Tradycyjne testy mechaniczne (twardość, przyczepność, ściskanie, przebicie, granica plastyczności, itp.) wymagają większej precyzji i niezawodności w dzisiejszych środowiskach kontroli jakości, w których stosuje się szeroki zakres zaawansowanych materiałów, od tkanek do materiałów kruchych. Tradycyjne oprzyrządowanie mechaniczne nie jest w stanie zapewnić czułej kontroli obciążenia i rozdzielczości wymaganej dla zaawansowanych materiałów. Wyzwania związane z biomateriałami wymagają opracowania testów mechanicznych umożliwiających dokładną kontrolę obciążenia w przypadku materiałów wyjątkowo miękkich. Materiały te wymagają zastosowania bardzo niskich obciążeń sub mN z dużym zakresem głębokości w celu zapewnienia prawidłowego pomiaru właściwości. Ponadto, wiele różnych rodzajów badań mechanicznych może być wykonywanych na jednym urządzeniu, co pozwala na uzyskanie większej funkcjonalności. Umożliwia to wykonanie szeregu ważnych pomiarów biomateriałów, w tym twardości, modułu sprężystości, modułu stratności i przechowywania oraz pełzania, a także odporności na zarysowania i granicy plastyczności.

Cel pomiaru

W tej aplikacji tester mechaniczny Nanovea w trybie nanoindentacji jest wykorzystywany do badania twardości i modułu sprężystości 3 oddzielnych obszarów substytutu biomateriału na regionach tłuszczu, jasnego mięsa i ciemnego mięsa prosciutto.

Nanoindentacja oparta jest na normach ASTM E2546 i ISO 14577. W badaniach wykorzystuje się metody, w których końcówka wgłębnika o znanej geometrii wbijana jest w określone miejsce badanego materiału z kontrolowanym wzrostem obciążenia normalnego. Po osiągnięciu zadanej głębokości maksymalnej, obciążenie normalne jest zmniejszane aż do całkowitego odprężenia. Obciążenie jest przykładane przez piezoelektryczny siłownik i mierzone w kontrolowanej pętli za pomocą ogniwa obciążnikowego o wysokiej czułości. Podczas eksperymentów pozycja wgłębnika względem powierzchni próbki jest monitorowana za pomocą precyzyjnego czujnika pojemnościowego. Uzyskane krzywe obciążenia i przemieszczenia dostarczają danych charakterystycznych dla mechanicznej natury badanego materiału. Opracowane modele obliczają ilościowe wartości twardości i modułów na podstawie zmierzonych danych. Nanoindentacja jest odpowiednia do pomiarów przy niskim obciążeniu i głębokości penetracji w skali nanometrów.

Wyniki i dyskusja

W poniższych tabelach przedstawiono zmierzone wartości twardości i modułu Younga ze średnimi i odchyleniami standardowymi. Duża chropowatość powierzchni może powodować duże różnice w wynikach ze względu na małą wielkość wgłębienia.

Obszar tłuszczu miał około połowy twardości obszarów mięsnych. Obróbka mięsa spowodowała, że ciemniejsza część mięsa była twardsza niż jasna. Moduł sprężystości i twardość są w bezpośrednim związku z odczuwaną w ustach gryznością części tłuszczowej i mięsnej. Tłuszcz i jasna część mięsa po 60 sekundach pełzają w większym tempie niż ciemne mięso.

Wyniki szczegółowe - Tłuszcz

Szczegółowe wyniki - Mięso jasne

Szczegółowe wyniki - Mięso ciemne

Wniosek

W tej aplikacji Nanovea tester mechaniczny w trybie nanoindentacji wiarygodnie określił właściwości mechaniczne obszarów tłuszczu i mięsa, pokonując jednocześnie dużą chropowatość powierzchni próbki. Pokazało to szerokie i niezrównane możliwości testera mechanicznego Nanovea. System zapewnia jednocześnie precyzyjne pomiary właściwości mechanicznych niezwykle twardych materiałów i miękkich tkanek biologicznych.

Ogniwo obciążające w zamkniętej pętli sterowania ze stolikiem piezoelektrycznym zapewnia precyzyjny pomiar twardych lub miękkich materiałów żelowych od 1 do 5kPa. Przy użyciu tego samego systemu możliwe jest badanie biomateriałów przy wyższych obciążeniach do 400N. Obciążenie wielocyklowe może być stosowane do badań zmęczeniowych, a informacje o granicy plastyczności w każdej strefie można uzyskać za pomocą płaskiej cylindrycznej końcówki diamentowej. Dodatkowo, dzięki dynamicznej analizie mechanicznej (DMA), można z dużą dokładnością ocenić właściwości lepkosprężyste, utratę właściwości i moduł magazynowania, wykorzystując zamkniętą pętlę kontroli obciążenia. Badania w różnych temperaturach i pod wpływem cieczy są również dostępne w tym samym systemie.

Tester mechaniczny firmy Nanovea nadal stanowi doskonałe narzędzie do zastosowań biologicznych i miękkich polimerów/żeli.