badania dyssypacji energii podczas cyklicznego

Anna WIŚNIEWSKA, Aneta LIBER-KNEĆ, Zakład Mechaniki Doświadczalnej
i Biomechaniki, Instytut Mechaniki Stosowanej, Wydział Mechaniczny, Politechnika
Krakowska
BADANIA DYSSYPACJI ENERGII PODCZAS CYKLICZNEGO
OBCIĄŻANIA TKANKI SKÓRNEJ ŚWINI DOMOWEJ
Z UWZGLĘDNIENIEM JEJ ANIZOTROPII
INVESTIGATION OF ENERGY DISSIPATION UNDER CYCLIC
LOADING OF THE SWINE SKIN WITH RESPECT TO ITS
ANISOTROPY
Słowa kluczowe: właściwości mechaniczne, dyssypacja energii, tkanka skórna,
próbki zwierzęce
1. WSTĘP
Celem pracy była ocena wpływu anizotropii tkanki skórnej oraz różnych poziomów
zastosowanego obciążenia na wielkość energii dyssypacji podczas cyklicznego obciążania
tkanki skórnej świni domowej.
Zakres pracy obejmował przeprowadzenie dla tkanki skórnej świni domowej testów
pozwalających wyznaczyć jej właściwości mechaniczne. Wykonano statyczną próbę
rozciągania w celu identyfikacji materiału oraz cykliczne obciążanie, które umożliwiło
określenie wartości energii dyssypacji. Na podstawie statycznej próby rozciągania
wyznaczono: wytrzymałość na rozciąganie, maksymalne odkształcenie oraz moduły Younga
dla dwóch pierwszych etapów próby rozciągania. Analiza wyników uzyskanych podczas
cyklicznego obciążania obejmowała obliczenie energii dyssypacji i wyznaczenie
współczynnika pochłaniania energii dla pierwszej, piątej i dziesiątej pętli histerezy
mechanicznej każdej zbadanej próbki. We wszystkich przeprowadzonych testach
uwzględniono anizotropową budowę tkanki skórnej.
2.METODYKA PRACY
W badaniach wykorzystano skórę świni domowej pobraną z okolic grzbietowych.
Wykonano próbki prostokątne o wymiarach 10x100 [mm], które wycięto w trzech
kierunkach: wzdłuż, w poprzek oraz skośnie (pod kątem 45˚) względem linii kręgosłupa.
Zmierzono także grubość każdej próbki.
W sumie wypreparowano 55 próbek: 29 wykorzystano do przeprowadzenia statycznej
próby rozciągania a 26 posłużyło do badań dyssypacji energii podczas cyklicznego
obciążania. Do oceny wartości energii dyssypacji użyto po 8 próbek wyciętych poprzecznie
i pod kątem 45˚ oraz 10 pobranych w kierunku wzdłużnym względem kręgosłupa. Wycięte
próbki zamrożono, w celu lepszego przechowania materiału biologicznego.
Pomiary energii dyssypacji przeprowadzono dla trzech poziomów obciążenia: 30 [N],
65 [N] oraz 100 [N]. Do badań wykorzystano maszynę MTS Insight 50 z głowicą o zakresie
XIII Konferencja Naukowa Majówka Młodych Biomechaników im. prof. Dagmary Tejszerskiej
s. 130
50 [kN]. Zarówno obciążenie, jak i odciążanie prowadzone były ze stałą prędkością
rozciągania, która wynosiła 5 [mm/min].
Każdą badaną próbkę poddano testowi składającemu się z 10 cykli obciążenia-odciążenia.
Na podstawie przeprowadzonych badań uzyskano pętle histerezy mechanicznej w układzie
siła-wydłużenie próbki, które posłużyły do obliczenia wartości energii dyssypacji (pole
powierzchni pętli histerezy) oraz współczynnika pochłaniania energii (stosunek energii
dyssypacji do energii oznaczonej przy obciążeniu) w poszczególnych cyklach testu.
Uzyskane charakterystyki siła-wydłużenie przeliczono na zależności naprężeniowoodkształceniowe w celu lepszego porównania z wynikami otrzymanymi w statycznej próbie
rozciągania. Wykorzystując dane z testów dokonano także analizy zmiany odkształcenia
próbek w funkcji czasu badania przy różnych poziomach obciążania.
3. PODSUMOWANIE
Na podstawie przeprowadzonych badań właściwości wytrzymałościowych w statycznej
próbie rozciągania oraz energii dyssypacji w testach cyklicznego obciążania - odciążania
próbek tkanki skórnej pobranej w trzech kierunkach w stosunku do kręgosłupa świni
domowej można stwierdzić, iż anizotropia materiału ma duży wpływ na uzyskane wyniki.
Z przeprowadzonej statycznej próby rozciągania wynika, że najlepszymi parametrami
wytrzymałościowymi charakteryzują się próbki wzdłużne względem kręgosłupa. Najsłabsze
właściwości posiadają próbki poprzeczne. Natomiast próbki wycięte pod kątem 45˚
względem kręgosłupa osiągnęły wartości średnie wszystkich wyznaczonych parametrów.
Parametry wytrzymałościowe tkanki skórnej świni domowej osiągnęły wartości
porównywalne do opisujących ludzką tkankę skórną [2]. Oznacza to, że skóra świni domowej
może być z powodzeniem stosowana jako substytut ludzkiej skóry w badaniach in vitro.
Przy małym poziomie obciążenia (30 [N]), charakterystycznym dla pierwszego etapu
próby rozciągania, próbki poprzeczne wykazują największą zdolność do rozpraszania energii.
Jednak przy zastosowaniu większego poziomu obciążenia (65 [N], 100 [N]) największa
wartość energii dyssypacji odpowiadała próbkom wzdłużnym. Na każdym z badanych
poziomów obciążeń próbki skośne posiadały pętle histerezy o najmniejszej powierzchni,
co skutkowało najmniejszymi wartościami energii dyssypacji.
Przy każdym poziomie zastosowanego obciążenia powierzchnia pierwszej pętli histerezy
była zdecydowanie większa od powierzchni pozostałych pętli.
LITERATURA
[1] Hendriks F. M.: „Mechanical Behaviour of Human Skin in Vivo”, Nat.Lab. Unclassified
Report 820. Philips Research Laboratories, 2001.
[2] Ní Anniadh A., Bruyere K., Destrade M., Gilchrist M.D., Otténio M.: „Characterising the
Anisotropic Mechanical Properties of Excised Human Skin”, Journal of the Mechanical
Behavior of Biomedical Materials, 5, 2012.
[3] Szotek S., Będziński R., Kobielarz M., Żywicka B., Pielka S., Kuropka P.: „Badanie
właściwości mechanicznych skóry”, Inżynieria Biomateriałów, 77-79, 2008.
[4] Jansen L. & Rottier P.: „Comparison of the mechanical properties of strips of human
abdominal skin excised from below and from above the umbilic”, Dermatologica, 117,
252–258, 1958.