組織から脆性材料まで様々な先端材料を扱う今日の品質管理環境では、従来の機械試験（硬さ、付着力、圧縮、穿刺、降伏強度など）はより高い精度と信頼性を要求されています。従来の機械式測定器では、先端材料に求められる繊細な荷重制御や分解能を実現することはできませんでした。生体材料に関連する課題として、非常に柔らかい材料に対して正確な荷重制御が可能な機械試験を開発する必要があります。これらの材料は、適切な特性測定を確実に行うために、大きな深さ範囲を持つ非常に低いサブmNの試験荷重を必要とします。さらに、1つのシステムで多くの異なるタイプの機械的試験を実施することができ、より高い機能性を実現します。これにより、生体材料の硬さ、弾性率、損失弾性率、貯蔵弾性率、クリープに加え、耐傷つき性、降伏強度などの重要な測定を行うことができます。

測定目的

このアプリケーションでは、ナノインデンテーション・モードのナノベアーの機械試験機を使用して、プロシュートの脂肪、淡肉、濃肉の3つの部位における生体材料代替物の硬度および弾性率を調査しています。

ナノインデンテーションは、ASTM E2546およびISO 14577の計装化された圧子規格に基づくものです。既知の形状の圧子先端を試験材料の特定部位に打ち込み、法線荷重を増加させながら制御する確立された方法を用います。あらかじめ設定された最大深度に達すると、法線荷重は完全に緩和されるまで減少します。荷重はピエゾアクチュエータによって加えられ、高感度ロードセルを用いた制御ループで測定されます。実験中は、試料表面に対する圧子の位置が高精度な静電容量式センサーでモニターされます。結果として得られる荷重と変位の曲線は、試験材料の機械的性質に特化したデータを提供します。確立されたモデルは、測定されたデータから定量的な硬度や弾性率を計算します。ナノインデンテーションは、ナノメートルスケールでの低荷重・浸透深さ測定に適しています。

結果および考察

以下の表は、硬さおよびヤング率の測定値の平均値および標準偏差です。表面粗さが大きい場合、圧痕の大きさが小さくなり、測定結果に大きなばらつきが生じることがあります。

脂肪部分の硬さは、肉部分の約半分でした。肉処理により、色の濃い肉部の方が色の薄い肉部より硬くなった。弾性率と硬度は、脂肪部分と肉部分の口当たりの良さに直接関係しています。脂肪部分と淡色肉部分は、60秒後に濃色肉部分よりも高い割合でクリープが継続している。

詳細結果 - 脂肪

詳細結果 - ライトミート

詳細結果 - ダークミート

結論

このアプリケーションでは、Nanovea の 機械試験機 ナノインデンテーションモードでは、高いサンプル表面粗さを克服しながら、脂肪と肉の領域の機械的特性を確実に決定します。これは、Nanovea の機械的試験機の幅広い比類のない機能を実証しました。このシステムは、非常に硬い材料と柔らかい生体組織の正確な機械的特性測定を同時に提供します。

ピエゾテーブルと閉ループ制御されたロードセルにより、1～5kPaの硬質または軟質のゲル材料を正確に測定することができます。同じシステムを使用して、最大400Nまでの高荷重での生体材料の試験が可能です。また、マルチサイクル荷重による疲労試験や、円柱状の平らなダイヤモンドチップを用いた各ゾーンの降伏強度情報の取得が可能です。また、DMA（Dynamic Mechanical Analysis）により、閉ループ荷重制御で粘弾性特性の損失係数や貯蔵係数を高精度に評価することが可能です。また、様々な温度や液下での試験も同装置で可能です。

ナノベアのメカニカルテスターは、生物学的およびソフトポリマー/ゲルアプリケーションのための優れたツールであり続けています。