Name: a coupled experiment-finite element modeling methodology for assessing high strain rate mechanical response of soft biomaterials
Uploaded: 2015-05-18T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Coupled Experiment-finite Element Modeling Methodology for Assessing High Strain Rate Mechanical Response of Soft Biomaterials at JoVE.com

The authors would like to recognize the Center for Advanced Vehicular Systems (CAVS) and the Agricultural and Biological Engineering Department at Mississippi State University for supporting this work. This material is based upon work supported by the U.S. Army TACOM Life Cycle Command under Contract No. W56HZV-08-C-0236, through a subcontract with Mississippi State University, and was performed for the Simulation Based Reliability and Safety (SimBRS) research program. Also, this material is based upon work supported by the National Nuclear Security Administration, (Department of Energy) under award number [DE-FC26-06NT42755]. Finally, the authors would like to thank Mr. David Adams, Mr. Michael McCollum and Ms. Erin Colebeck for their effort in this research.

MERK: Etikk Statement: Den nåværende arbeid er unik for institusjonens forskningspolitikk, og følger strengt den aktuelle bio-sikkerhet og Office of Regulatory Compliance (ORC) retningslinjer. 1. Biomateriale Specimen anskaffelser <ol><li> Bruk personlig verneutstyr i henhold til standard for biologisk protokoller fra laboratoriet og / eller institusjon. Bruk lukket-toed sko, lange bukser, en frakk, kirurgiske hansker, en beskyttende maske og vernebriller ved håndtering av svin vev og ...

<ol>
	<li>Champion, H. R., Holcomb, J. B., Young, L. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Injuries+from+explosions:+physics,+biophysics,+pathology,+and+required+research+focus.">Injuries from explosions: physics, biophysics, pathology, and required research focus.</a> J Trauma. 66 (5), 1468-1477 (2009).</li><li>Aubry, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Summary+and+agreement+statement+of+the+First+International+Conference+on+Concussion+in+Sport,+Vienna+2001.+Recommendations+for+the+improvement+of+safety+and+health+of+athletes+who+may+suffer+concussive+injuries.">Summary and agreement statement of the First International Conference on Concussion in Sport, Vienna 2001. Recommendations for the improvement of safety and health of athletes who may suffer concussive injuries.</a> Br J Sports Med. 36 (1), 6-10 (2002).</li><li>Born, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Blast+trauma:+the+fourth+weapon+of+mass+destruction.">Blast trauma: the fourth weapon of mass destruction.</a> Scand J Surg. 94 (4), 279-285 (2005).</li><li>Cullis, I. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Blast+waves+and+how+they+interact+with+structures.">Blast waves and how they interact with structures.</a> J R Army Med Corps. 147, 16-26 (2001).</li><li>Ngo, T., Mendis, P., Gupta, A., Ramsay, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Blast+Loading+and+Blast+Effects+on+Structures&#8211;An+Overview.">Blast Loading and Blast Effects on Structures&#8211;An Overview.</a> Electronic Journal of Structural Engineering. 7, 76-91 (2007).</li><li>Usmani, Z., Alghamdi, F., Kirk, D., Usmani, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intelligent+Agents+in+Extreme+Conditions+&#8211;+Modeling+and+Simulation+of+Suicide+Bombing+for+Risk+Assessment.">Intelligent Agents in Extreme Conditions &#8211; Modeling and Simulation of Suicide Bombing for Risk Assessment.</a> Web Intelligence and Intelligent Agents. , (2010).</li><li>Guskiewicz, K. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cumulative+effects+associated+with+recurrent+concussion+in+collegiate+football+players+the+NCAA+Concussion+Study.">Cumulative effects associated with recurrent concussion in collegiate football players the NCAA Concussion Study.</a> JAMA. 290 (19), 2549-2555 (2003).</li><li>Finkelstein, E., Corso, P., Miller, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Incidence and Economic Burden of Injuries in the United States. , (2006).</li><li>Prabhu, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coupled+experiment/finite+element+analysis+on+the+mechanical+response+of+porcine+brain+under+high+strain+rates.">Coupled experiment/finite element analysis on the mechanical response of porcine brain under high strain rates.</a> JMech Behav Biomed Mater. 4 (7), 1067-1080 (2011).</li><li>Horstemeyer, M. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Integrated Computational Materials Engineering (ICME): Using Multiscale Modeling to Invigorate Engineering Design with Science. , (2012).</li><li>Bouvard, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+general+inelastic+internal+state+variable+model+for+amorphous+glassy+polymers.">A general inelastic internal state variable model for amorphous glassy polymers.</a> Acta Mechanica. 213, 1-2 (2010).</li><li>Kenner, V. H., Goldsmith, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+on+a+simple+physical+model+of+the+head.">Impact on a simple physical model of the head.</a> J Biomech. 6 (1), 1-11 (1973).</li><li>Khalil, T. B., Viano, D. C., Smith, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+analysis+of+the+vibrational+characteristics+of+the+human+skull.">Experimental analysis of the vibrational characteristics of the human skull.</a> J. Sound Vib. 63 (3), 351-376 (1979).</li><li>Pervin, F., Chen, W. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+mechanical+response+of+bovine+gray+matter+and+white+matter+brain+tissues+under+compression.">Dynamic mechanical response of bovine gray matter and white matter brain tissues under compression.</a> J Biomech. 42 (6), 731-735 (2009).</li><li>Prevost, T. P., Balakrishnan, A., Suresh, S., Socrate, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomechnics+of+brain+tissue.">Biomechnics of brain tissue.</a> Acta Biomater. 7 (1), 83-95 (2011).</li><li>Saraf, H., Ramesh, K. T., Lennon, A. M., Merkle, A. C., Roberts, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+properties+of+soft+human+tissues+under+dynamic+loading.J.">Mechanical properties of soft human tissues under dynamic loading.J.</a> J Biomech. 40 (9), 1960-1967 (2007).</li><li>Van Sligtenhorst, C., Cronin, D. S., Wayne Brodland, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+strain+rate+compressive+properties+of+bovine+muscle+tissue+determined+using+a+split+Hopkinson+bar+apparatus.">High strain rate compressive properties of bovine muscle tissue determined using a split Hopkinson bar apparatus.</a> J Biomech. 39 (10), 1852-1858 (2006).</li><li>Song, B., Chen, W., Ge, Y., Weerasooriya, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+and+quasi-static+compressive+response+of+porcine+muscle.">Dynamic and quasi-static compressive response of porcine muscle.</a> J Biomech. 40 (13), 2999-3005 (2007).</li><li>. MSU JHBT Data Processing and MSU High Rate Software Manual Available from: <a target="_blank" href="https://icme.hpc.msstate.edu/mediawiki/index.php/File:MSU_JHBT_Data_Processing_and_MSU_High_Rate_Software_Manual.zip">https://icme.hpc.msstate.edu/mediawiki/index.php/File:MSU_JHBT_Data_Processing_and_MSU_High_Rate_Software_Manual.zip</a> (2014)</li><li>Zhao, H., Gary, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+use+of+SHPB+techniques+to+determine+the+dynamic+behavior+of+materials+in+the+range+of+small+strains.">On the use of SHPB techniques to determine the dynamic behavior of materials in the range of small strains.</a> Int J Solids Struct. 33 (23), 3363-3375 (1996).</li><li>Zhao, H., Gary, G., Klepaczko, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+use+of+a+viscoelastic+split+hopkinson+pressure+bar.">On the use of a viscoelastic split hopkinson pressure bar.</a> Int J Impact Eng. 19 (4), 319-330 (1997).</li><li>. MSU TP Ver 1.1. Available from: <a target="_blank" href="https://icme.hpc.msstate.edu/mediawiki/index.php/File:MSU_TP_Ver_1.1.zip">https://icme.hpc.msstate.edu/mediawiki/index.php/File:MSU_TP_Ver_1.1.zip</a> (2014)</li><li>Gray, G. T., Blumenthal, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> ASM Handbook, Mechanical Testing and Evaluation. 8, 488-496 (2000).</li><li>Dharan, C. K. H., Hauser, F. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+stress-strain+characteristics+at+very+high+strain+rates.">Determination of stress-strain characteristics at very high strain rates.</a> Exp. Mech. 10 (9), 370-376 (1970).</li><li>Chen, J., Priddy, L. B., Prabhu, R., Marin, E. B., Horstemeyer, M. F., Williams, L. N., Liao, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Traumatic+Injury:+Mechanical+Response+of+Porcine+Liver+Tissue+under+High+Strain+Rate+Compression+Testing.">Traumatic Injury: Mechanical Response of Porcine Liver Tissue under High Strain Rate Compression Testing.</a> Proceedings of the ASME 2009 Summer Bioengineering Conference (SBC2009). , (2009).</li></ol>

Den rapporterte metodikk som kopler SHPB eksperiment og FE modellering av SHPB tilbyr en ny og enestående metode for å vurdere det virkelige uniaksial spenning-belastningsresponsen av et biomateriale ved høye belastnings priser. For å skaffe mekaniske egenskaper iboende til den opprinnelige vev, må man sørge for å holde biomateriale prøven mellom 5,56 til 7,22 ° C før SHPB testing. Hvis prøven ble avkjølt til under 5.56 ° C, vann til stede i vevet begynner å crystalize på is og deretter endrer vevets meka...

Motivasjon Kardinalen Målet med kombinert Split - Hopkinson Trykk Bar (SHPB) eksperiment / finite element modellering av myke biomaterialer (som hjerne, lever, sene, fett, etc.) var å trekke ut sine enaksete mekaniske atferd for videre implementering i menneskekroppen FE simuleringer henhold skadelige mekaniske belastninger. Menneskekroppen Finite Element (FE) Modellen består av en detaljert menneskekroppen mesh og en historie avhengig Multiscale viskoelastisk-viskoplastiske Intern State variabel (ISV) materiale modell for ulike organer. Denne menneskekroppen modellen kan brukes for et rammeverk for å bygge bedre standarder for skade beskyttelse, for å designe innovative verneutstyr, og for å aktivere beboer sentriske kjøretøy design. To moduser av høy hastighet skade har vært mye observert i menneskelig traumer: eksplosiv blast og sløv innvirkning. Blast skader fra eksplosive våpen er den viktigste kilden til traumatic skade (TI) og den ledende dødsårsaken på slagmarken en. Når detonert, disse eksplosiver danne en ytre forplanter sjokkbølge som produserer store og brå akselerasjoner og deformasjoner. De resulterende laster utgjøre alvorlige trusler mot de som utsettes. Selv om noen del av anatomien kan bli skadet av sjokkbølger, de viktigste områdene av bekymring er (1) underekstremitetene på grunn av sin nærhet til bakken, og (2) på hodet siden skader kan hemme normal hjernefunksjon og overlevelse 2 3. Disse skadene kan kategoriseres som primær, sekundær eller tertiær skader avhengig av type skade vedvarende. På grunn av styrken av et sprengstoff karakteriseres ved sin vekt eller størrelse, veggavstanden, positiv pulsvarighet, og mediet som den reiser, kan det være vanskelig å tilstrekkelig kategorisere disse skadene 3-6. Kongressens rapporter tyder på at militært personell har lidd nesten 179,000 traumatiske skader på grunn av eksplosivvåpen og kjøretøy krasjer i Irak og Afghanistan fra 2000 til mars 2010 2 personer. På grunn av naturen og plasseringer av moderne kamp, ​​hodeskader er en ledende bekymring for både militære og sivile tre. Bortsett fra kampscenarioer, har TI en rekke årsaker, inkludert bilindustrien traumer; rodeo, motorsykkel og innenlandske ulykker; og idrettsskader. For eksempel, til tross for forbedringer sikkerhetsutstyr og protokoller, mekanisk indusert traumatisk hjerneskade (TBI) fortsetter å være en ledende kilde til dødelighet og livslang sykelighet i USA The Center for Disease Control and Prevention (CDC) rapporterer om lag 1,4 millioner TBI hendelser hver år, hvorav nesten 50 000 er dødelig. Fotball alene står for mer enn 300.000 tbis hvert år 7. Overlevende etter slike skader er i faresonen for langsiktige nevrologiske komplikasjoner relatert til sensasjon, kognisjon og kommunikasjon. På denne tiden er det ca.5,3 millioner amerikanere lever med disse kroniske ulemper og funksjonshemninger. Direkte og indirekte amerikanske medisinske kostnader 2000-2010 utgjorde $ 60000000000 8. Men disse tallene ikke står for ikke-medisinske kostnader og tap, eller de pådrar familie og venner som støtter TBI pasienter. Utover rent økonomisk analyse, skaper TBI-indusert funksjonshemming en betydelig reduksjon i livskvalitet som kan manifestere seg som en betydelig belastning for familiene og samfunnet. Behovet for ytterligere forståelse av formasjonen, karakterisering, og forebygging av TI er klar. Biomekaniske studier av de underliggende mekanismene som forårsaker TI gi innsikt og mulighet til å redusere eksponeringen eller forbedre sikkerhetsfunksjonene for de med potensiell risiko for TI. Videre kan mer fremme av den generelle forståelsen av TI formasjon bedre diagnostiske metoder og kriterier, og gir helsepersonell som behandler TI med bedre metoder for å bedre resultatets og redde liv. En bedre kunnskap om skademekanismer og en bedre forståelse av biomekanikk av skadeutvikling er nødvendig for å utvikle effektive beskyttelsestiltak for menneskekroppen. Historisk sett har simuleringer som tar sikte på å forutsi skader blitt hemmet av beregnings restriksjoner samt troskap av anatomiske og materialmodeller som benyttes. Full body simuleringer har fokusert på de samlede belastningene på hver kroppsdel, men den lokale stress, belastning og skader i hvert organ, muskler, bein, etc. er ikke observert. For eksempel skulder øyeblikk modeller bruker dimensjonene på armen, lasten, og den påførte vinkel for å søke etter tabellverdier som angir hvorvidt en bestemt situasjon er farlig. En beregning av at naturen er nyttig for rask anslag men kan ikke fange opp det som skjer lokalt fra hånden helt til skulderen, spesielt når skader og skader er egentlig lokale. Dernest FE simulations har blitt brukt for å fange opp lokal respons. Begrensningen i dette arbeidet har ikke vært FEA seg selv, men de materielle modeller som definerer hver kroppsdel ​​atferd i henhold blast skader laster. Tidligere ansatt materialmodeller er tilpasset fra enklere materialer og har ikke forsøkt å fange myriade av komplekse mekaniske atferd utvist av biologisk vev. Derfor high-fidelity beregningsmodeller med ISV materielle modeller for organene i menneskekroppen representerer den mest realistiske måten å undersøke fysikk og biomekanikk TIS, å designe innovative verneutstyr, og til å etablere bedre standarder for skadeberegninger. Bakgrunn på Split-Hopkinson Trykk Bar (SHPB) og Intern State variabel (ISV) Material Model På grunn av etiske problemstillinger som er involvert med in vivo testing av menneskelige organer og de ​​logistiske problemene forbundet med bred skala menneskelig avdød testing, Current forskningsinnsats innebærer mekaniske eksperimenter in vitro ved hjelp eksemplarer fremstilt av organer hentet fra dyre surrogater (f.eks gris som mest brukte surrogat). Polymer SHPB har vært den foretrukne metoden for in-vitro testing myke biomaterialer ved høye belastnings priser. De relevante tektoniske atferd fra SHPB testing og tilsvarende vevsskade relatert informasjon fra mikro funksjonene i vev er innarbeidet i våre ISV materialmodeller for organ mekaniske beskrivelser 9-10. Disse materialmodeller blir deretter implementeres i vår virtuelle kroppen modell for å gjennomføre FEA av ulike skader. Denne prosessen gjør oss i stand til å bevege seg mot målet om nøyaktig forutsi den fysikk og natur skade for et gitt organ under forskjellige mekaniske belastningsforhold (f.eks blast-indusert, bilulykke og sløv innvirkning) uten behov for ytterligere fysisk eksperimentering. For nøyaktig å beskrive tHan fenomenologisk mekaniske egenskaper, særlig høyere strekkhastighet avhengighet, av biomaterialer som brukes i FE simuleringer av det menneskelige legeme, ble SHPB eksperimenter utført på de biomaterialer for å oppnå dynamisk-mekaniske responser ved tøyningshastigheter tilknytning til menneskets TIS. En oversikt over SHPB setup ved Center for Advanced Vehicular Systems (Cavs), Mississippi State University (MSU) er presentert i figur 1. Tidligere studier har vist at SHPB testing har tre store feil knyttet til den 12-18. Den første og viktigste er materialet en treghetseffekt, noe som viser seg i den høye tøyningshastighet mekaniske responsen av et biomateriale prøven som en første pigg. For å overvinne dette problemet, tidligere forskningsinnsatsen foreslått å modifisere geometrien av prøven fra sylindrisk form for å cuboidal eller ringform. De resulterende mekaniske oppførsel fra slike studier var annerledes from hverandre på grunn av geometrien av prøve påvirket bølgeforplantning, bølge vekselvirkninger, og den mekaniske respons. Denne type modifisering prøven geometri har ført til feilaktige fremstillinger av den mekaniske respons (fleraksiale og ikke-ensartet spenningstilstand) av biomaterialet. Den andre store feilen var den manglende evne til å opprettholde dynamisk kraft likevekt under en test. Forskere overvant dette problem ved å redusere prøvens tykkelse-til-diameter-forhold og / eller frysing av vevet før testing. Mens redusere prøvens tykkelse-til-diameterforhold opp spørsmålet om dynamiske kraftlikevekt, frysing vevet ytterligere komplisert testprosedyren som det endret materialegenskaper som følge av krystallisering av vann til stede i vevet. En rekke studier helt forlatt den SHPB å unngå de ovennevnte svakheter og brukes sjokkrør for å oppnå den trykktidsresponsen i forskjellige dyremodeller (rotter, griser, etc.). Men disse enimal modeller gir ikke endimensjonale enaksete stressstrekk atferd nødvendige for materialmodeller som brukes i FE simuleringer. Den tredje feilen var svikt i SHPB til å gi en dimensjons spennings-tøynings resultater på grunn av prøven barre på grunn av materialet mykhet og mengden av vanninnholdet i prøven. Derfor presenterer SHPB en levedyktig testapparat for å samle høy tøyningshastighet data. For myke materialer, imidlertid induserer SHPB utbuling som gir en tredimensjonal spenningstilstand hovedsakelig fra det hydrostatiske trykk, men den endimensjonale spennings-tøynings data er ønsket. Vi viser her hvordan man kan fortsatt bruke SHPB å samle den endimensjonale uniaxial sant stressbelastningskurve for materialet modell kalibrering; Imidlertid er prosessen involvert i å skaffe den sanne uniaksial spenning-belastningskurve komplisert. Denne prosessen inkluderer både de multiaksiale eksperimentelle data og Fe simuleringsresultatene, og det krever iterativ kalibrering avde materielle modell konstanter. Den en-dimensjonal implementering av ISV materiale modellen i MATLAB, også kjent som materiale punkt simulator, krever endimensjonale eksperimentelle data for kalibrering. Så ble ISV materialet modell optimalisert ved hjelp av en systematisk kalibreringsprosessen. Her ble det eksperimentelle data fra SHPB tester vurderes i sammenheng med bølgeteori formulering og dynamisk kraft likevekt (MSU High Rate-programvare). For å ta hensyn til viskoelastisk spredning av polymer SHPB, viskoelastiske sprednings ligninger, som rapportert av Zhao et al. (2007), ble implementert i MSU High Rate Software. De viskoelastiske spredning ligninger hjulpet i å sikre dynamisk kraft likevekt mens testing. Den endimensjonale materiale punkt simulator ble så justert i forbindelse med et par eksperiment-FE modellering metode inntil de to prosesser ble ansett for å være hensiktsmessig kompatible, dvs. dataene fra begge var i god overensstemmelse. Disse dataene varbrukes til å justere ISV modell materialkonstanter ved å sammenligne MATLAB materialet respons simulatoren (endimensjonal) mekanisk respons og SHPB FE modellens (endimensjonal) prøvesenter stress. Her FE modellens prøven stresset komponenten var langs bølgebelastning retning. Da den tredimensjonale oppførsel av FE-modellen prøve ble kalibrert ved iterativt å utføre simuleringer FE og justering ISV konstanter, slik at volum gjennomsnitt belastningsretningen spenning korrelerte godt med eksperimentelle sann spennings-tøynings respons. Således ble gjennomført en prosess med iterativ optimalisering mellom de eksperimentelle data, Fe resultater, og en-dimensjonal modell ISV materiale. Tabell 1 gir en oppsummering av de variabler av ISV materiale modell (MSU TP Ver. 1.1) 11. Det viktigste element for denne metoden er å skaffe en-dimensjonal mekanisk respons av biomateriale og dens materialparametrefor ISV materialet modell, som omgår SHPB testing utgaver av spenningstilstand ujevnhet. Det skiller også ut den første ikke-lineære responsen til biomaterialet som følge av treghetseffekter og gjengir en mekanisk respons som er iboende i materialet. Det kombinert metodikk viste også at en endring i prøven geometri fullstendig endrer randverdiproblem (BVP) og laste retning sanne stress belastning av prøven. Som sådan kan den ovennevnte metoden brukes med ethvert materiale modell (fenomenologisk eller mikrobasert) for kalibrering og deretter simulere høy belastning rente atferd av menneskelige organer i henhold skadelige mekaniske belastninger.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="951">
	<tbody>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:699px;">Description</td>
			<td style="width:141px;">Provider</td>
			<td style="width:53px;"></td>
			<td style="width:59px;">Quantity</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">High pressure 316 stainless steel threaded pipe fitting, 1/2 male x 1/4 female pipe size, hex reducing bushing</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Type 316 stainless steel threaded pipe fitting, 3/4 male x 1/4 female, hex reducing bushing 150 psi</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Easy-maintenance type 316SS ball valve, with 316 stainless steel ends, 1/2&#34; NPT female</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Easy-maintenance type 316SS ball valve, with 316 stainless steel ends, 3/4&#34; NPT female</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">ASME-code stainless steel pop-safety valve, 1/4 NPT male, 300 psi</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Precision extreme-pressure 316SS pipe fitting, 1/2 x 1/2 pipe size, 1-7/8&#34; length, hex nipple</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">8</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">type 316 stainless steel threaded pipe fitting, 1/2 pipe size, tee, 150 psi</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Test gauge with safety case, polyester case, standard, dry, 600 psi</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Digital gauge, plastic case, 2-1/2&#34; dial, 1/4 bottom connection, 300 psi</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Type 316 stainless steel 37 degree flared tube fitting, adapter for 1/4&#34; tube OD x 1/8&#34; NPT male pipe</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">12</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">303 stainless steel 37 degree JIC swivel fitting for 3/16&#34; ID</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">12</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">High-pressure chemical hose, 3/16&#34; ID, 0.312&#34; OD, 3000 psi</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">6</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">High-Purity Gas Regulator Single-Stage, Nitrogen, 0-125 PSI, CGA #580</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Hose for Nitrogen Gas, Argon, and Oxygen Brass Fem Fittings, PTFE Hose, 3&#39;L, 1/4&#34; ID, 3600 PSI</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Extreme-Pressure 316 SS Threaded Pipe Fitting 1/4 X 1/4 Pipe Size, Hex Nipple</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">4</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Extreme-Pressure 316 SS Threaded Pipe Fitting 3/4 X 3/4 Pipe Size, Hex Nipple</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Extreme-Pressure 316 SS Threaded Pipe Fitting 1/4 Male X 1/8 Female Pipe Size, Hex Bushing</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Standard Brass Compression Tube Fitting Adapter for 1/4&#34; Tube OD X 1/4&#34; NPTF Male Pipe</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">4</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Kobalt 1/4 in Mini Regulator with Gauge</td>
			<td>Lowes</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">1/4&#34; x 25 ft polyethylene tubing</td>
			<td>Lowes</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">1-1/2&#34; Diameter Polycarbonate (PC) Rod</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">LTV-35 4-Way Valve Mead Fluid Dynamics</td>
			<td>Motion Industries</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Pneumatic double action actuator</td>
			<td>Valtronic</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Stainless Steel Ball Valve 1/2&#34;</td>
			<td>Valtronic</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Buckeye pressure vessel</td>
			<td>Buckeye</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="60">
			<td height="60" style="height:60px;">SR-4 General Purpose FAE-25-35SX Strain Gages</td>
			<td style="width:141px;">Micro-Measurement Vishay Precision Group</td>
			<td style="width:53px;"></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="60">
			<td height="60" style="height:60px;">M-M Signal Conditioning Amplifier 2310A</td>
			<td style="width:141px;">Micro-Measurement Vishay Precision Group</td>
			<td style="width:53px;"></td>
			<td align="right">1</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Laser ROLS-W optical sensor</td>
			<td>Monarch Instruments</td>
			<td></td>
			<td align="right">1</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a coupled experiment-finite element modeling methodology for assessing high strain rate mechanical response of soft biomaterials

Denne studien gir en kombinert eksperimentell og finite element (FE) simulering tilnærming for å undersøke den mekaniske oppførsel av myke biomaterialer (f.eks hjerne, lever, sene, fett, etc.) når de utsettes for høye tøyningshastigheter. Denne studien benyttet en Split-Hopkinson Trykk Bar (SHPB) for å generere tøyningshastigheter av 100-1,500 sek -1. Den SHPB ansatt en spiss bar som består av et viskoelastisk materiale (polykarbonat). En prøve av biomaterialet løpet av kort tid ble oppnådd postmortem og forberedt for SHPB testing. Prøven ble plassert mellom hendelsen og overførte barer, og pneumatiske komponenter i SHPB ble aktivert for å kjøre spissen bar mot hendelsen bar. Den resulterende innvirkning generert en trykkspenning wave (dvs. hendelsen bølgen) som reiste gjennom hendelsen bar. Når trykkspenningsbølgen har nådd slutten av hendelsen bar, en del satte fremover gjennom prøven og overført bar (i.e. sendte bølgen), mens en annen del reversert gjennom hendelsen bar som en strekk bølge (dvs. reflektert bølge). Disse bølgene ble målt ved hjelp av strekklapper montert på hendelsen og overførte barer. Den sanne spennings-tøynings oppførsel av prøven ble bestemt fra ligningene basert på bølgeutbredelse og dynamisk kraftlikevekt. Den eksperimentelle stress belastning responsen var tredimensjonalt i naturen fordi prøven bulte. Som sådan, er den hydrostatiske belastning (første invariant) anvendt for å danne stress-spenningsrespons. For å trekke ut uniaksial (endimensjonal) mekanisk reaksjon i vevet, ble en iterativ kombinert optimalisering utføres ved hjelp av eksperimentelle resultater og Finite Element Analysis (FEA), som inneholdt en intern tilstandsvariabel (ISV) materiale modellen som brukes for vev. ISV materiale modellen som brukes i FE simuleringer av det eksperimentelle oppsettet ble iterativt kalibrert (dvs. optimalisert) til den eksperimentelle data som that eksperimentet og FEA strekklapp verdier og første invariant av spenninger var i god avtale.

<html> Effektiviteten av det koblede metoden som er eksemplifisert i figur 3. Her SHPB eksperimentelle spennings-tøynings respons for hjernen er på et lavere spenningstilstand (med en maksimal belastning på 0,32 MPa) i forhold til spenningstilstand av den endimensjonale material punkt simulator (med en toppverdi på 0,74 MPa), som er beslektet med FE prøvemidtlinjen (element) gjennomsnitt. Dette er på grunn av beskaffenheten av deformasjon som myke biomaterialer utstillingen. Fordi belastningen er h...

Watch this Scientific Journal Video about A Coupled Experiment-finite Element Modeling Methodology for Assessing High Strain Rate Mechanical Response of Soft Biomaterials at JoVE.com

A Coupled Experiment-finite Element Modeling Methodology for Assessing High Strain Rate Mechanical Response of Soft Biomaterials

Den aktuelle studien foreskriver en kombinert eksperiment-finite element simulering metodikk for å oppnå uniaksial dynamisk mekanisk respons av myke biomaterialer (hjerne, lever, sene, fett, etc.). De multiaksiale eksperimentelle resultatene som oppsto på grunn av prøven svulmende hentet fra Split-Hopkinson Trykk Bar testing ble gjort til en uniaksial sann stress belastning atferd når simulert gjennom iterativ optimalisering av finite element analyse av biomateriale.

En Sammen Experiment-Finite Element Modeling Methodology for Assessing Høy Strain Rate Mekanisk Response av Soft biomaterialer

This study offers a combined experimental and finite element (FE) simulation approach for examining the mechanical behavior of soft biomaterials (e.g. ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Microfabricated Platforms for Mechanically Dynamic Cell Culture

The ability to systematically probe in vitro cellular response to combinations of mechanobiological stimuli for tissue engineering, drug discovery or ...

Polymer Microarrays for High Throughput Discovery of Biomaterials

The discovery of novel biomaterials that are optimized for a specific biological application is readily achieved using polymer microarrays, which allows a ...

An Improved Mechanical Testing Method to Assess Bone-implant Anchorage

En forbedret mekanisk testing metode for å vurdere Bone-implantat Anchorage

Recent advances in material science have led to a substantial increase in the topographical complexity of implant surfaces, both on a micro- and a ...

Fabrication and Implantation of Miniature Dual-element Strain Gages for Measuring In Vivo Gastrointestinal Contractions in Rodents.

Fabrication and Implantation of Miniature Dual-element Strain Gages for Measuring In Vivo Gastrointestinal Contractions in Rodents.

Fabrikasjon og Implantasjon av miniatyr Dual-element strekklapper for måling<em&gt; In Vivo</em&gt; Gastrointestinal Sammentrekninger i gnagere.

Gastrointestinal dysfunction remains a major cause of morbidity and mortality. Indeed, gastrointestinal (GI) motility in health and disease remains an ...

An Experimental and Finite Element Protocol to Investigate the Transport of Neutral and Charged Solutes across Articular Cartilage

En eksperimentell og Finite Element-protokollen for å undersøke Transport av nøytrale og siktet Oppløste stoffer over Leddbrusk

Osteoarthritis (OA) is a debilitating disease that is associated with degeneration of articular cartilage and subchondral bone. Degeneration of articular ...

Magnetic Levitation Coupled with Portable Imaging and Analysis for Disease Diagnostics

Magnetisk Levitation Sammen med Portable Imaging and Analysis for sykdomsdiagnostikk

Currently, many clinical diagnostic procedures are complex, costly, inefficient, and inaccessible to a large population in the world. The requirements for ...

Quantification of Strain in a Porcine Model of Skin Expansion Using Multi-View Stereo and Isogeometric Kinematics

Kvantifisering av Strain i en svinekjøtt Model of Skin Expansion Bruke Multi-View Stereo og Isogeometric Kinematikk

Tissue expansion is a popular technique in plastic and reconstructive surgery that grows skin in vivo for correction of large defects such as burns and ...

Methodology for Biomimetic Chemical Neuromodulation of Rat Retinas with the Neurotransmitter Glutamate In Vitro

Methodology for Biomimetic Chemical Neuromodulation of Rat Retinas with the Neurotransmitter Glutamate In Vitro

Metodikk for Biomimetic kjemiske Neuromodulation av rotte Netthinne med signalstoffet glutamat In Vitro

Photoreceptor degenerative diseases cause irreparable blindness through the progressive loss of photoreceptor cells in the retina. Retinal prostheses are ...

Stiffness Measurement of Soft Silicone Substrates for Mechanobiology Studies Using a Widefield Fluorescence Microscope

Stivhet måling av myk silikon underlag for Mechanobiology studier med Widefield fluorescens mikroskop

Soft tissues in the human body typically have stiffness in the kilopascal (kPa) range. Accordingly, silicone and hydrogel flexible substrates have been ...

Biaxial Mechanical Characterizations of Atrioventricular Heart Valves

Biaxial mekanisk Characterizations av atrioventrikulær hjertet ventiler

Extensive biaxial mechanical testing of the atrioventricular heart valve leaflets can be utilized to derive&#160;optimal parameters used in constitutive ...