепризнанная техника работы при испытаниях биоматериалов (G. Holzapfel et al. 2006), конструкция с гайками становится подвижной (гайки выкручиваются), что повышает риск его смещения.
Задача предлагаемого изобретения заключается в разработке устройства, обеспечивающего достоверность исследования прочностных свойств биологических тканей путем приложения к ним одноосных механических нагрузок
Технический результат - надежная фиксация образца биологической ткани при сохранении его целостности и визуализации зоны испытания.
Поставленная задача решается тем, что зажимное устройство для механических испытаний материалов медико-биологического назначения и образцов биологических тканей включает зажимы, зажимные губки с адгезивным участком, фиксатор. Согласно предлагаемой полезной модели устройство дополнительно снабжено направляющим устройством, выполненным в виде прямоугольного основания с двумя вертикальными стенками из материала с упругими свойствами на противоположных сторонах основания, на внутренних противолежащих поверхностях вертикальных стенок выполнены продольные элементы с центральным скругленным продольным пазом; зажимы выполнены в виде двух верхних и двух нижних пассивных зажимов; каждый нижний пассивный зажим выполнен в виде Т-образного основания, верхняя горизонтальная плоскость которого образует установочный элемент, а вертикальная плоскость образует основание, в центральной части верхней плоскости установочного элемента выполнена нижняя зажимная губка с рельефной поверхностью в виде чередующихся продольных выступов и углублений, по краям зажимной губки в установочном элементе выполнены сквозные отверстия, а на нижней плоскости основания перпендикулярно к основанию выполнен направляющий элемент с сечением в виде прямоугольника, переходящего в скругленное утолщение (как показано на фиг. 4), причем сечение нижней скругленной части направляющего элемента ответно центральным скругленным продольным пазам в продольных элементах вертикальных стенок, в месте соединения установочного элемента и основания перпендикулярно к основанию выполнена ограничительная стенка, к которой примыкает торец направляющего элемента; каждый верхний пассивный зажим выполнен в виде прямоугольной площадки, на одной из плоскостей внутренней стороны которой в средней части выполнена верхняя зажимная губка с рельефной поверхностью в виде чередующихся продольных выступов и углублений выполненных так, чтобы при наложении на нижнюю зажимную губку выступы в зажимной губке совпадали с углублениями в зажимной губке, по краям верхней зажимной губки выполнены вертикальные выступы, расстояние между которыми соответствует расстоянию между сквозными отверстиями в нижнем пассивном зажиме, форма каждого вертикального выступа соответствует форме сквозного отверстия, а высота вертикального выступа соответствует толщине установочного элемента, по обеим сторонам от вертикальных выступов выполнены запирающие элементы, например, в форме защелки по типу клипсы, запирающие элементы соединены с вертикальными выступами посредством пружинного элемента, причем, расстояние между внутренними выступами противолежащих запирающих элементов выполнено таким, чтобы обеспечить надежное крепление верхнего пассивного зажима на нижнем пассивном зажиме, например, меньше длины нижнего пассивного зажима, как минимум, на 1 мм; нижние пассивные зажимы посредством направляющего элемента на основании установлены в центральном продольном пазе направляющего устройства навстречу друг другу основанием, верхние пассивные зажимы установлены на нижних пассивных зажимах так, что верхние и нижние зажимные губки расположены напротив друг друга, вертикальные выступы верхних пассивных зажимов установлены в сквозных отверстиях соответствующих нижних пассивных зажимов, а запирающие элементы верхних пассивных зажимов защелкнуты на торцах нижних пассивных зажимов.
Предлагаемая конструкция обеспечивает надежное зажимание образца без нарушения его целостности, что обеспечивает повышение достоверности проводимого исследования. Сохранение целостности образца при его надежной фиксации между двумя пассивными зажимами позволяет получить достоверные данные о механических характеристиках материала. Хорошая визуализация области испытания позволяет использовать различного рода экстензометры в ходе испытания.
Изобретение поясняется фигурами, на которых представлены составляющие заявляемого устройства. На фиг. 1 представлен верхний пассивный зажим, на фиг. 2 - нижний пассивный зажим, на фиг. 3 - направляющее устройство, на фиг. 4 - сечение направляющего элемента, на фиг. 5 - вид сбоку направляющего устройства.
Направляющее устройство (фиг. 3) выполнено в виде прямоугольного основания 1 с двумя вертикальными стенками 2 из материала с упругими свойствами. На внутренних противолежащих поверхностях вертикальных стенок 2 выполнены продольные элементы 3 с центральным скругленным продольным пазом 4. Каждый нижний пассивный зажим (фиг. 2) выполнен в виде Т-образного основания, верхняя горизонтальная плоскость которого образует установочный элемент 5, а вертикальная плоскость образует основание 6, причем, ширина основания больше либо равна ширине испытуемого образца. В центральной части верхней плоскости установочного элемента 5 выполнена площадка 7 с рельефной поверхностью в виде чередующихся продольных выступов 8 и углублений 9. По краям зажимной губки 7 в установочном элементе 5 выполнены сквозные отверстия 10, а на нижней плоскости основания 6 перпендикулярно к основанию 6 выполнен направляющий элемент 11, сечение которого выполнено таким, чтобы в совокупности с продольными элементами 3 вертикальных стенок 2 направляющего элемента образовать гарпунное крепление. Для этого сечение направляющего элемента 11 выполнено в виде прямоугольника, переходящего в скругленное утолщение (как показано на фиг. 4), причем сечение нижней скругленной части направляющего элемента 11 ответно центральным скругленным пазам в продольных элементах 3 вертикальных стенок 2. В месте соединения установочного элемента 5 и основания 6 перпендикулярно к Т-образному основанию выполнена ограничительная стенка 12, к которой примыкает торец направляющего элемента 11. Каждый верхний пассивный зажим выполнен в виде прямоугольной площадки 13, в средней части внутренней плоскости которой в средней части выполнена верхняя зажимная губка 14 с рельефной поверхностью в виде чередующихся продольных выступов 15 и углублений 16 выполненных так, чтобы при наложении на нижнюю зажимную губку 7 выступы 15 в зажимной губке 14 совпадали с углублениями 9 в зажимной губке 7. По краям верхней зажимной губки 14 выполнены вертикальные выступы 17, расстояние между которыми соответствует расстоянию между сквозными отверстиями 10 в нижнем пассивном зажиме, форма каждого вертикального выступа 17 соответствует форме сквозного отверстия 10, а высота вертикального выступа 17 соответствует толщине установочного элемента 5. По обеим сторонам от вертикальных выступов 17 выполнены запирающие элементы 18, например, в форме защелки по типу клипсы. Запирающие элементы 18 соединены с вертикальными выступами 17 посредством пружинного элемента 19, причем, расстояние между внутренними выступами противолежащих элементов 18 выполнено таким, чтобы обеспечить надежное крепление верхнего пассивного зажима на нижнем пассивном зажиме, например, меньше длины нижнего пассивного зажима, по меньшей мере, на 1 мм. Нижние пассивные зажимы посредством направляющего элемента 11 на основании 6 установлены в центральном продольном пазе 4 направляющего устройства навстречу друг другу основаниями 6. Верхние пассивные зажимы установлены на нижних пассивных зажимах так, что верхние 14 и нижние зажимные губки 7 расположены напротив друг друга. Вертикальные выступы 17 верхних пассивных зажимов установлены в сквозных отверстиях 10 соответствующих нижних пассивных зажимов, а запирающие элементы 18 верхних пассивных зажимов защелкнуты на торцах соответствующих площадок 5 нижних пассивных зажимов.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Устанавливают на плоскости направляющее устройство (фиг. 3) на основание 1. Нижний пассивный зажим (фиг. 2) устанавливают в направляющем устройстве. Для этого направляющие элементы 11 каждого из двух нижних пассивных зажимов устанавливают в центральных скругленных продольных пазах 4 на продольных элементах 3 вертикальных стенок 2 направляющего устройства навстречу друг другу основаниями 6. При этом нижняя цилиндрическая часть направляющего элемента 11 образует гарпунное крепление с вертикальными стенками 2. Оба нижних пассивных зажима теперь установлены в направляющем устройстве навстречу друг другу с возможностью продольного перемещения в пазах 4 продольных элементов 3. Причем, каждая ограничительная стенка 12 нижнего пассивного зажима упирается в соответствующие торцы вертикальных стенок 2, тем самым ограничивая продольное перемещение пассивных зажимов навстречу друг другу.
Укладывают испытываемый образец так, чтобы его рабочая поверхность располагалась вдоль направленных навстречу друг другу оснований 6, а более широкие концевые части образца размещались на рельефных поверхностях нижних зажимных губок 7. Ширина основания больше либо равна ширине испытуемого образца, что исключает вероятность провисания образца.
На нижние пассивные зажимы устанавливают верхние пассивные зажимы (фиг. 1). Для этого вертикальные выступы 17 по краям зажимных губок 14 вставляют в сквозные отверстия 10 нижнего пассивного зажима. При этом рельефная поверхность верхней зажимной губки 14 отвечает рельефной поверхности нижней зажимной губки 7 таким образом, что выступ 15 верхней зажимной губки соответствует углублению 9 нижней зажимной губки 7 и наоборот. Верхний пассивный зажим прижимают к нижнему пассивному зажиму и защелкивают запирающие элементы 18 на торцах нижних пассивных зажимов. Испытываемый образец оказывается надежно зажатым между нижними 7 и верхними 14 зажимными губками.
Далее зажимное устройство с закрепленным в нем образцом помещают в зажимах разрывной машины. Упругие вертикальные стенки 2 отгибают так, чтобы элемент 11 вышел из продольных пазов 4, после чего удаляют направляющий элемент и проводят испытание.
Промышленная применимость предлагаемого устройства подтверждается примером конкретного выполнения.
Из пластика PLA на 3D принтере Original Prusa i3 MK3S Kit (Чешская Республика) методом 3D печати изготавливают направляющее устройство в виде прямоугольного основания; аналогично изготавливают два верхних и два нижних зажима; устанавливают нижние пассивные зажимы в направляющем устройстве. Затем накладывают испытываемый образец на продольные выступы и углубления между сквозными отверстиями в нижнем пассивном зажиме и на основание так, чтобы края образца полностью умещались на продольных выступах углублениях нижней зажимной губки, а его центральная часть находилась на основании нижних пассивных зажимов. Поверх испытываемого образца устанавливают на нижние пассивные зажимы верхние пассивные зажимы так, чтобы вертикальные выступы верхних пассивных зажимов входили в сквозные отверстия нижних пассивных зажимов. При этом испытываемый образец оказывается плотно зажатым между нижними и верхними пассивными зажимами за счет рельефности поверхностей в виде ответных выступов и углублений в нижней зажимной губке и верхней зажимной губке, которые соприкасаются с испытываемым образцом.
После этого устанавливают зажимное устройство в испытательной машине, например, Instron 5944, так что образец на основании нижнего пассивного зажима ориентирован по оси испытания. Упругие вертикальные стенки отгибают так, чтобы направляющий элемент вышел из продольных пазов направляющего устройства, после чего удаляют направляющий элемент и проводят испытание. При этом разрывная машина тянет верхний блок из пассивных зажимов вертикально вверх, при этом нижний блок из пассивных зажимов остается неподвижным. Происходит растяжение образца, зажатого между верхним и нижним блоками из пассивных зажимов. В процессе растяжения образца непрерывно измеряют деформацию и напряжение испытываемого образца, а в момент разрыва образца фиксируют предельное напряжение и предельную деформацию.