بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مشخصهیابی خواص مکانیکی یک رگ مصنوعی بر پایهي نانوکامپوزیت پلییورتانیو شریان طبیعی گوسفندي
چکیده
شناخت خواص بیومکانیکی رگهاي خونی مصنوعی در فرایند طراحی و تولید جایگزینهاي مناسـب بـراي شـریان کرونـر مبـتلا بـه آترواسکلروزیس اهمیت زیادي دارد. از جمله خواص مکانیکی بارز شریانهاي طبیعی، ویسکوالاستیسیتهي آنهاست. به همـین دلیـل در این پژوهش به کمک آزمونهاي مکانیکی و مـدلهـاي ریاضـی، خـواص ویسکوالاسـتیک رگ مصـنوعی POSS-PCU (کـه یـک
نانوکامپوزیت پلیمري بر پایهي پلییورتان است) و یکی از زیرشاخههاي رگ آئورت گوسفندي مورد ارزیابی قرار گرفت. هدف از ایـن مطالعه ارائهي روشی براي مقایسهي خواص مکانیکی رگهاي خونی طبیعی و مصنوعی در راستاي افزایش میزان پایـداري رگهـاي مصنوعی (بویژه رگهاي با قطر کمتر از 6 میلیمتر) پس از عمل پیوند بوده است. نتایج بدست آمده الاستیسیتهي بالاتر رگ مصـنوعی را در مقایسه با رگ طبیعی نشان میدهند.
کلمات کلیدي
خواص مکانیکی، ویسکوالاستیسیتهي بافت، آزمونهاي مکانیکی، رگ مصنوعی
-1 مقدمه
شریانها از جملـه انـدامهـاي تحـت بارگـذاري هسـتند، بنـابراین لازم اسـت رگهاي مصنوعی (پروتزهاي رگ) کـه بـراي جـایگزین کـردن شـریانهـاي آسیب دیده مورد استفاده قرار میگیرند از لحاظ مکانیکی مسـتحکم باشـند تـا شرایط ناملایم گردش خون را تحمل کنند. در عین حال، رگهـاي مصـنوعی باید انعطافپذیري مناسبی داشته باشند تا عدم تطابق خواص مکانیکی پروتز و رگ طبیعی به حداقل برسد .[1]
عدم تطـابق خـواص مکـانیکی شـریان طبیعـی ویسکوالاسـتیک و رگهـاي مصنوعی تجاري که اغلـب صـلبیت بـالایی دارنـد مـیتوانـد منجـر بـه هیپرپلازي و در نتیجه گرفتگی رگ مصـنوعی شـود. کـرنشهـاي غیـر عادي متناوب که بر اثر تغییر ناگهانی خواص مکانیکی در محـل اتصـال پروتز و رگ طبیعی ایجاد میشوند، با ارسال سیگنالهـاي مکـانیکی بـه سلولهاي عضلانی صاف در جـدارهي رگ طبیعـی میـزان تکثیـر ایـن سلولها را افزایش میدهند. این پدیده موجب بسته شدن مجراي خـون میشود .[2]
پلیتترافلوئورواتیلن (PTFE) از جمله رگهاي مصـنوعی تجـاري اسـت کـه براي جایگزین کردن شریانهاي باریک تولید شده اسـت. طـی مطالعـه درونتنی نمونهاي از این پروتز با قطر کمتر از 1 میلـیمتـر، مجـراي آن پس از گذشت یک ماه فقـط 20-25 درصـد گشـودگی داشـت .[3] در تلاش براي برطرف کـردن مشـکلات رگهـاي تجـاري مرسـوم، یـک نانوبیومتریـــــال جدیـــــد مرکـــــب از نانوســـــاختارهاي POSS (Polyhedral Oligomeric silsesquioxane) و پلیمــر پایــه (Poly(Carbonate) Urethane) PCU طراحی و تولید شده اسـت که به نظر میآید با دارا بودن ویژگیهایی مانند پایایی در شرایط بـدن و جلوگیري از انعقاد خون گزینهي مناسبی براي پروتزهاي قلبی - عروقی خواهــد بــود .[4] هنگــامی کــه محققــان قطعــاتی از مــویرگهــاي POSS-PCU را با استفاده از یک سیستم گـردش خـون مصـنوعی در معرض بارگذاري مکانیکی قرار دادند، شکل موج فشار بدسـت آمـده بـه شکل موجی که از آزمون مکـانیکی شـریان مـوش (بـه روشـی مشـابه)
بدست آمده بود شباهت داشت. در ایـن تحقیـق فشـار میـانگین وارد بـر دیوارهي مویرگها طی مدت انجام آزمایش در بازهي 30-70 میلـیمتـر جیوه قرار داشت. همچنین فرکانس بارگذاري مکانیکی 1 هرتـز و فشـار ضربان 39,633 میلیمتر جیوه براي انجام آزمایش انتخاب شـد .[3] در یک مطالعهي مشابه با فشار ضربان 60 میلیمتر جیوه و فشـار میـانگین 30-100 میلیمتر جیوه، نشان داده شد که ویسـکوزیتهي مـویرگهـاي POSS-PCUتقریباً با ویسکوزیتهي شـریان ایلیـاك خـارجی برابـري میکند.
ویسکوالاستیسیته در حقیقت به خاصیت ویسکوزیته و همچنین الاستیسـیتهي اجزاي بیولوژیکی تشکیل دهندهي دیوارهي شریانهاي طبیعـی مربـوط میشود. اما خاصیت ویسکوالاستیسیته بسیار پیچیدهتـر از آن اسـت کـه فقط از طریق میزان ویسـکوزیته ارزیـابی شـود (پـس از ترسـیم نمـودار کرنش در مقابل تنش، ویسکوزیته به کمک حلقهي هیسترزیس بدسـت آمــده محاســبه مــیشــود). در ایــن پــژوهش بــا اســتفاده از مــدل ویسکوالاستیک شبهخطی شامل 5 پارامتر 3) پارامتر مربوط بـه خـواص ویسکوالاستیک و 2 پارامتر هایپرالاستیک) و دادههـاي بدسـت آمـده از آزمونهاي مکـانیکی، خـواص ویسکوالاسـتیک POSS-PCU و یـک شریان گوسفندي (Left Sublclavian artery) مـورد بررسـی قـرار گرفت تا بتوان به کمک اطلاعات بدست آمده بخشی از رفتار مکـانیکی این بافتها را که وابسته به زمان است استخراج کرد.
-2 تعریف مفاهیم اولیه مورد نیاز
در مورد یک مادهي هایپرالاستیک وابستگی تنش و تغییر شکل را میتوان بـا تابع انرژي اسکالر ذخیره شده یا تابع چگـالی انـرژي کـرنش (SEDF) بیـان کرد. در این تحقیق براي بیـان پاسـخ هایپرالاسـتیک از تـابع انـرژي کـرنش مطابق فرمول (1) استفاده شده است:
که در آن a و b پارامترهاي ماده هستند و I1 اولین نامتغیر گرادیان تغییر شکل (first invariant of deformation gradient) است .[5] با در نظر گرفتن فرمول (1)، تنش کوشی (Cauchy) در راستاي اعمال نیرو به صورت فرمول (2) نوشته میشود:
در فرمول λ ( 2) کشش (stretch) را نشان میدهد. با بهرهگیري از تئوري ویسکوالاستیسیتهي شبهخطی خواهیم داشت:
(3) فرمول2 به جاي در فرمول (3) جایگزین میشود که تابع ریلکسیشن کاهش یافته نام دارد از فرمول (4) پیروي میکند:
در فرمول پارامترهاي ماده هستند و t نشان دهندهي زمان است.
-3 روش کار
نمونههایی از شریانهاي 4 گوسـفند مختلـف از کشـتارگاه جمـعآوري شـدند.
سپس مطابق شکل (1) در فاصلهي بین 3 و 4 سانتیمتري از ریشهي آئـورت، نمونههاي حلقوي شکلی با ضخامت 5 میلیمتر از ایـن شـریانهـا و نیـز رگ مصنوعی جدا شدند. دو میلهي فلزي کوچک مانند شکل (2) از داخل هر یـک از حلقههاي بریده شده عبور داده شد و سپس مجموعهي میلههـا و نمونـه در دستگاه آزمون کشش تعبیه شد. به منظور شایستهسازي نمونهها و آماده کردن آنها براي شروع آزمایش، ابتدا یک بارگذاري کششی به صـورت متنـاوب بـه نمونهها اعمال شد. براي انجام این کار یکی از میلـههـاي فلـزي ثابـت نگـاه داشته شد و حرکت میلهي دوم به صورت رفت و برگشتی به میزان 5 میلیمتر و با نرخ جابهجایی 500 میلیمتر بر دقیقه صورت گرفت. بـراي انجـام آزمـون ریلکسیشن، میلهي متحرك به مقدار 5 میلیمتر جابهجـا شـد و سـپس طـول نمونه به مدت 21,4 ثانیه حفظ شد تا افت تنش اندازهگیري شود.
با در نظر گرفتن ابعاد نمونهها و همچنین مقادیر نیرو و جابـهجـاییهـاي ثبت شده توسط دستگاه، تنشهاي کوشی و کرنشها محاسبه شد. با اسـتفاده از ابـزار بهینـهیـابی نـرمافــزار متلـب (MATLAB) مـدل ویسکوالاسـتیک شبهخطی (فرمول (3 از دادههاي کرنش و تنش عبور داده شد تـا پارامترهـاي هایپرالاســتیک و ویسکوالاســتیک بــراي تمــام شــریانهــاي طبیعــی و رگ مصنوعی بدست آید. در مرحلهي بعد با اسـتفاده از پارامترهـاي بدسـت آمـده، نمودارهاي هایپرالاستیک (فرمول (2 و ریلکسیشن (فرمول (4 براي هر یک از رگهاي طبیعی ترسـیم شـد. بـار دیگـر توابـع (2) و (4) از مجموعـهي ایـن نمودارها عبور داده شد تا مقدار متوسط هر پارامتر بدست آید.
