生物材料的力學量測

生物材料的力學量測 (1)材料不可影響宿主 (2)宿主不可影響材料 Speaker: Ying-Chi Chen Adviser : Hsien-Chang Chang 2011/10/19

Bio-Mechanics • 藉助於一般用在工程上的分析方法，如靜力學、動力學、材料力學和流體力學等，將其應用在生物體的分析。 • 生物力學的研究可大致分成三個部份： • 實驗：量測各生物材料的物理性質 • 分析：利用實驗所建立的資料，用數學的分析模式預測一些物理上的行為 • 應用：利用科學上的知識，避免人體產生傷害骨科實驗力學戴金龍

力的形式: 力學的種類: ◆ 靜力學: 探討靜止剛體的力平衡 ◆ 動力學: 探討剛體的位移及時間的關係 ◆ 材料力學: 探討彈性體(變形體) 的應力s及應變e的關係 ◆ 流體力學: 探討流體的剪應力t及剪應變率DV/Dh的關係 ◆拉力 ◆壓力 ◆彎矩 ◆剪力 ◆扭力

生物材料力學量測方式 硬組織材料：拉伸試驗（Tensile Test）、壓力測試（Compress Test）衝擊試驗 ( Impact Test) 、疲勞 ( Fatigue Test) 硬度試驗 ( Hardness Test) 、磨耗 ( Wear Test) 軟組織材料：原子力顯微鏡 ( Atomic Force Microscopy, AFM) 動態機械分析儀 ( Dynamic Mechanical Analyzer, DMA ) 流變儀試驗 ( Rheology) 材力流力

量測方法 - 拉伸測試 (Tensile Test) 骨螺釘拉伸測試 4號標準試桿 (應力-應變曲線)

實驗設備 : 馬達式萬能試驗機 目的：學習拉伸試驗原理及步驟操作，瞭解材料在受拉力時，抵抗伸長變形及斷裂的特性。原理：將試桿裝在試驗機上，然後打開馬達系統施加荷重，則隨荷重的增加，試桿會逐漸伸長，經過儀器繪圖紀錄，可得荷重-伸長曲線(應力-應變曲線)。應變： 4號標準試桿-尺度(標準編號1~14) L=50mm，L=4√A (A為試桿中央部份之斷面積) P=約60mm, D=14mm R=15mm以上用於鋼鑄件、鍛鋼件、軋鋼件、展性鑄鐵件及非金屬（或其合金之棒與鑄件之拉伸試驗) L0: 原長, L: 拉伸後的長度

彈性區域 ■ • 降伏 • 應變硬化 • 頸縮 true fracture stress ultimatestress proportional limit elastic limit fracturestress yield stress 塑性區域 e elasticregion yielding strainhardening necking elasticbehavior plastic behavior Conventional and true stress-strain diagramsfor ductile material (steel) (not to scale) (1) 一般結構鋼與大部分金屬合金之應力-應變圖 (延性材料ductile material) 在生物材料上多半不希望產生降伏，即不希望有塑性變形(殘留應變)產生。

y u f 0.2% = u f pt (2) 無明顯降伏強度之應力-應變圖 • 某些鋁合金，其應力－應變圖雖具有相當延性，但卻無明顯的降伏點。 • 降伏應力之決定採用偏距法(0.2% offset method)。 X (3) 脆性材料(brittle material) • 材料於超過比例極限一點點就斷裂。 • 脆性材料：鑄鐵、玻璃、石頭。 X Brittle failure

Elastic & Plastic Deformation Elastic means reversible ! Plastic means permanent !

量測方法 - 壓力測試 (Compress Test) • 原理 • -施壓力於材料兩端 • -材料達破壞 • 脆性材料 • -拉伸時，由缺陷易破壞 • -利用壓縮試驗 • -求材料的抗張強度 • ※材料的抗壓強度遠大於抗拉強度骨科實驗力學戴金龍

量測方法 - 疲勞測試 (Fatigue Test) • 定義 • 　材料受小於降伏強度的應力產生強度衰退或破壞 • 原理 • -裂縫產生 • -裂縫延伸 • -破壞骨科實驗力學戴金龍

量測方法 - 衝擊(Impact Test) • 原理 • -力快速作用於材料 • -材料內部來不及作延性變形 • -直接作脆性破壞 • 量測韌性(toughness) • -材料抵抗衝擊的能力 • -以材料破壞吸收多少能量(衝擊能)來表示

衝擊試驗原理 R R W a b h1 h2 W 試片放置原理：依能量不滅定律，將擺錘昇至h1高度，則具有一定高度將其釋放後，位能全部轉換成動能，衝斷試片後一部分動能被試片吸收，一部分動能則設轉成位能將重錘擺高至h2高度。　 W：擺錘重量R ：擺錘迴轉中心至重心距離 Α ：擺錘預定落下位置的角度 β：擊斷試片後，擺錘自由上升角度衝擊吸收能： E = Wh1 - Wh2 試片尺寸 (mm)

量測方法 - 硬度 (Hardness Test) • 定義 - 材料抵抗集中荷重的能力 • 原理 - 材料表面受集中荷重 - 材料產生抵抗變形的阻力 - 從變形的程度，判斷硬度大小 • 意義 - 材料若硬度高表示抵抗變形能力強，則材料不易被磨損

硬度量測試驗 • 摩氐硬度表： • 勃氏硬度試驗：以荷重P使標準鋼球造成樣本壓痕面積A，則硬度=P/A。 • 維氏硬度試驗：用面夾角為136度之金剛石正方錐壓痕器，以荷重P壓入試片表面造成壓痕面積A，則硬度=P/A。 • 洛氏硬度試驗：利用槓桿原理將球或120度金鋼石圓錐壓痕器用一定的荷重壓入材料表面，使試片產生壓痕而由壓痕深度，經過換算來代材料洛氏硬度值。

各種硬度(Hardness)測試用途及方法比較 http://www.ckyeung.org/print/hard_test_01.htm

黏彈性 (Viscoelasticity) • 材料同時具有固體和流體的性質，稱為黏彈性材料。 • 黏彈性，顧名思義就是材料綜合了彈性行為與黏滯性行為，它與彈性材料主要的不同，在於具有潛(蠕)變（creep）與鬆弛（relaxation）兩個現象，黏彈性的材料為時間相關（time-dependent）的材料，因此其材料常數會因為作用時間的不同而產生變化。 (水) 流動 (高分子) 流變 (金屬) 變形彈性 0% 黏性 100% 記憶力 0% 彈性 100% 黏性 0% 記憶力100%

（）（）流體力學 A F v h shear stress shear rate F ：施加力 A：表面積 v ：速度 h ：深度 μ：黏度

Damping Test Force h h:黏度 1 Speed 牛頓流體( Newtonian Fluid)

Creep and Relaxation Force Deformation Take for example Time Time Applied constant deflection Applied constant force Force Deformation Time Time 鬆弛（relaxation） [constant deflection] 潛變（creep）[constant force] F:作用力; X:位移; k1: 彈箕係數; k3:阻泥係數

Dynamic Mechanical Analyzer (DMA) Sample DMA 是測量樣品在程式溫度過程中，在一定頻率的交變力的作用下的應變行為，測量其儲能模量、損耗模量和損耗因數等參數隨溫度、時間與力的頻率的函數關係。由此可得到材料的黏彈譜(黏彈性隨溫度與頻率的變化關係)，推斷材料的內在結構轉變如玻璃化轉變、二級相變、鏈段鬆弛、蠕變等過程，並可計算相關的轉變活化能。 DMA 2980

DMA vs. MTS • DMA • -疲勞度 • -玻璃轉移溫度(Tg) • -模數(Modulus) • -交聯程度(Curing) • -吸振效果(Damping) • -黏度變化(Viscosity) • -耐用性 • -膨脹係數(CTE) • -軟化點(Soften) • -熱穩定性(Stability) • MTS -疲勞破壞 -應變率敏感度 -潛變 -元件壽命模擬 -張力 -壓縮力 -彎曲 -破壞力學

Rheometer (流變儀) Hydrated gel (i) Measurement of shear Viscosity (ii) Normal Stress Difference

（）（）（（ Principle of Rheometer Rheology: study of flow and deformation of materials under the influence of imposed stress 2°~3° shear stress shear rate F ：施加力；A：表面積；v ：速度；h ：深度；μ：黏度

Amplitude Time 90° 儲能模量G’、損耗模量G’’ Sin Elastic solid: G’=Sin/AS=E G’’=0/As=0 AS (AS) Sin AS Sout

Normal Stress Difference Fn：正向力；R：表面積；Π：圓周率高分子流變學劉世榮著

Viscometer(黏度計) Definition: An instrument used for measuring the viscosity and flow properties of fluids Viscolite 700 (1) immerse (3) wipe (2) read http://www.hydramotion.com/portable.html

Viscometer(粘度計) 數字型黏度計微電腦數字型黏度計指針型黏度計微量黏度計超低量黏度計 CONE & PLATE CAP黏度計 http://www.chinchi-tech.com.tw/product.asp

生物力學與其涵蓋面 生物力學乃是採用力學的理論來研究生物體內物質運動的學科生物力學的研究主題可以概括為以下三方面： 1. 生物結構與功能的關係 2. 生物體的調節與控制機制 3. 生物的應力-生長關係目前在生物力學研究上較為矚目的領域含骨組織的結構與受力分析、血液在血管及毛細血管網路中的流動規律、心臟的瓣膜運動、生物材料的製備、細胞乃至分子層次的生物力學問題等。運動生物力學：它是研究人體運動力學規律的科學，也是體育科學的重要組成部分。 http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%94%9F%E7%89%A9%E5%8A%9B%E5%AD%A6

國科會醫工學門規劃主題規劃子題主要研究計畫生物力學國科會醫工學門規劃主題規劃子題主要研究計畫生物力學生醫材料生醫資訊醫學電子生物力學 1. 細胞／組織工程(Cell/Tissue Engineering) • 骨骼等組織之生物機電研究(Mechanobiology of bone and other tissues) • 功能性組織工程(Functional tissue engineering) • 細胞之力學特性(Characteristics of cell) • 組織、細胞和基因之新生物力學(New biomechanics of tissues, cells, and genes) 2. 骨科與復健生物力學(Orthopedics/Rehabilitation) • 植入物與軟組織之附著(Attachment between implant and soft tissue) • 人工椎間盤(Artificial disc) • 治療性器材與手術技術／方法(Therapeutic devices/techniques) • 定量化復健工程(Quantitative rehabilitation) 3. 牙科生物力學(Dental biomechanics) • 人工牙根(Dental implant) • 形態學，結構學與生物力學之結合(Integration of morphology, structures and biomechanics) • 新材料之力學實驗(Experiment of new materials) • 電腦模擬計算(Computational simulations) 4. 生物流體力學(Bio-fluid mechanics) • 心臟與血管(Heart and vessel) • 呼吸道(Respiratory tract) • 微血管力學(Micro-circulation) • 支架(Stent) http://image.csie.ncku.edu.tw/bme/bmelist/index.php?id=14

Force Quantification in AFM  Force vs. Distance curve PSPD Laser  d  Z In hard sample， Z=  dHook’s Law k: 彈簧係數；K: 轉換係數；Dd:偏折量；DZ:位移量； d: 形變量 PSPD: position-sensitive photodetector

Force Analysis - Vector Cell 4.0 mm 4.0 mm 5.0 mm 50 mm

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