Механика композитных материалов 3 1983

НОстнЫе характеристики резины, армированной предварительно дефор­ мированным до степени растяжения X' трикотажем, можно прогнози­ ровать, определив зависимость ее жесткости (F F )a от X:

(£F)xa= ( £ F ) , P + ( £ F H /

где (EF)v и (E F )T — соответственно жесткости резины и трикотажа. Последняя рассчитана по разности ординат кривых 3, 2 рис. 2—а при

Результаты статических испытаний на двухосное растяжение пред­

видно, полиуретан превосходит по механическим характеристикам ар­ мированную резину**. Упругопрочностные характеристики, как правило, выше при одноосном растяжении. Исключение — модуль упругости ар­ мированной резины, у которой трикотажная сетка эффективнее рабо­ тает при двухосном растяжении. Разрушение армированной резины происходило посредством разрыва армирующих нитей. Упругие и раз­ рывные характеристики при одно- и двухосном растяжении во всех случаях определены по результатам испытаний пяти-восьми образцов. Коэффициенты вариации этих характеристик для полиуретана находи­

= ///о, где / и /0 — интенсивности прошедшего сквозь образец и пада­ ющего на него пучков света соответственно, при деформировании элас­ томеров может возрастать из-за уменьшения толщины образца и умень­ шаться в связи с появлением структурных изменений и микротрещин (см. рис. 2 и 3—а). У полиуретана i изменяется преимущественно вследствие уменьшения толщины образца, а незадолго до разруше­ ния — из-за изменения структуры материала. У РКМ оба процесса сначала взаимно компенсируются; при больших деформациях преобла­ дает помутнение. Разброс значений i для заготовок из полиуретана достигал 20%, для РКМ — 5%. У полиуретана, изготовленного залив­ кой, хуже, чем у РКМ, качество поверхности, имеются наплывы, больше воздушных пузырьков и посторонних включений. Большой разброс зна-

Рис 3 Результаты испытании при двухосном растяжении пуансоном (а) и раздувании мембраны (б): 1 — полиуретан; 2 — РКМ; 3 — армированная резина РКМ; 4У о — зависимости ///0 —/ для полиуретана и резины РКМ соответственно.

* Сила Р, действующая на мембрану при натяжении на пуансон, и давление жид­ кости р отнесены к исходном толщине материала sQ и показаны в зависимости от пе­

ремещения пуансона или поршня I.

** Характеристики армированной резины получены усреднением на ооразцах толщиной около 1 мм. У более тонких образцов с подобным армированием коэф­ фициент армирования и модуль упругости выше [14].

Рис. 6. Распределение мери­

Результаты численного интегрирования системы уравнений при на­ чальных условиях и и |г=0 = v |г=о= Аю» ау|г=о= 0 Для давления р = 60 кПа приведены на рис. 6. Эти результаты хорошо соответствуют приведен­ ным там же экспериментальным данным, представленным в виде раз­ верток по длине меридиана т. Как видно, деформации максимальны в окрестности полюса мембраны. Меридиональные деформации распре­ делены сравнительно однородно. Как показывает имеющийся в НИИТ. и ИО опыт испытания ИЖС, наряду с центральной опасна и зона закрепления диафрагмы, в которой значительные относительные удли­ нения Х\ сочетаются с концентрацией напряжений.

лучим 0=1,6 МПа. Сопоставив этот результат с приведенными выше данными по сопротивлению усталости, следует заключить, что в ИЖС можно применять тонкие диафрагмы из исследованного полиуретана. Диафрагмы из РКМ должны содержать арматуру. Испытания на цик­ лическое раздувание мембран (см. рис. 1), проведенные при частоте 2 Гц и максимальном давлении цикла 24 кПа, на базе 106 циклов, подтверждают эти выводы. При нагружении в таком режиме Ао за время опыта изменялось в среднем с 12 до 25% у полиуретановых и с 6 до 12% у армированных мембран. Приращения прогиба в центре мембраны (по сравнению с исходном положением ненагруженной мем­ браны) достигали к концу опыта 8— 10 мм для полиуретановых и 5— 6 мм для армированных мембран из РКМ. Следует подчеркнуть, что сочетание высокой прочности на растяжение с высокой изгибной жест­ костью может быть достигнуто лишь при использовании высокомодуль­ ных или армированных эластомеров. Заслуживает внимания опыт при­ менения многослойных мембран, при использовании которых также можно снизить изгибную жесткость.

Заключение. Наиболее вероятными причинами разрушения ИЖС может быть разрушение диафрагмы в области полюса или нарушение контакта между диафрагмой и корпусом ИЖС по контуру закрепле­ ния. Условия нагружения ИЖС в зоне полюса с достаточной точностью воспроизводятся при циклическом раздувании плоского кругового об­ разца. Накопление усталостных повреждений в материалах для ИЖС можно оценивать по уменьшению прозрачности и увеличению остаточ­ ных деформаций. Судя по сопротивлению усталости и упругим харак­ теристикам, полиуретан и армированная кремнийорганическая резина могут применяться в качестве материала для мембран ИЖС.

4. Климеш Ф., Ганзелка П., Томан И. Гидродинамические аспекты создания

7.Опита T., Milamura Y., Nakamura T., Yamamoto K., Mikami T., Takatiashi M., Nishiura K. Design and performance of left ventricular assist device. — Bull. Res. Inst. Appl. Elec., 1978, vol. 30, N 2, p. 70-82.

8.Полимеры медицинского назначения. M., 1981. 248 с.

9.Бердышев В. К., Г один Е. А., Иткин Г. П., Парашин В. Б., Яковенко В. С.

Сравнительное исследование некоторых конструкций искусственного сердца. — Мед. техника, 1977, № 6, с. 17—20.

10. Me Millin С. R. Physical testing of polymers for use in cfrculatory assist devices. 1 st Ann. progress report. Nat. Heart Lung a. Blood Inst. Bethesda, MD, May 1978. 32 p.

эластомеров для искусственных клапанов сердца лепесткового типа. — Механика ком­

зирование усталостной долговечности эластомеров для искусственных клапанов сердца лепесткового типа. — В кн.: Тез. докл. V Всесоюз. сими. «Синтетические полимеры медицинского назначения», Рига, 1981, с. 62—64.

Министерства здравоохранения СССР, Москва

УДК 611.71:539.2

А. Э. Мелнис, А. X. Курземниекс

ВЛИЯНИЕ ВЛАГИ НА МИКРОДЕФОРМИРОВАНИЕ КОМПАКТНОЙ

КОСТНОЙ ТКАНИ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ

Механические характеристики компактной костной ткани определя­ ются главным образом микроструктурой и взаимодействием двух ее основных составляющих — коллагена и минеральных веществ. По­ этому внимание многих исследователей в последние десятилетия со­ средоточено на изучении структурной организации и механизмов взаи­ модействия этих компонентов костной ткани. Проведение такого рода работ в значительной степени связано с успешным развитием и приме­ нением новых современных физических и физико-химических методов исследования биологических тканей. Одним из основных является ме­ тод дифракции рентгеновских лучей. Полученные результаты при по­ мощи этого метода позволили сделать вывод, что неорганический компонент костной ткани представлен двумя основными фазами — кри­ сталлической и аморфной [1, 2]. Установлено, что основой кристалли­ ческой фазы является гидроксиапатит, элементарная ячейка которого представлена гексагональной решеткой с кристаллографическими пара­ метрами а = 0,94 нм и с = 0,688 нм [3]. При этом ячейка ориентирована так, что кристаллографическая ось с совпадает с продольной осью кристалла гидроксиапатита. Однако, несмотря на то, что структура и микроструктура костной ткани изучены достаточно подробно, взаим­ ные механизмы микродеформирования и разрушения, а также роль от­ дельных составляющих в процессе деформирования до сих пор практи­ чески не выяснены. Лишь в [4] при помощи метода малоугловой и широкоугловой рентгеновской дифракции исследовано микродеформи­ рование минеральных кристаллов гидроксиапатита и коллагеновой матрицы. Установлено, что кристаллы гидроксиапатита компактного костного вещества при растяжении деформируются непропорционально деформации образца. На основе анализа рентгеновских данных выяв­ лено, что прочность коллагеновой матрицы в кости возрастает за счет возникновения упрочняющей оболочки вокруг кристаллов.

Целью настоящей работы явилось определение закономерностей микродеформирования кристаллической минеральной фазы костной ткани при двух ее влажностных состояниях — относительно сухом и выраженно влажном.

Как было показано [5, 6], одним из основных факторов, наиболее существенно влияющим на механическое поведение компактной кост­ ной ткани, является влажность. При этом от влагосодержания в кост­ ной ткани не только зависят такие параметры материала, как модуль упругости и разрушающие напряжение и деформация, но и значительно меняются сам вид кривой деформирования и характер разрушения. Поэтому изучение микродеформирования кристаллической минераль­ ной фазы костной ткани при разных ее влажностных состояниях по­ зволит глубже понять механизмы микропроцессов, происходящих при деформировании костного вещества. Это в свою очередь даст возмож­ ность более полно познать физический механизм деформирования и разрушения сухой и влажной костной ткани, а также конкретизировать

роль минерального компонента как армирующего элемента рассматри­ ваемого биокомпозита.

такие величины Е минерального компонента были использованы при описании механического поведения компактной костной ткани как ком­ позитной среды с помощью методов механики композитных материа­ лов. Поэтому несоответствие этих значений действительному модулю кристаллической фазы может быть одной из причин большого расхож­ дения между механическими параметрами костной ткани, определен­ ными экспериментально и полученными расчетным путем. Как показы­ вают данные, приведенные на рис. 2, модуль упругости Е кристалличес­ кого минерального компонента скорее всего ближе к величине Е для компактной костной ткани, чем к упомянутым выше значениям.

На рис. 3 приведены средние экспериментальные зависимости мик­ родеформации кристаллов ец,Аот общей деформации образца для сухой и влажной костной ткани. Как видно, эти зависимости значительно различаются. Если дли сухой костной ткани микродеформация мине­ рального компонента еп^ в исследованном диапазоне напряжений меня­ ется практически пропорционально 6ц, то для влажной это имеет место только при сравнительно небольших напряжениях, а в дальнейшем с повышением оц, когда происходит интенсивное увеличение общей де­ формации образца, 8ц^ почти не меняется.

Несколько неожиданным является увеличение (на 0,24%) межплос­ костного расстояния dm элементарной кристаллической ячейки мине­ ральной фазы влажной костной ткани по сравнению с сухой. Объясне­ ние данного факта, вероятно, может заключаться в следующем. Если компактную костную ткань в первом приближении представить двух­ фазным композитным материалом, состоящим из органического и мине­ рального компонентов, то влага, действующая в основном только на органическое составляющее, значительно, изменяет его механические свойства: снижает модуль упругости и разрушающее напряжение, уве­ личивает деформацию при разрушении. Кроме того, влажность увели­ чивает также линейные размеры и, следовательно, объем органичес­ кого компонента, что приводит в свою очередь к перераспределению микронапряжений между этими составляющими. Вследствие набуха­ ния органической фазы влажной костной ткани в минеральном компо­ ненте появляются растягивающие напряжения, которые и вызывают деформирование кристаллической минеральной фазы.

Аналогично можно предположить, что в случае сухой костной ткани органический компонент в результате потери воды сморщивается, и в нем появляются растягивающие напряжения, а в минеральном — сжи­ мающие. Следовательно, при одинаковых значениях напряжения на об­ разце минеральная составляющая в случае влажной костной ткани на­ ходится под большим напряжением растяжения по сравнению с сухой, что и вызывает большую микродеформацию минерального компонента. Дальнейшее увеличение приложенного к образцу влажной костной ткани напряжения, по-видимому, приводит к деструктивным процессам в области раздела между органической и минеральной составляющими. Вследствие этого микродеформация кристаллической минеральной фазы не увеличивается, а интенсивное повышение значений общей де­ формации образца следует отнести за счет деформации проскальзывания между этими двумя компонентами костной ткани. Таким образом, рез­ кий перелом на кривой деформирова­ ния влажной костной ткани (см., на­ пример, [5, 8]) можно объяснять раз-

Рис. 3. Зависимость мнкродеформации еци кристаллической фазы от деформации образца

рушением минерального компонента и Проскальзыванием между орга­ нической и минеральной составляющими. Следовательно, деформация костной ткани на первом участке зависимости ац — ац ограничивается деформацией кристаллической минеральной составляющей. На втором, более пологом, участке в основном деформируется лишь органический компонент. Справедливость предположения такого механизма дефор­ мирования влажной костной ткани на микроструктурном уровне под­ тверждают также данные, полученные методом акустической эмиссии [12], — перегиб па кривой ац —8ц сопровождается увеличением уровня акустических импульсов.

Иная картина обнаруживается при деформации сухой костной ткани. Как было показано [5], кривая деформирования имеет практи­ чески линейный характер. Кристаллический минеральный компонент также деформируется пропорционально приложенному напряжению (см. рис. 2—а). Это указывает на то, что сухая костная ткань деформи­ руется упруго и величина деформации вплоть до разрушения опреде­ ляется в основном деформацией минеральной фазы костной ткани. Раз­ рушение минерального компонента сухой костной ткани начинается только при напряжениях, близких к разрушающим для костной ткани, о чем свидетельствует появление нелинейности зависимости а ц — 8ц при больших напряжениях и резкое увеличение акустических импульсов непосредственно перед разрушением материала [13]. Сухая костная ткань разрушается хрупким образом [6] при малом значении разру­ шающей деформации.

Заключение. Полученные методом рентгеновской дифракции резуль­ таты исследования позволяют отметить следующие основные особен­ ности микродеформирования костной ткани. Общая деформация в уп­ ругой области поведения материала определяется микродеформа­ цией минерального компонента костной ткани. Большая податливость минеральной составляющей указывает на сравнительно низкий ее мо­ дуль упругости. Вид диаграммы ац — ец как для сухой, так и для влаж­ ной костной ткани обусловливается совместным деформированием ми­ неральной и органической составляющих. Если в случае сухой костной ткани общая деформация вплоть до разрушения определяется в ос­ новном микродеформацией кристаллической минеральной фазы, то для влажной это имеет место только на первом участке кривой ац — ец. Деформация на втором, более пологом, участке диаграммы определя­ ется главным образом деформацией органической составляющей кост­ ной ткани.