Los ensayos mecánicos tradicionales (dureza, adherencia, compresión, punción, límite elástico, etc.) requieren una mayor precisión y fiabilidad en los entornos actuales de control de calidad con una amplia gama de materiales avanzados, desde tejidos hasta materiales quebradizos. La instrumentación mecánica tradicional no proporciona el control de carga sensible y la resolución que requieren los materiales avanzados. Los retos asociados a los biomateriales exigen el desarrollo de ensayos mecánicos capaces de controlar con precisión la carga en materiales extremadamente blandos. Estos materiales requieren cargas de ensayo muy bajas por debajo de mN con un amplio rango de profundidad para garantizar una medición adecuada de las propiedades. Además, se pueden realizar muchos tipos de ensayos mecánicos diferentes en un único sistema, lo que permite una mayor funcionalidad. Esto permite realizar una serie de mediciones importantes en biomateriales, como la dureza, el módulo elástico, el módulo de pérdida y almacenamiento y la fluencia, además de la resistencia al rayado y los puntos de fallo de límite elástico.

Objetivo de medición

En esta aplicación se utiliza el probador mecánico de Nanovea en modo de nanoindentación para estudiar la dureza y el módulo elástico de 3 áreas separadas de un sustituto biomaterial en regiones de grasa, carne clara y carne oscura de prosciutto.

La nanoindentación se basa en las normas de indentación instrumentada ASTM E2546 e ISO 14577. Utiliza métodos establecidos en los que una punta de indentación de geometría conocida se introduce en un lugar específico del material de ensayo con una carga normal creciente controlada. Cuando se alcanza una profundidad máxima preestablecida, la carga normal se reduce hasta que se produce una relajación completa. La carga se aplica mediante un actuador piezoeléctrico y se mide en un bucle controlado con una célula de carga de alta sensibilidad. Durante los experimentos, la posición del penetrador respecto a la superficie de la muestra se controla con un sensor capacitivo de alta precisión. Las curvas de carga y desplazamiento resultantes proporcionan datos específicos de la naturaleza mecánica del material ensayado. Los modelos establecidos calculan valores cuantitativos de dureza y módulo con los datos medidos. La nanoindentación es adecuada para mediciones de baja carga y profundidad de penetración a escalas nanométricas.

Resultados y debate

Estas tablas presentan los valores medidos de dureza y módulo de Young con medias y desviaciones estándar. Una alta rugosidad superficial puede causar grandes variaciones en los resultados debido al pequeño tamaño de la indentación.

La zona de grasa tenía aproximadamente la mitad de dureza que las zonas de carne. El tratamiento de la carne hizo que la zona de carne más oscura fuera más dura que la zona de carne clara. El módulo elástico y la dureza están en relación directa con la sensación en boca de masticabilidad de las zonas de grasa y carne. La grasa y la zona de carne clara presentan una fluencia continua superior a la de la carne oscura después de 60 segundos.

Resultados detallados - Grasa

Resultados detallados - Carne ligera

Resultados detallados - Carne oscura

Conclusión

En esta aplicación, Nanovea comprobador mecánico en modo de nanoindentación determinó con fiabilidad las propiedades mecánicas de las zonas de grasa y carne, superando al mismo tiempo la elevada rugosidad de la superficie de la muestra. Esto demostró la amplia e inigualable capacidad del comprobador mecánico de Nanovea. El sistema proporciona simultáneamente mediciones precisas de propiedades mecánicas en materiales extremadamente duros y tejidos biológicos blandos.

La célula de carga en control de bucle cerrado con la mesa piezoeléctrica garantiza una medición precisa de materiales de gel duros o blandos de 1 a 5kPa. Utilizando el mismo sistema, es posible ensayar biomateriales con cargas superiores de hasta 400N. La carga multiciclo puede utilizarse para ensayos de fatiga y puede obtenerse información sobre el límite elástico en cada zona utilizando una punta de diamante cilíndrica plana. Además, con el Análisis Mecánico Dinámico (AMD), las propiedades viscoelásticas de pérdida y los módulos de almacenamiento pueden evaluarse con gran precisión utilizando el control de carga de bucle cerrado. También se pueden realizar ensayos a distintas temperaturas y bajo líquidos con el mismo sistema.

El comprobador mecánico de Nanovea sigue siendo la herramienta superior para aplicaciones biológicas y de polímeros/geles blandos.