Badanie procesu relaksacji naprężeń skóry świńskiej

• Autorzy: Liber-Kneć A. , Łagan S.

Warianty tytułu

EN

Testing stress relaxation process of a porcine skin

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Właściwości mechaniczne tkanki skórnej są heterogeniczne, anizotropowe, nieliniowe i lepkosprężyste ze względu na jej niejednorodność oraz kompleksowość struktur. W artykule opisano badania relaksacji naprężeń świeżej tkanki skóry świńskiej dla różnych poziomów odkształcenia (5%, 10% i 15%). Próbki zostały pobrane z grzbietu zwierzęcia, równolegle oraz prostopadle w stosunku do jego długiej osi ciała. Statyczna próba rozciągania została przeprowadzona w celu scharakteryzowania parametrów mechanicznych skóry: moduł Younga dla równoległych/prostopadłych próbek wyniósł 11,5 ±2,5/19,0 ±2,1 MPa, wytrzymałość na rozciąganie 11,4 ±1,4/13,0 ±1,7 MPa, odkształcenie przy zniszczeniu 21,3 ±1,1/34,4 ±4,7 mm. Różne kierunki pobrania próbek wpłynęły na właściwości lepkosprężyste. Dla próbek prostopadłych zostały osiągnięte następujące poziomy naprężenia początkowego: dla 5% odkształcenia około 0,3 MPa w 30 s, dla 10% odkształcenia około 1,1 MPa w 60 s i dla 15% odkształcenia 2,3 MPa w 90 s. Naprężenie początkowe osiągnięte dla próbek równoległych dla 5% odkształcenia wyniosło 0,3 MPa w 30 s, dla 10% odkształcenia 0,4 MPa w 60 s, i dla 15% odkształcenia osiągnęło wartość 1 MPa w 90 s. Krzywe relaksacji miały różny zakres czasu relaksacji dla różnych poziomów odkształcenia. Czas relaksacji dla równoległych/ prostopadłych próbek dla różnych poziomów odkształcenia wyniósł: 5% - 90/100 s, 10% - 110/150 s, 15% - 1000/1600 s. Do matematycznego modelowania mechanicznych właściwości tkanki skórnej świni wykorzystano model QLV.

EN

Mechanical behavior of skin tissue is described as heterogeneous, anisotropic, nonlinear and viscoelastic because of its nonhomogeneous, complex structure. This paper reports the study stress relaxation behavior of fresh porcine tissue skin for different strain levels (5%, 10% and 15%). The samples were taken parallel and perpendicular to the long axis of the pig’s body, from dorsal area. The tensile test of skin samples was carried out to characterize mechanical parameters of skin material: Young's modulus for parallel/perpendicular samples was 11.5 ±2.5/19.0 ±2.1 MPa, tensile strength was 11.4 ±1.4/13.0 ±1.7 MPa, elongation at break was 21.3 ±1.1/34.4 ±4.7 mm. The different directions of sampling influenced the viscoelastic properties. The perpendicular samples achieved the following levels of initial stress: at 5% strain of about 0.3 MPa in 30 s, at 10% strain of about 1.1 MPa in 60 s and at 15% strain 2.3 MPa in 90 s. The initial stress reached by the parallel sample for 5% strain was 0.3 MPa in 30 s, at 10% strain was 0.4 MPa in 60 s, and for 15% strain reached a value of 1 MPa in 90 s. Relaxation curves had different time ranges of stress relaxation for different levels of strain. The time of relaxation for parallel/perpendicular samples for different strain levels was: 5% - 90/100 s, 10% - 110/150 s, 15% - 1000/1600 s. The QLV theory was used to the mathematical modeling mechanical behavior of porcine skin tissue.

Słowa kluczowe

PL

skóra; lepkosprężystość; relaksacja naprężeń; właściwości mechaniczne

EN

skin; viscoelasticity; stress relaxation; mechanical properties

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 19, no. 134
• Strony: 18--24
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Liber-Kneć A.

• Zakład Mechaniki Doświadczalnej i Biomechaniki, Instytut Mechaniki Stosowanej, Politechnika Krakowska, al. Jana Pawła II 37, 31-864 Kraków

autor

Łagan S.

• Zakład Mechaniki Doświadczalnej i Biomechaniki, Instytut Mechaniki Stosowanej, Politechnika Krakowska, al. Jana Pawła II 37, 31-864 Kraków

Bibliografia

• [1] Kathyr F., Imberdis C., Vescovo P., Varchon D., Lagarde J.M.: Model of the viscoelastic behaviour of skin in vivo and study of anisotropy. Skin Research Technology 10 (2004) 93-103.
• [2] Lim K.H., Chew C.M., Chen P.C.Y., Jeyapalinac S., Hoc H.N., Rappelc J.K., Lim B.H.: New extensometer to measure in vivo uniaxial mechanical properties of human skin. Journal of Biomechanics 41 (2008) 931-936.
• [3] Pailler-Mattei C., Beca S., Zahouani H.: In vivo measurements of the elastic mechanical properties of human skin by indentation tests. Medical Engineering & Physics 30 (2008) 599-606.
• [4] Ni Annaidh A., Bruyere K., Destrade M., Gilchrist M.D., Ottenio M.: Characterizing the anisotropic mechanical properties of excised human skin. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 5(1) (2012) 139-148.
• [5] Groves R.B., Coulman S.A., Birchall J.C., Evans S.L.: An anisotropic, hyperelastic model for skin: Experimental measurements, finite element modeling and identification of parameters for human and murine skin. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 18 (2013) 167-180.
• [6] Lemaitre J., Handbook of Material Behavior. Nonlinear Models and Properties, 10.11. Biomechanics of soft tissue, Academic Press, USA, (2001) 1057-1070.
• [7] Żak M., Kuropka P., Kobielarz M., Dudek A., Kaleta-Kuratewicz K., Szotek S.: Determination of the mechanical properties of the skin of pig fetuses with respect to its structure. Acta of Bioengineering and Biomechanics 13 (2) (2011) 37-43.
• [8] Łagan S., Liber-Kneć A.: Charakterystyka anizotropowych właściwości mechanicznych skóry świni. Engineering of Biomaterials 128-129 (2014) 61-63.
• [9] Ankersen J., Birkbeck A.E., Thomson R.D., Vanezis P.: Puncture resistance and tensile strength of skin stimulants. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers (1999) 213 (part H) 493-501.
• [10] Elsner P., Wilhelm K.P., Maibach H.I., Berardesca E.: Bioengineering of the skin: skin biomechanics, CRC Press, New York, (2001).
• [11] Purslow P.P., Wess T.J., Hukins D.W.L.: Collagen orientation and molecular spacing during creep and stress-relaxation in soft connective tissues. The Journal of Experimental Biology 201 (1998) 135-142.
• [12] Liu Z., Yeung K.: The preconditioning and stress relaxation of skin tissue. Journal of Biomedical and Pharmaceutical Engineering 2:1 (2008) 22-28.
• [13] Fung Y.C., Biomechanics, Mechanical properties of living tissues, Springer, New York (1993).
• [14] Sherdold O.A., Fleck N.A., Radford D.: The uniaxial stress versus strain response of pig skin and silicone rubber at low and high strain rates. International Journal of Impact Engineering 32 (2006) 1384-1402.
• [15] Geerligs M.: Skin layer mechanics, Ph.D. Thesis, Technische Universiteit Eidhoven (2010) 27-30.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.