Machine for tensile and fatigue tests on biological fabrics and thin polymeric films

Asper srl ha progettato e realizzato una macchina per valutare la resistenza a carico di trazione e l’elasticità di tessuti biologici ex vivo (in particolare tessuti oculari) e di film polimerici biocompatibili utilizzati per la messa a punto della tecnica di saldatura laser assistita di tessuti biologici.

La soluzione meccanica è stata ottimizzata per eseguire prove su tessuti biologici molli, come la capsula anteriore del cristallino, caratterizzati da spessori dell’ordine di alcune decine di micrometri, da valori del carico di rottura di poche decine o centinaia di grammi, corrispondenti ad allungamenti di alcuni mm.

Per il sistema di controllo Asper ha progettato e sviluppato AS_Tessuti. La soluzione prevede differenti prove, sia in controllo di carico sia di spostamento. In controllo di carico sono previste prove con gradiente di sollecitazione costante e prove di fatica. In controllo di spostamento sono previste prove con gradiente di sollecitazione costante.

AS_Tessuti

Per conto del laboratorio di Applicazioni Laser Biomedicali dell’Istituto di Fisica Applicata “Nello Carrara” del CNR Firenze, Asper ha realizzato una macchina per prove di trazione, compressione e fatica su tessuti biologici e biomateriali

Lo scopo principale delle misure è la caratterizzazione delle proprietà meccaniche di tessuti biologici e di film polimerici sottili che possono essere utilizzati in applicazioni biomedicali. Di principale interesse è lo studio della resistenza a carico di trazione; in particolare la misura del carico di rottura sia della capsula anteriore del cristallino sia di membrane di chitosan drogato e non (prodotte presso il medesimo laboratorio ed drogato con: verde indocianina, nanocilindri di oro, e con altro materiale, ancora in fase di studio e ottimizzazione).

La misura delle proprietà meccaniche del tessuto biologico integro e dei film di materiale biocompatibile è di fondamentale importanza per le applicazioni della ricerca sulla saldatura laser dei tessuti biologici. Questa può essere indotta irraggiando opportunamente una ferita inferta su un tessuto, una volta che i labbri della ferita stessa siano stati accuratamente apposti (Laser-assisted corneal welding in cataract surgery: retrospective study. L. Menabuoni, R. Pini, F. Rossi, I. Lenzetti, S. H. Yoo, J.-M. Parel. Journal of Cataract and Refractive Surgery 33: 1608-1612 (2007)); altrimenti si può applicare un film di materiale biocompatibile per chiudere, quasi fosse un cerotto, il tessuto danneggiato, per trauma o per ferita chirurgica (A new technique for the closure of the lens capsule by laser welding. R. Pini, F. Rossi, L. Menabuoni, I. Lenzetti, S. Yoo, J-M. Parel. Ophthalmic Surgery, Lasers & Imaging (OSLI), 39(3): 260-261 (2008); Chitosan films doped with gold nanorods as laser-activatable hybrid bioadhesives, P. Matteini, F. Ratto, F. Rossi, S. Centi, L. Dei and R. Pini. Adv Mater. 2010 Oct 8; 22(38):4313-6). In entrambi i casi occorre confrontare la resistenza a carico di trazione del tessuto saldato e del tessuto non trattato. Parimenti è importante verificare che il film biopolimerico abbia caratteristiche meccaniche (resistenza a carico di trazione, elasticità) comparabili al tessuto naturale.

I tessuti biologici molli, come la capsula anteriore del cristallino, sono caratterizzati da spessori dell’ordine di alcune decine di µm, da valori del carico di rottura di poche decine o centinaia di grammi, corrispon-denti ad allungamenti di alcuni mm. Un’analisi accurata della tipologia dei campioni che si intende caratterizzare ha permesso una corretta definizione di tutti i requisiti:

• accuratezza nella misura del carico applicato di 1 gf su un fondo scala di 1 kgf;
• accuratezza nella misura dello spostamento di 0,1 µm su un fondo scala di 25 mm;
• possibilità di eseguire la prova in condizioni che riproducono l’ambiente biologico naturale, per garantire che le proprietà meccaniche dei tessuti naturali siano mantenute e che i tessuti bio-ingegnerizzati siano provati nel loro ambiente di lavoro. Questa condizione si traduce nella possibilità di eseguire le prove in ambiente liquido (tipicamente acqua);
• pinze porta-campione, utilizzate per mantenere il campione in posizione ed esercitare la trazione, fatte in modo da applicare la forza uniformemente sulla sezione del campione;
• pinze porta-campione in grado di afferrare campioni con uno spessore da 10 µm e qualche centinaia di micrometri;
• sistema configurabile sia in orizzontale sia in verticale per rispondere alle diverse esigenze di misura.

Asper ha progettato e realizzato una meccanica in grado di soddisfare i requisiti individuati. Particolare attenzione è stata posta nella cura dei dettagli, ad esempio: sono state realizzate pinze per lavorare sia in ambiente secco sia in ambiente liquido; tutti i componenti meccanici a contatto con i campioni sono realizzati in acciaio inox per poter essere sterilizzati in autoclave; la cella di carico utilizzata per la misura della forza applicata è stata scelta sia con ampia resistenza ai sovraccarichi che possono verificarsi in fase di serraggio manuale dei campioni, sia con una buona insensibilità a sforzi trasversali, sforzi dovuti al peso proprio delle pinze porta-campione quando operano orizzontale; per la misura dello spostamento è stato impiegato un encoder ottico lineare su tutto l’intervallo di misura; vista l’accuratezza di misura in gioco, 0,1 µm, per evitare che le variazioni termiche ambientali del laboratorio influiscano sulla misura di spostamento, la piastra di base è stata realizzata in un alluminio con un basso coefficiente di dilatazione termica (Alcoa Alca Plus).

Sistema di controllo

Per il sistema di controllo Asper ha progettato e sviluppato AS_Tessuti, una soluzione completa per la caratterizzazione delle proprietà meccaniche di tessuti biologici e di film polimerici. La soluzione prevede differenti prove, sia in controllo di carico sia di spostamento. In controllo di carico sono previste prove con gradiente di sollecitazione costante e prove di fatica. In controllo di spostamento sono previste prove con gradiente di sollecitazione costante.

L’architettura hardware della soluzione prevede un’unità CompactRIO dotata di moduli di condizionamento per il segnale della cella di carico e per la comunicazione con il driver di posizionamento intelligente, quest’ultimo controlla, ad anello chiuso in posizione, la movimentazione di un traslatore lineare e legge sia gli interruttori di fine corsa sia l’encoder ottico lineare.

L’architettura software della soluzione è composta da due unità: un’unità di controllo real-time installata sull’unità CompactRIO, e un’unità di supervisione, installata su opportuno PC. L’unità software di controllo real-time riceve i comandi dall’unità di supervisione e gestisce le procedure di controllo. L’unità di supervisione fornisce all’operatore un’interfaccia grafica, semplice ed intuitiva, per mezzo della quale è possibile gestire in modalità sia automatica sia manuale l’esecuzione delle prove.

L’interfaccia grafica è studiata in modo da rendere immediatamente accessibili all’utilizzatore tutte le informazioni essenziali per il controllo della macchina e sullo stato della prove automatiche. I dati relativi all’andamento della prova sono visualizzati graficamente e gli stessi possono essere archiviati su file. L’utente può configurare il sistema per ogni sessione di prova in modo da adeguarlo alle esigenze dei campioni sotto analisi. Per una efficace gestione delle prove secondo procedure affidabili e armonizzate, la configurazione della prova può essere salvata e riletta da file.

Bibliografia

I risultati ottenuti con AS_Tessuti hanno contribuito alle seguenti pubblicazioni scientifiche:

• “Sutureless closure of scleral wounds in animal models by the use of laser welded biocompatible patches”, Francesca Rossi, Paolo Matteini, Luca Menabuoni, Ivo Lenzetti, Roberto Pini, Ophthalmic Technologies XXI,edited by Fabrice Manns, Per G. Söderberg, Arthur Ho, Proc. of SPIE Vol. 7885, 78850P.