PL EN


Preferencje help
Widoczny [Schowaj] Abstrakt
Liczba wyników
Tytuł artykułu

The new multiscale finite element model of multilayer ventricular assist device

Identyfikatory
Warianty tytułu
PL
Nowy wieloskalowy model MES wielowarstwowej komory wspomagania pracy serca zbudowanej z poliuretanu i nanopo włoki TiN osadzonej metodą ablacji laserowej
Języki publikacji
EN
Abstrakty
EN
Ventricular assist device is an artificial organ, which is used to treat heart diseases. In the world, as well as in Poland, efforts are made towards the development of such a device that is biocompatible, durable, low energy consuming, allows monitoring and does not introduce changes to the blood morphology. The review paper discusses the types of ventricular assist devices (VADs), including VADs proposed in Poland. The particular emphasis is put on the numerical modelling and computer aided design of such an artificial organ. The walls of the ventricular assist device are covered with a nanocoating of TiN using modern techniques (Pulsed Laser Deposition) to improve the biocompatibility. The nanocoating modifies the surface properties of the device. Mechanical properties of nanocoating are determined in experimental nanotests and using imaging techniques of nanostructures. However, these tests give average values of properties and this information is not sufficient for advanced designof ventricular assist devices. To eliminate this constraint, the multiscale modelling is applied. Developed solution, which is based on application and combination of methods such as finite element method, multiscale approach and inverse analysis, is presented in the review paper. These methods are helpful in prediction the location of failure zones in the material of the ventricular assist device and then to analyze the local behaviour of nanocoating. Furthermore, it is possible to identify the parameters of the rheological model of nanocoating and introduce the residual stresses into models.
PL
Komora wspomagania pracy serca jest sztucznym narządem, który jest wykorzystywany do leczenia chorób serca. Na świecie, jak i w Polsce, czynione są wysiłki zmierzające do opracowania takiego urządzenia, które jest biokompatybilne, trwałe, zużywa mało energii, pozwala na monitorowanie i nie wprowadza zamian w morfologii krwi. Niniejszy artykuł omawia rodzaje komór wspomagania pracy serca, łącznie z komorą wspomagania zaproponowaną w Polsce. Szczególnie nacisk jest położony na modelowanie numeryczne i komputerowe wspomaganie projektowania takiego sztucznego narządu. Ściany komory wspomagania pracy serca są pokryte nanopowłoką TiN za pomocą nowoczesnych technik (ablacja laserowa) w celu poprawy biokompatybilności. Nanopowłoką modyfikuje własności powierzchniowe takiego urządzenia. Własności mechaniczne nanopowłoki są określane w doświadczalnych nanotestach i za pomocą technik obrazowania nanostruktur. Jednakże, te testy podają średnie wartości własności i taka informacja nie jest wystarczająca dla zaawansowanego projektowania komory wspomagania pracy serca. Aby wyeliminować to ograniczenie, zastosowano modelowanie wieloskalowe. Opracowane rozwiązanie, które jest oparte na zastosowaniu i kombinacji metod takich jak: metoda elementów skończonych, podejście wieloskalowe i analiza odwrotna, zostało przedstawione w artykule. Te metody są pomocne przy przewidywaniu lokalizacji stref uszkodzenia w materiale komory wspomagania pracy serca i potem, aby analizować lokalne zachowanie nanopowłoki. Ponadto, jest możliwa identyfikacja parametrów modelu Teologicznego nanopowłoki i wprowadzenie naprężeń własnych do modeli.
Rocznik
Strony
20--36
Opis fizyczny
Bibliogr. 54 poz., rys.
Twórcy
autor
autor
Bibliografia
  • Affix, O., 2006, Multiscale strategy for solving industrial problems, Comput. Method. Appl. M, 6, 107-126.
  • Boyer, B., Massoni, E., 2001, Inverse analysis for identification of parameters during thermomechanical tests, Proc. Conf NUMIFORM'01, eds, Mori, K., Balkema, A., Toyohashi, 281-284.
  • Cheng, Y.-T., Cheng, C.-M., 2004, Scaling, dimensional analysis, and indentation measurements, Mat. Sci. Eng., 44, 91-149.
  • Chien, C.C., Liu, K.T., Duh, J.G., Chang, K.W., Chung, K.H., 2008, Effect of nitride film coatings on cell compatibility, Dent. Mater., 24, 986-993.
  • De Borst, R., 2008, Challenges in computational materials science, multiple scales, multi-physics and evolving discontinuities, Comp. Mat. Sci., 43, 1-15.
  • Ebner, R., Lackner, J.M., Waldhauser, W., Major, R., Czarnowska, E., Kustosz, R., Lacki, P., Major, B., 2006, Biocompatibile TiN-based novel nanocrystalline films, Bull Pol. Ac. Tech., 54, 167-173.
  • Ebner, R., Kustosz, R., Lackner, J.M., Major, B., Religa, Z., Stolarzewicz, B., Waldhauser, W., Wierzchoń, T., 2007, Pneumatic ventricular assist device, Patent No.: PL 632 83 Y1: 1-11.
  • Field, J.S., Swain, M.V., 1993, A simple predictive model of spherical indentation, J. Mater. Res., 8, 297-306.
  • Fischer-Cripps, A.C., 2000, A review of analysis methods for sub-micron indentation testing, Vacuum, 58, 569-585.
  • Fischer-Cripps, A.C., 2002, Nanoindentation, Springer-Verlag. Fourment, L., Vieilledent, D., Chenot, J.L., 1998, Non linear sensitivity analyses in forging: application to performing tool shape optimization, Proc. of Comput. Mech. New Trends and Applications, Barcelona, CD-ROM.
  • Freitas, R.A., 2005, What is nanomedicine? Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine, 1, 2-9.
  • Gawlikowski, M., Pustelny, T., Kustosz, R., 2006, The physical parameters estimation of physiologically worked heart prosthesis, Journal de Physique, 137, 73-78.
  • Goto, T., 2005, Surface coating technology for biomaterials-morphology and nano-structure control, Int. Congress Series, 1284, 248-256.
  • Gray, N.A., Selzman, C.H., 2006, Current status of the total artificial heart, Am. Heart. J., 152, 4-10.
  • Hill, R., 1963, Elastic properties of reinforced solids: some theoretical principles, J. Mech. Phys. Solids, 11, 357-372.
  • Hill, R., 1967, The essential structure of constitutive laws for metal composites and polycrystals, J.  Mech. Phys. Solids, 15,79-95.
  • Hill, R., 1972, On constitutive macro-variables for heterogeneous solids at finite strain, Proc. R Soc. Lond., 326, 131-147.
  • Ilic, S., Hacel, K., Gilbert, R., 2010, Application of the multiscale FEM to the modeling of cancellous bone, Biomech. Model Mechanobiol, 9, 87-102.
  • Irons, B.M., 1975, A frontal solution program for finite element analysis, Int. J. Numer. Meth. Eng., 3, 293-294.
  • Jones, M.I., McColl, I.R., Grant, D.M., Parker, K.G., Parker, T.L., 2000, Protein adsorption and platelet attachment and activation, on TiN, TiC, and DLC coatings on titanium for cardiovascular applications, J. Biomed. Mater. Res., 52,413-21.
  • Korakiantis, T., Grandia, L., 2003, Optimized pulsatile-flow ventricular-assisted device and total artificial heart. Patent No.: US 6 632 169 B2: 1-47.
  • Kopernik, M., Pietrzyk, M., 2007, 2D numerical simulation of elasto-plastic deformation of thin hard coating systems in deep nanoindentation test with sharp indenter, Arch. Metall. Mater., 52/2, 299-310.
  • Kopernik, M., Spychalski, M., Kurzydlowski, K.J., Pietrzyk, M., 2008, Numerical identification of material model for C-Mn steel using micro-indentation test, Materials Science and Technology, 24, 369-375.
  • Kopernik, M., Milenin, A., Major, R., Lackner, J.M., 2011, Identification of material model of TiN using numerical simulation of nanoindentation test, Mater. Sci. Tech., 27, 604-616.
  • Lackrier, J.M., 2005, Industrially-scaled large-area and high-rate tribological coating by pulsed laser deposition, Surf. Coat. Tech., 200, 1439-1444.
  • Malinowski, Z., Lenard, J.G., Davies, M.E., 1994, A study of heat - transfer coefficient as a function of temperature and pressure, J. Mat. Proc. Tech., 41, 125-142.
  • Milenin, A., 1998, Numerical properties of finite-element algorithms in the three-dimensional shaping of metals, Russ. Metali, 5, 38-43.
  • Milenin, A., Kopernik, M., 2009, The multiscale FEM model of artificial heart chamber composed of nanocoatings, Acta Bioeng. Biomech., 11, 13-20.
  • Milenin, A., Kopernik, M., 2010, Wieloskalowy model komory wspomagania POLVAD: zagadnienie modelowania ściany komory PU/TiN z wykorzystaniem oprogramowania własnego, Biuletyn Fundacji Rozwoju Kardiochirurgii „Polskie Sztuczne Serce”, 31-34.
  • Milenin, A., Kopernik, M., 2011, Details of the FEM code for the multi-scale simulation of the stress - strain state of the blood chamber composed of polyurethane and TiN nanocoating, Comput. Meth. in Mater. Sci., 11, 215-222.
  • Milenin, A., Muskalski, Z., 2007, The FEM simulation of cementite lamellas deformation in pearlitic colony during drawing of high carbon steels, The Proc. Conf NUMFORM, eds, Cesar de Sa, J.M.A., Santos, A.D., Porto, 1375-1380.
  • Moosavi, M.-H., Fatouraee, N., Katoozian, H., 2009, Finite element analysis of blood flow characteristics in a ventricular assist device (VAD), Simul Model Pract. Th., 17, 654-663.
  • Mura, T., 1993, Micromechanics: overall properties of heterogeneous solids, Kluwer, Dordrecht.
  • Nawrat, Z., 2007, Advances in biomedical technology, M Studio, Zabrze.
  • Nemat-Nasser, S., Hori, M., 1993, Micromechanics: overall properties of heterogeneous materials, Nord-Holland Series, J. Appl Math. Mech., 37.
  • Oliver, C, Pharr, G.M., 1992, An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiment, J. Mater. Res., 7, 1564-1583.
  • Osaki, S., Edwards, N.M., Velez, M., Johnson, M.R., Murray, M.A., Hoffmann, J.A., Kohmoto, T., 2008, Improved survival in patients with ventricular assist device therapy: the University of Wisconsin experience, Eur. J. Cardio-Thorac, 34, 281-288.
  • Park, J., Kim, D.J., Kim, Y.K., Lee, K.H., Lee, K.H., Lee, H., Ahn, S., 2003, Improvement of the biocompatibility and mechanical properties of surgical tools with TiN coating byPACVD, Thin Solid Films, 435, 102-107.
  • Pauleau, Y., 2001, Generation and evolution of residual stresses in physical vapour-deposited thin films, Vacuum, 61, 175-181.
  • Pauleau, Y., 2006, Materials Surface Processing by Directed Energy Techniques, Elsevier Science and Technology. Religia, Z., Kustosz, R., 2002, Mechanical heart supporting, Coronary vessels surgery, PZWL, Warsaw.
  • Sacks, M.S., Merryman, W.D., Schmidt, D.E., 2009, On the biomechanics of heart valve function, J. Biomech., 42, 1804-1824.
  • Sarna, J., Kustosz, R., Major, R., Lackner, J.M., Major, B., 2010, Polish Artificial Heart - new coatings, technology, diagnostics, Bull Pol Ac. Tech., 58, 329-335.
  • Scrro, A.P., Completo, C, Colaco, R., dos Santos, F., Lobato da Silva, C, Cabral, J.M.S., Araujo, H., Pires, E., Saramago, B., 2009, A comparative study of titanium nitrides, TiN, TiNbN and TiCN,  as coatings for biomedical applications, Surf. Coat. Tech., 203, 3701-3707.
  • Szeliga, D., Gawąd, J., Pietrzyk, M., 2006, Inverse analysis for identification of rheological and friction models in metal forming, Comp. Meth. Appl. Mech. Eng., 195, 6778-6798.
  • Taga, Y., 2001, Recent progress of nanotechnologies of thin films for industrial applications, Mater. Sci. Eng., 15, 231-235.
  • Thibaux, P., Chastel, Y., Chaze, A.-M., 2000, Finite element simulation of a two-phase viscoplastic material: calculation of the mechanical behaviour, Comput. Mater. Sci., 18, 118-125.
  • Torquato, S., 2002, Random heterogeneous materials: micro-structure and macroscopic properties, Springer Verlag, New York.
  • Williams, D.F., 2008, On the mechanisms of biocompatibility, Biomaterials, 29, 2941-2953.
  • Willis, J.R., 1981, Variational and related methods for the overall properties of composites, Adv. Appl. Mech., 21, 1-78.
  • Willis, J.R., 1982, Elasticity theory of composites. Mechanics of Solids, the Rodney Hill 60th Anniversary Volume, 653-686.
  • Zienkiewicz, O.C., Taylor, R.L., 2000, The finite element method, Butterworth-Heinemann, London.
  • Zohdi, T.I., Wriggers, P., 2005, Introduction to Computational Micromechanics, Springer, Series in Lecture Notes in Appl. Comput. Mech., 20.
Typ dokumentu
Bibliografia
Identyfikator YADDA
bwmeta1.element.baztech-article-BUJ5-0051-0025
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.