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.

OBS: Etik uttalande: Det nuvarande arbetet är unik för institutionens forskningspolitik, och strikt följer lämplig biosäkerhet och tjänstgörande regelefterlevnad (ORC) riktlinjer. 1. Biomaterial Prov Anskaffning <ol><li> Använd personlig skyddsutrustning i enlighet med standard biosäkerhet protokoll laboratoriet och / eller institution. Använd slutna rejäla skor, långbyxor, skyddsrock, operationshandskar, skyddsmask och skyddsglasögon vid hantering grisvävnad och testning. </...

<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>

Det rapporterade metod som kopplar SHPB experiment och FE modellering av SHPB erbjuder en ny och unik teknik för att bedöma enaxlig sanna stress stam svar på en biomaterial vid höga töjningshastigheter. För att upphandla mekaniska egenskaper är utmärkande för den naturliga vävnaden, måste man vara noga med att hålla biomaterialet provet mellan 5,56-7,22 ° C före SHPB testning. Om provet kyls under 5,56 ° C börjar vatten närvarande i vävnaden att kristallisera i is och därefter förändrar vävnads mek...

Motivation Kardinalen målet för den kopplade Split - Hopkinson Pressure Bar (SHPB) experiment / finita element modellering av mjuka biomaterial (såsom hjärna, lever, senor, fett, etc.) var att utvinna sina enaxlade mekaniska beteenden för fortsatt genomförande i människokroppen FE simuleringar inom ramen för skadliga mekanisk belastning. Den mänskliga kroppen Finita Element (FE) modell består av en detaljerad människokroppen mesh och en historia beroende multiscale viskoelastiska-viskoplastisk inre tillstånd variabel (ISV) materialmodell för olika mänskliga organ. Denna människokroppen modellen kan användas för ett ramverk för att bygga bättre normer för skydd skada, att utforma innovativa skyddsutrustning, och att göra det möjligt för passagerare centrerad fordonsdesign. Två typer av hastighet skada hög har ofta observerats i mänskliga trauman: explosionen och trubbig inverkan. Blast skador från explosiva vapen är den främsta källan till traumatic skada (TI) och ledande dödsorsaken på slagfältet 1. När detonerade dessa sprängämnen bildar en utåtföröknings stötvåg som producerar stora och plötsliga accelerationer och deformationer. De resulterande belastningar utgör allvarliga hot mot de som är utsatta. Även om någon del av anatomin kan skadas av stötvågor, de främsta problemområden är (1) den nedre extremiteterna på grund av dess närhet till marken, och (2) huvudet eftersom skador kan hämma hjärnans normala funktion och överlevnad 2 , 3. Dessa skador kan kategoriseras som primär, sekundär eller tertiära skador beroende på vilken typ av skada. Eftersom styrkan i en explosiv kännetecknas av sin vikt eller storlek, dödläge avstånd, positiv pulslängd, och medium genom vilket den färdas, kan det vara svårt att på ett adekvat kategori dessa skador 3-6. Kongressens rapporter visar att militär personal har lidit nästan 179,000 traumatiska skador på grund av explosivaVapen och fordon kraschar i Irak och Afghanistan från 2000 till och med mars 2 2010. På grund av naturen och platser av modern strid, skallskador är en ledande oro för både militära och civila 3. Bortsett från stridsscenarier har TI en mängd olika orsaker, inklusive fordons trauma; rodeo, motorcykel och olyckor i hemmet; och idrottsskador. Till exempel, trots förbättringar säkerhetsutrustning och protokoll, mekaniskt inducerad traumatisk hjärnskada (TBI) fortsätter att vara en ledande leverantör av dödlighet och livslångt sjuklighet i USA Center for Disease Control and Prevention (CDC) rapporterar cirka 1,4 miljoner TBI händelser vardera år, varav nästan 50000 är dödlig. Amerikansk fotboll står ensamt för mer än 300.000 Tbis varje år 7. Överlevande från sådana skador är i riskzonen för långsiktiga neurologiska komplikationer i samband med känsla, kognition och kommunikation. Vid denna tid finns det ungefär5,3 miljoner amerikaner som lever med dessa kroniska nackdelar och funktionshinder. Direkta och indirekta amerikanska sjukvårdskostnader 2000-2010 uppgick till $ 60 8 miljarder. Men dessa siffror inte hänsyn till icke-medicinska kostnader och förluster, eller de kostnader som familjerna och vänner som stöder TBI patienter. Utöver rent ekonomisk analys, skapar TBI-inducerad funktionshinder en betydande minskning av livskvaliteten som kan yttra sig som en betydande börda på familjer och samhället. Behovet av ytterligare förståelse av bildandet, karakterisering, och förebyggande av TI är tydlig. Biomekaniska studier av de bakomliggande mekanismer som orsakar TI ge insikt och möjlighet att minska exponeringen eller förbättra säkerhetsfunktioner för dem vid potentiell risk för TI. Dessutom kan mer utvecklingen av den allmänna förståelsen av TI bildning förbättra diagnostiska metoder och kriterier, vilket ger vårdpersonal som behandlar TI med bättre sätt att förbättra resultatets och rädda liv. En bättre kunskap om skademekanismer och en bättre förståelse för biomekanik skadeutvecklingen behövs för att utveckla effektiva skyddsåtgärder för människokroppen. Historiskt sett har simuleringar för att förutsäga skador hämmats av beräknings begränsningar samt trohet av den anatomiska och materialmodeller som används. Hela kroppen simuleringar har fokuserat på den totala belastningen på varje kroppsdel, men den lokala stress, stam, och skador i varje organ, muskler, ben, etc. har inte observerats. Till exempel, axel ögonblick modeller använder dimensioner armen, lasten, och den tillämpade vinkel för att söka efter tabellvärden som anger huruvida ett visst scenario är farligt. En beräkning av detta slag är till hjälp för snabba beräkningar, men kan inte fånga vad som händer lokalt från handen hela vägen till axeln, särskilt när skador och personskador är i sig lokalt. För det andra, FE simulations har använts för att fånga den lokala svars. Begränsningen i dessa ansträngningar har inte varit FEA själv, men de materialmodeller som definierar varje kroppsdel ​​beteende under explosionsskadebelastningar. Tidigare anställda materialmodeller anpassas från enklare material och har inte försökt att fånga den myriad av komplexa mekaniska beteenden som uppvisas av biologiska vävnader. Därför hifi-beräkningsmodeller med ISV materialmodeller för organ i människokroppen utgör den mest realistiska sättet att undersöka fysik och biomekanik av indexen, att utforma innovativa skyddsutrustning, och att införa bättre standarder för skade statistik. Bakgrund på Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) och inre tillstånd variabel (ISV) Material Modell På grund av etiska frågor som berörs med in vivo-testning av mänskliga organ och logistiska frågor i samband med bred skala mänsklig avliden testning, current forskningsinsatser innebär mekaniska experiment in vitro med hjälp av prover som framställts av organ som utvunnits ur djur surrogat (t.ex. gris som mest använda surrogat). Polymera SHPB har varit den bästa metoden för in-vitro mjuka biomaterial vid höga töjningshastigheter. De relevanta deformerande beteenden från SHPB testning och motsvarande vävnadsskada relaterad information från mikro egenskaperna hos vävnaden införlivas i våra ISV materialmodeller för organ mekaniska beskrivningar 9-10. Dessa materialmodeller därefter implementeras i vår virtuella människokroppen modell för att genomföra FEA av olika skador. Denna process gör det möjligt för oss att gå mot målet att exakt förutspå fysik och arten av en skada för en given organet enligt olika mekaniska belastningsförhållanden (t.ex. blast-inducerad, bilolycka och trubbig inverkan) utan behov av ytterligare fysisk experiment. För att korrekt beskriva than fenomen mekaniska egenskaperna, i synnerhet högre beroendenivån töjningsgivande hastighet, av biomaterial som används i FE simuleringar av den mänskliga kroppen, var SHPB experiment utfördes på de biomaterial för erhållande dynamiska mekaniska svaret vid töjningshastigheter avseende humant tis. En översikt över SHPB installationen vid Centrum för avancerade Fordonssystem (Cavs), Mississippi State University (MSU) visas i figur 1. Tidigare studier har visat att SHPB testning har tre stora brister som är förknippade med det 12-18. Den första och mest betydelsefulla en är materialet tröghetseffekten, som dyker upp i hög töjningshastighet mekaniska svaret av ett biomaterial prov som en initial spik. För att lösa detta problem, tidigare forskningsinsatser föreslog att modifiera geometrin av provet från cylindrisk form för att kuboidala eller ringformad. De resulterande mekaniska beteenden från sådana studier var olika tillbakam varandra eftersom geometrin av provet påverkade vågutbredning, våg interaktioner, och mekanisk respons. Denna typ av modifiering av provgeometrin har lett till felaktiga representationer av mekanisk respons (multiaxiell och icke-enhetlig spänningstillstånd) av biomaterialet. Den andra stora fel var oförmågan att upprätthålla dynamisk kraft jämvikt under ett test. Forskare vann denna fråga genom att reducera provets tjocklek till diameterförhållande och / eller frysning av vävnaden före testning. Samtidigt minska provets tjocklek-till-diameterförhållande upp frågan om dynamiska kraftjämvikt, frysning vävnaden komplicerad testförfarandet ytterligare eftersom det ändrade materialegenskaperna på grund av kristallisation av vatten närvarande i vävnaden. Ett antal studier helt övergav SHPB att undvika ovannämnda brister och används stötvågsrör för att erhålla den tryck svarstid i olika djurmodeller (råtta, svin, etc.). Men dessa enIMAL modellerna ger inte endimensionella enaxlade spännings-töjnings beteende som krävs för materialmodeller som används i FE simuleringar. Den tredje bristen var fel på SHPB att ge endimensionella spännings-töjnings resultat på grund av provet barre på grund av material mjukhet och mängden vattenhalten i provet. Följaktligen är SHPB presenterar en livsduglig testapparat för att samla hög töjningshastighet data. För mjuka material har emellertid den SHPB inducerar utbuktningen som producerar en tredimensionell spänningstillstånd huvudsakligen från hydrostatiskt tryck, men den endimensionella spänning-töjning uppgifter önskas. Vi visar här hur man kan fortfarande använda SHPB att samla endimensionell enaxlig sant spännings-töjningskurvan för modellkalibrering material; emellertid, är den process som krävs för att erhålla den uniaxiella sanna spännings-töjningskurvan komplicerad. I denna process ingår både de multiaxiella experimentella data och FE simuleringsresultat, och det kräver iterativ omkalibrering avmaterialmodellen konstanterna. Den endimensionella genomförandet av ISV materialmodell i MATLAB, även känd som material punkt simulator kräver endimensionella experimentella data för kalibrering. Så var ISV materialmodell optimeras genom en systematisk kalibreringen. Här var experimentella data från SHPB provningarna vara inom ramen för våg teoribildning och dynamisk kraft jämvikt (MSU High Rate Software). För att ta hänsyn till den viskoelastiska spridningen av polymera SHPB, viskoelastiska spridnings ekvationer, som rapporterats av Zhao et al. (2007), genomfördes i MSU High Rate Software. De viskoelastiska spridnings ekvationer hjälpte för att säkerställa dynamisk kraft jämvikt medan testning. Den endimensionella material punkt simulator justerades sedan i samband med ett par experiment-FE modelleringsmetod tills de två processerna ansågs vara lämpligt kompatibla, det vill säga data från båda var i god överensstämmelse. Dessa uppgifter varanvänds för att justera ISV modell materialkonstanter genom att jämföra MATLAB material svars simulatorn (endimensionella) mekanisk respons och SHPB FE modellens (endimensionella) provcentrum stress. Här FE modellen provspänningskomponenten var längs vågen belastningsriktningen. Sedan den tredimensionella beteende för FE modellen provet kalibrerades genom iterativ utföra FE simuleringar och justering ISV konstanter så att volym-medelvärdesbelastningsriktningen påkänning korrelerade väl med den experimentella sanna spänning-töjning svar. Således var en process av iterativ optimering mellan experimentella data, FE resultat, och endimensionell ISV materialmodell genomförs. Tabell 1 ger en sammanfattning av de variabler ISV materialmodell (MSU TP Ver. 1.1) 11. Den viktigaste faktorn för att denna metod är att erhålla en-dimensionella mekaniska svaret av biomaterialet och dess materialparametrarför ISV materialmodell, som kringgår SHPB provningsfrågor av stresstillstånd olikformighet. Det skiljer också den första icke-linjär respons biomaterialet till följd av tröghetseffekter och gör en mekanisk respons som är inneboende till materialet. Den kopplade metoden visade också att en förändring i provgeometrin helt förändrar randvärdesproblemet (BVP) och belastningsriktningen sann spänning-töjning av provet. Som sådan, kan den ovannämnda metoden kan användas med alla materialmodell (fenomenologisk eller mikrobaserat) för kalibrering och sedan simulera hög töjningshastighet beteenden av mänskliga organ enligt skadliga mekanisk belastning.

<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

Denna studie ger en kombinerad experimentell och finita element (FE) simulering metod för att undersöka mekaniska beteendet hos mjuka biomaterial (t.ex. hjärna, lever, senor, fett, etc.) när de utsätts för höga töjningshastigheter. Denna studie använde en Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) för att generera töjningshastigheter av 100-1,500 sek -1. Den SHPB använde en anfallare bar som består av ett viskoelastiskt material (polykarbonat). Ett prov av biomaterialet erhölls kort postmortem och preparerades för SHPB testning. Provet placerad mellan händelsen och överförda barer, och pneumatiska komponenter i SHPB aktiverades för att driva anfallaren bar mot händelsen bar. Den resulterande effekten genererade en tryckspänning våg (dvs. infallande våg) som reste genom händelsen bar. När kompressiv spänningsvåg nått slutet av den infallfältet, fort ett parti framåt genom provet och överförs bar (i.e. överförd våg) medan en annan del föras via händelsen baren som en drag våg (dvs reflekterade vågen). Dessa vågor mättes med hjälp av töjningsgivare monterade på händelsen och överförs barer. Den sanna spänning-töjning beteende av provet bestämdes från ekvationerna baserade på vågutbredning och dynamisk kraft jämvikt. Den experimentella spännings-stam svar var tredimensionell karaktär eftersom provet utbuktande. Som sådan var den hydrostatiska påfrestningen (första invariant) används för att generera den spänning-töjning svar. För att extrahera den enaxlade (endimensionella) mekanisk respons av vävnaden, var en iterativ kopplad optimering utförs med hjälp av experimentella resultat och Finite Element Analysis (FEA), som innehöll en intern tillståndsvariabel (ISV) materialmodell som används för vävnaden. Den ISV materialmodell som används i FE simuleringar av försöksuppställningen var iterativt kalibrerad (dvs. optimerad) till experimentella data som that experimentet och FEA töjningsgivare värderingar och första invariant av spänningar var i god överensstämmelse.

<html> Effektiviteten av den kopplade metoden exemplifieras i fig 3. Här SHPB experimentella spännings-töjnings respons för hjärnan är vid en lägre spänningstillstånd (med en toppspänning av 0,32 MPa) i jämförelse med spänningstillståndet av den endimensionella materialet punkt simulator (med ett toppvärde på 0,74 MPa), som är besläktad med FE prov mittlinje (element) i genomsnitt. Detta beror på vilken typ av deformation som mjuka biomaterial uppvisar. Eftersom de töjningshastigheter...

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 aktuella studien föreskriver en kopplad experiment-finita elementsimulering metod för att erhålla den uniaxiella dynamisk mekanisk respons av mjuka biomaterial (hjärna, lever, senor, fett, etc.). De fleraxliga experimentella resultat som uppstod på grund av prov utbuktning erhållits från Split-Hopkinson Pressure Bar tester har gjorts till en enaxlig riktig spänning-töjning beteende när simuleras genom iterativ optimering av finita element analys av biomaterial.

En kopplad Experiment-Finita Element Modeling metod för att bedöma hög töjningshastighet mekaniska svar av mjuka biomaterial

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

Mikrofabricerade Plattformar för Mekaniskt 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

Polymer Microarrays för hög genomströmning Upptäckt av Biomaterial

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 förbättrad mekanisk testning metod för att bedöma Bone-implantatet 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.

Tillverkning och Implantation av Miniatyr Dual element töjningsgivare för mätning av<em&gt; In Vivo</em&gt; Gastrointestinal Sammandragningar i gnagare.

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 Experimental och Finite Element protokoll för att undersöka transport av neutrala och laddade Lösta ämnen över Ledbrosk

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 Tillsammans med Portable Imaging och analys for Disease Diagnostics

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

Kvantifiering av spänningar i en grismodell av Skin Expansion Använda Multi-View Stereo och Isogeometric kinematik

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

Metodik för biomimetiska kemiska Neuromodulation av råtta näthinnor med signalsubstansen glutamat i 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

Stelhet mätning av mjuk silikon substrat för Mekanobiologi 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 mekaniska karakteriseringar av atrioventrikulärt hjärtklaffar

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