Οι βασικές έννοιες για τον σχεδιασμό ιατρικών συσκευών περιλαμβάνουν τη βιομηχανική, τη βιοσυμβατότητα και τη βιολειτουργικότητα. Το εργαστήριό μας θα εξετάσει τις βιομηχανικές δοκιμές στο EUROLAB, τη μηχανική, τα οστά και τη μηχανική δοκιμή ενός δειγματολογικού βιολογικού ιστού που χρησιμοποιείται στην ανάπτυξη ιατρικών συσκευών και εξοπλισμού.

Ο σχεδιασμός ιατρικών συσκευών απαιτεί εκτεταμένες δοκιμές. Η βιομηχανική, η οποία επιδεικνύει τις μηχανικές ιδιότητες των βιολογικών ιστών, όπως τα οστά, οι τένοντες, οι σύνδεσμοι και οι μύες, απαιτεί έρευνα και δοκιμή βιολογικών ιστών υπό διάφορες συνθήκες φόρτωσης. Αν και η βιομηχανική εφαρμόζει μηχανικές αρχές στα βιολογικά συστήματα, απαιτεί επίσης προσεκτική ανάλυση του βιολογικού ιστού. Μια ιατρική συσκευή μπορεί να επαληθευτεί με ακρίβεια μόνο αν είναι γνωστές οι ιδιότητες του ιστού και ο ιστός στον οποίο έρχεται σε επαφή.

• Οι μηχανικές ιδιότητες των ιστών ποικίλλουν ανάλογα με την ηλικία και τις διάφορες συνθήκες, συμπεριλαμβανομένων των βιολογικών και περιβαλλοντικών παραγόντων. Επιπλέον, οι περισσότεροι ιστοί είναι σύνθετα και ιξωδοελαστικά υλικά, δηλαδή οι μηχανικές τους ιδιότητες ποικίλλουν από το ένα σημείο στο άλλο.

Τα οστά, τα δομικά στοιχεία του σκελετικού συστήματος, είναι σύνθετα υλικά που αποτελούνται από υγρές και στερεές φάσεις. Το νερό, το οποίο μπορεί να υπάρχει στην οργανική μήτρα ή στα κανάλια και τα κενά, συνιστά το 25% του συνολικού βάρους των οστών. Οι στερεές φάσεις δίνουν στα οστά την άκαμπτη δομή τους καθώς και την ευελιξία και την ευελιξία.

Τα οστά μπορούν να επιδιορθώσουν και να αναμορφώσουν τον εαυτό τους, και οι μηχανικές τους ιδιότητες εξαρτώνται από τις αλλαγές που βιώνει το σώμα. Είναι επίσης σημαντικό να σημειωθεί ότι η σύνθεση και ως εκ τούτου ορισμένα χαρακτηριστικά του οστού ποικίλλουν ανάλογα με τον τύπο ηλικίας, φύλου, οστού και οστού και άλλους παράγοντες.

Υπάρχουν πολλοί όροι για την ταξινόμηση των οστών. Αυτό το άρθρο θα καλύψει σύντομα δύο ιστούς που αποτελούν τα οστά: φλοιώδες ή συμπαγές οστικό ιστό και σπογγώδες ή σπογγώδες οστικό ιστό. Ο πυκνός φλοιώδης οστικός ιστός είναι γραμμικώς ελαστικός και σχηματίζει τον εξωτερικό φλοιό των οστών και τη διάφυση. Το ινώδες στρώμα που καλύπτει όλα τα οστά (εκτός από τις επιφάνειες των αρθρώσεων) ονομάζεται περιόστεο. Ο σπογγώδης οστικός ιστός είναι ένα ανομοιογενές δίκτυο που περικλείεται από το φλοιώδες οστό.

Τα οστά ορίζονται ως φλοιώδη ή σπογγώδη ανάλογα με το βαθμό πορώδους και οργάνωσης. Αν και ο βαθμός πορώδους μπορεί να ποικίλει με την πάροδο του χρόνου ή με ασθένεια και μεταβλητό φορτίο, το σπογγώδες οστό θα έχει υψηλότερο πορώδες από το φλοιώδες οστό όταν διακρίνεται μεταξύ σπογγώδους οστού και φλοιώδους οστού.

Για να αναλυθούν σωστά οι ιδιότητες των υλικών του οστού, είναι απαραίτητο να συζητηθεί η περιεκτικότητα σε ανόργανα άλατα. Όταν τα οστά έχουν υψηλότερη ανοργανοποίηση, εμφανίζουν υψηλότερη τελική αντοχή εφελκυσμού (UTS) και ελαστικότητα. Αντίθετα, η υψηλή ανοργανοποίηση θα μειώσει γενικά τη σκληρότητα. Το φλοιώδες οστό παρουσιάζει υψηλότερο συντελεστή ελαστικότητας από το σπογγώδες οστό και έχει τις πλέον κατάλληλες ιδιότητες για ανθεκτική ροπή στρέψης. Από την άλλη πλευρά, το σπογγώδες οστό έχει μεγαλύτερη ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας, ώστε να διατηρεί πολύ υψηλότερες τάσεις από την αποτυχία εκτός από την αντοχή σε υψηλές δυνάμεις συμπίεσης και διάτμησης.

Βιομηχανικές δοκιμές

Οι βιομηχανικές εκτιμήσεις των ιατρικών συσκευών περιλαμβάνουν την ικανότητα ενός εμφυτεύματος να αντέχει σε εφελκυστικές, συμπιεστικές και διατμητικές δυνάμεις, παραλλαγές και βαθμούς ελευθερίας και μηχανικές ιδιότητες της διάταξης, όπως είναι η Ελαστική Ενότητα, η ισχύς απόδοσης και η επιμήκυνση της αποτυχίας. Τα υλικά όπως μέταλλα και κράματα, κεραμικά και πολυμερή χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη ιατρικών συσκευών.

Τα μεταλλικά εμφυτεύματα έχουν κανονική κρυσταλλική δομή 3D και χρησιμοποιούνται κυρίως για φέροντα φορτία (π.χ. εμφυτεύματα ισχίων και ώμων, συσκευές στερέωσης). Ανάλογα με τις ιδιότητες του επιλεγμένου μετάλλου, εξαιρετικά δραστικές μεταλλικές επιφάνειες που είναι ανθεκτικές στους περιβάλλοντες ιστούς απαιτούν γενικά περαιτέρω μεταλλικές διεργασίες ή, όπου είναι δυνατόν, τη χρήση άλλων βιοϋλικών στην εξωτερική επιφάνεια. Από την άλλη πλευρά, τα κεραμικά είναι μη μεταλλικά και μη οργανικά, με την υψηλότερη αντοχή στη θλίψη, αλλά παρουσιάζουν κακές ιδιότητες εφελκυσμού. Η συνηθέστερη χρήση των κεραμικών είναι οδοντικά εμφυτεύματα. Τα πολυμερή είναι οργανικά υλικά που αποτελούνται από επαναλαμβανόμενες μονάδες. Τα πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν ελεγχόμενους ρυθμούς αποικοδόμησης και εύκολη παραγωγή.

Μπορείτε να εργαστείτε με το εργαστήριο μας EUROLAB για βιο-μηχανικές δοκιμές.