Kalendarz  

Wrzesień 2020
P W Ś C Pt S N
31 1 2 3 4 5 6
7 8 9 10 11 12 13
14 15 16 17 18 19 20
21 22 23 24 25 26 27
28 29 30 1 2 3 4
   

Najbliższe zebranie  

Brak wydarzeń
   

Zdjęcia z zebrań  

   

Stronę odwiedza  

Odwiedza nas 23 gości oraz 0 użytkowników.

   

Wieloskalowy model MES sztucznej komory serca

Andrij Milenin

Katedra Informatyki Stosowanej i Modelowania, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej, Akademia Górniczo Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Kraków

Streszczenie:
Przedmiotem badań były sztuczne komory serca POLVAD i POLVAD_EXT wykonane z poliuretanu i pokryte nanowarstwą TiN, co pozwala na poprawę biozgodności powierzchni komór w strefie kontaktującej się z krwią. Celem badań była analiza możliwości utraty spójności warstwy TiN w zależności od parametrów nanoszenia powłoki, kształtu i warunków obciążenia komory. Wybrany sposób nanoszenia powłoki (Pulsed Laser Deposition) powoduje powstawanie resztkowych naprężeń w powłoce i podłożu oraz skomplikowaną morfologię powierzchni. Dodatkowym czynnikiem, wpływającym na możliwość utraty spójności powłoki jest duża różnica własności mechanicznych TiN i poliuretanu.
Zaproponowane rozwiązanie zostało oparte na zastosowaniu dedykowanego wielkoskalowego modelu MES sztucznej komory serca. Opracowany kod MES wykorzystuje teorię nieliniowej sprężystości. Model w skali makro jest oparty na rozwiązaniu 3d i uwzględnia kształt komory oraz nieliniowe własności materiału. Model w skali makro pozwolił na uzyskanie rozkładu naprężeń i odkształceń w komorze, która jest obciążana ciśnieniem krwi. Model w skali mikro został oparty na podejściu 2.5d i wykorzystuje wyniki uzyskane z modelu w skali makro, które stanowią warunki brzegowe. Model w skali mikro uwzględnił wpływ naprężeń resztkowych, morfologii powierzchni oraz grubości powłoki na odkształcenie warstwy TiN i pozwolił na prognozę utraty spójności oraz optymalizację parametrów nanoszenia powłoki.
W celu kalibracji i walidacji wielkoskalowego modelu wykonano szereg badan eksperymentalnych w skalach makro (za pomocą metody DIC) i mikro (badania utraty spójności powłoki in situ). Po kalibracji modelu w skali makro uzyskano lokalizację obszarów powierzchni, narażonych na utratę spójności powłoki, wykonano analizę porównawczą dwóch wersji sztucznych komór serca. Stwierdzono, że komora POLVAD_EXT ma bardziej równomierny rozkład odkształceń po zadziałaniu ciśnienia krwi, co stwarza lepsze warunki dla pracy warstwy TiN. Analiza w skali mikro pozwoliła zaproponować sposób zwiększenia ściskających resztkowych naprężeń w warstwie TiN, polegający na wprowadzeniu warstwy pośredniej Au. Za pomocą modelu wyznaczono optymalne grubości warstw Au i TiN. Wynik badań numerycznych i eksperymentalnych stanowi komora VAD Religa Heart_EXT, pokryta warstwą Au (5 nm) i TiN (30-35 nm).
Główne wyniki pracy zostały opublikowane w artykułach:
1. A. Milenin, M. Kopernik, Multiscale FEM model of artificial heart chamber composed of nano-coatings, Acta of Bioengineering and Biomechanics, vol. 11, no. 2, pp. 13-20, 2009.
2. A. Milenin, M. Kopernik, D. Jurkojć, M. Gawlikowski, T. Rusin, M. Darłak, R. Kustosz, Numerical modelling and verification of polish ventricular assist device, Acta of Bioengineering and Biomechanics, vol. 14, no. 3, pp. 49-57, 2012.
3. M. Kopernik, A. Milenin, S. Ka̧c, M. Wróbel, Stress-Strain analysis in TiN nanocoating deposited on polymer with respect to Au nanointerlayer, Journal of Nanomaterials, ID 813587, pp.1-12, 2014.
4. M. Kopernik, M. Gawlikowski, A. Milenin, I. Altyntsev, R. Kustosz, S. Kąc, Digital image correlation of coated and uncoated Religa Heart_Ext ventricular assist device, Acta of Bioengineering and Biomechanics, vol. 17, no. 4, pp. 49–58, 2015.
   
© Realizacja Zbigniew Kacprzyk