Desenho e construção de uma máquina de carga dedicada a materiais biológicos com pequenas tensões de rutura

Abstract

As propriedades mecânicas dos materiais biológicos tais como elasticidade, tensão de rutura, fadiga são cada vez mais estudadas uma vez que alterações à normalidade podem ser clinicamente relevantes. Estas propriedades são geralmente analisadas com recurso a Máquinas de teste universais (MTU) que aplicam tensões aos materiais em estudo medindo-se a correspondente deformação. No entanto, as MTU mais comuns têm por objetivo o estudo de materiais com elevado módulo de elasticidade apresentando por isso uma gama dinâmica da medida de força pouco adequada a esse fim. Para materiais com módulo de elasticidade algumas ordens de grandeza mais baixos os sensores de força revelam-se desajustados. Por outro lado, os materiais biológicos são testados in vitro o que implica perda de parte da sua composição acarretando alterações das características mecânicas que se procuram mensurar. Neste projeto foi desenhada e construída uma MTU que se adapta as necessidades inerentes aos testes de tensão em tecidos biológicos.A máquina de testes foi pensada de maneira a puder ser facilmente ajustável a cada teste e capaz de suportar alterações no modo de comportamento dos sensores e atuadores. Todas as peças utilizadas podem ser substituídas, com o objetivo de proporcionar o melhoramento ao longo da sua utilização. Para adquirir uma Máquina de teste universal é necessário a presença de um técnico para instalação e , muitas vezes, uma formação para os utilizadores, por isso foi utilizado um micro-controlador que torna o sistema de pequenas dimensões e faculta o acesso a todo o software de controlo, permitindo a ocorrência de alterações.Foram também feitos alguns testes em materiais com um módulo de elasticidade conhecido que demonstram a fiabilidade da máquina para este tipo de testes.

Mechanical properties of biological tissues such as, elasticity, tensile strength and fatigue are increasingly studied because changes to the normal conditions may be clinically relevant. These properties are usually analyzed resorting to Universal Testing Machine (UTM), which is a device that applies stress to the materials under study while measures the corresponding strain. However, typical UTM aim at studying materials with a high modulus of elasticity, thus presenting a dynamic range of force measurement not suitable to study biological materials. For materials with much small modulus of elasticity, such as bilogical tissues, the force sensors of typical UTM are not well adjusted and, thus tests fail largely. Besides, biological materials are tested in vitro, which most of the times implies loss of part of their composition, causing changes at the mechanical characteristics that are sought to be measured. As so, in this project, an UTM was designed and constructed with the objective to be applied to stress tests of biological tissues. The testing machine has been designed to apply small forces and to detect accordingly small strain. In addition, the machine was devise in such a way that it can be easily adjusted to each test and all the UTM parts can be replaced in order to improve its operation.In order to characterize the machine several tests were conducted, notably tests regarding the force sensor and the displacement system. Concerning the force sensor reproducibility, resolution and linearity were analised; and regarding the position sensor the linearity was the main concern. Besides these tests some materials were submited to stress/strain study and the Young modulus was calculated and compared to known values.The tests revealed that the machine test constructed is suitable to be applied to materials presenting low modulus of elasticity.