Banco de traccin para ensayo de segmentos vasculares · Para ello, la solicitación de la probeta...

Banco de tracción para ensayo de segmentos vasculares

J A Bernia1, L J Carballo1, A H Dell’Osa1 y D Craiem1,2 1Universidad Favaloro, Av. Belgrano 1723 (C1093AAF), Buenos Aires, Argentina. 2CONICET, Argentina. Resumen. Recientemente se han hecho esfuerzos significativos para comprender la mecánica de la pared arterial y cómo las diferentes enfermedades afectan su estado elástico. Muchos de estos estudios se realizan en experiencias con animales y también mediante técnicas no invasivas en pacientes. Sin embargo, una de las formas más directas y controladas para estudiar parámetros como la elasticidad de un tejido, es utilizando ensayos de tracción in vitro. Para caracterizar materiales, se utilizan ensayos de tracción hasta rotura, de relajación y de fatiga. En todas estas experiencias se controla el estiramiento y se mide la fuerza sobre una probeta del material a estudiar. Ensayar tejido biológico requiere de costosas máquinas y que además estén adaptadas en término de los niveles de fuerza y el acondicionamiento del medio durante la experiencia. Este trabajo propone el diseño de un banco de tracción uniaxial para tejidos biológicos, especialmente adaptado para el estudio de la mecánica arterial. La máquina controla posición y mide fuerza. El diseño, montaje y automatización se realiza íntegramente en el país. Se prevé que la probeta de ensayo esté inmersa en un líquido y pueda ser monitoreada mediante una cámara digital durante todo el ensayo. La máquina de ensayos se convierte así en una nueva herramienta para colaborar con la comprensión de patologías vasculares.

1. Introducción Comprender los cambios en los parámetros viscoelásticos de las arterias y sus relaciones con las propiedades de los componentes y la estructura de la pared, permite avanzar en el tratamiento de diferentes enfermedades como la hipertensión arterial [1, 2]. La respuesta mecánica de las arterias ha sido estudiada en detalle, tanto en animales como en humanos, y muestra un comportamiento no lineal y viscoelástico [3, 4]. Sin embargo, los ensayos de caracterización de materiales que permiten un estudio controlado de la mecánica arterial, son escasos [5, 6].

Los ensayos mecánicos sobre vasos sanguíneos suelen clasificarse como in vivo o in vitro. Los primeros, realizados en el interior del organismo, tienen la ventaja de estudiar el material en su estado natural dentro del rango fisiológico, lo que les proporciona una conexión directa con el análisis médico. Sin embargo, el rango de solicitación es necesariamente muy limitado y existen muchas incertidumbres sobre las condiciones de contorno a las que están sometidas las muestras. En consecuencia, los datos obtenidos no permiten una completa caracterización del material. Por su parte, los ensayos in vitro, realizados en laboratorio, permiten el estudio del material en un rango más amplio de solicitaciones con un mayor control sobre las variables estudiadas. En estos ensayos se puede por ejemplo comprobar el efecto de la edad sobre la elasticidad arterial o la influencia de la anisotropía en la respuesta mecánica [5]. También evaluar prótesis vasculares y caracterizarlas mecánicamente [7]. Otra de las aplicaciones, es permitir caracterizar la elasticidad de diferentes tejidos dentro de un banco

XVIII Congreso Argentino de Bioingeniería SABI 2011 - VII Jornadas de Ingeniería Clínica Mar del Plata, 28 al 30 de septiembre de 2011

de órganos. En el caso particular de reemplazos arteriales o venosos, reducir la discordancia mecánica donante-receptor ha dado prueba de mejorar el éxito del transplante [8].

Nuestro grupo de investigación en la Universidad Favaloro ha trabajado en el envío intercontinental de arterias criopreservadas para ser estudiadas con máquinas de ensayo profesionales en Europa [9]. Hemos verificado que las propiedades mecánicas esenciales se preservan durante el envío. Una de las razones de este tipo de envíos intercontinentales fue la imposibilidad de contar con máquinas de ensayo propias. Las máquinas importadas son costosas y no se adaptan a los requerimientos de los ensayos en tejidos biológicos. Un banco de tracción para el ensayo de segmentos vasculares debe permitir caracterizar dinámicamente las propiedades biomecánicas, en estados fisiológicos simulados, de segmentos venosos, arteriales o prótesis. Los ensayos más comunes son de rotura, relajación y fatiga [10, 11].

El presente trabajo propone el diseño de una máquina nacional para realizar ensayos de tracción uniaxiales sobre tejidos biológicos, particularmente vasos sanguíneos. El sistema debe controlar posición y medir fuerza. Se prevé que la probeta en estudio esté sumergida a una temperatura controlada y que su espesor se cuantifique durante el ensayo. La máquina debe ser autónoma, robusta y versátil para realizar distintos tipos de ensayos.

2. Materiales y métodos

2.1. Probeta de ensayo Para caracterizar el comportamiento mecánico de los tejidos se realizarán ensayos de tracción uniaxiales sobre probetas extraídas de segmentos arteriales. Las probetas se diseñarán en forma de hueso para evitar las roturas en la zona de mordazas. Las dimensiones de la probeta a ser utilizada serán 10 mm de largo y un ancho de 1,5 mm. El espesor dependerá de la arteria a estudiar. Las probetas en forma de hueso se calarán utilizando un instrumento de hierro afilado utilizado como molde. Para caracterizar el comportamiento anisótropo se podrán obtener probetas en la dirección circunferencial y en la longitudinal como muestra la figura 1.

Figura 1. Probeta en forma de hueso recortada en forma longitudinal (izquierda) y radial (derecha) a partir de un segmento arterial.

2.2. Diseño del banco de ensayos El dispositivo proyectado consta de un sistema de carga de una sola columna. Está diseñado para tener precisión micrométrica en la posición, ser duradero, robusto y ofrecer la flexibilidad necesaria para realizar distintos protocolos. El operador podrá configurar la experiencia mediante una pantalla táctil que comandará el sistema de control por PLC. Los dispositivos de una sola columna son habitualmente usados para dispositivos médicos y biomateriales, textiles, elastómeros, alimentos, pequeños componentes y microelectrónica, cableado, papel y película plástica, dejando los de dos columnas para la prueba de plásticos, metales, materiales de caucho, componentes de automoción, materiales compuestos y aplicaciones a temperaturas no ambientales. Este sistema de carga de una sola columna está básicamente formado por una base, un bastidor y un sistema de desplazamiento perpendicular. Esta estructura integra un sistema con forma de C con alta rigidez para reducir las posibles desviaciones de la celda de carga cuando es sometida a un ensayo (figura 2).

La base está formada por 4 patas rectangulares de 40 mm x 40 mm de acero SAE 1010 (acero sin aleación con 0,08-0,13 % de carbono) que sirven de descanso a una placa del mismo tipo de acero de 8 mm de espesor, 40.0 cm de longitud y 24.0 cm de ancho. Sobre dicha placa se apoya un recipiente cúbico de polimetilmetacrilato transparente de 20 cm de lado. La cubeta permitirá que la probeta esté


sumergida en un medio de temperatura controlada. La idea es brindar las condiciones fisiológicas originales del tejido (i.e. suero fisiológico cuya temperatura se mantenga estable a 37ºC con precisión de ±1º C mediante un baño termostático). Por dentro del recipiente se encuentra un drenaje para el recambio del medio líquido.

La estructura del bastidor consiste en i) un hierro U perfil Normal (UPN), dimensiones 50 mm x 24 mm, de acero SAE 1010, que sirve de columna para brindar estabilidad; ii) una guía de carro lineal; iii) un tornillo de bola recirculante cuyo giro direcciona hacia arriba o hacia abajo al sistema de desplazamiento.

El sistema de desplazamiento consiste en una estructura de aluminio laminado de 10 mm de espesor que alberga al carro que se desplaza por la guía ya mencionada. Sostiene además a una celda de carga de 1 kg. Un sistema de mordazas es montado entre la celda de carga y la base y aseguran la fijación de los materiales a medir.

Cuando el operador comienza un ensayo, el sistema de desplazamiento se mueve unidireccionalmente hacia arriba o abajo aplicando una fuerza de tracción o de compresión sobre la muestra a ensayar. La celda de carga convierte esta fuerza en una señal eléctrica, la cual el software a desarrollar se encargará de mostrar y medir. El desplazamiento se logra gracias a un motor paso a paso (PAP) de 1,8º por paso que se encuentra en la cara inferior de la placa de acero de la base. La conexión entre el motor y el tornillo de bola recirculante se logra mediante un rulemán a bolas con contacto angular el cual tiene dispuestos sus caminos de rodadura de forma que la presión ejercida por las bolas es aplicada oblicuamente con respecto al eje. Como consecuencia de esta disposición, el rodamiento es especialmente apropiado para soportar no solamente cargas radiales, sino también grandes cargas axiales, debiendo montarse el mismo en contraposición con otro rodamiento que pueda recibir carga axial en sentido contrario, el cual vendría a ser el porta rodamiento del extremo proximal del tornillo de bola recirculante.

Figura 2. Esquema del banco de tracción.

2.3. Sistemas de control La automatización se logra con un Controlador Lógico Programable (PLC). Se propone utilizar el modelo Delta DVP-12SA que posee 8 entradas y 4 salidas y se maneja con tensión de 24 V. El PLC puede ser programado mediante el software Delta WPLSoft (Versión 2.12.06) con la generación de rutinas en lenguaje Ladder que se cargan previamente al ensayo en el PLC. Este último es el encargado del control del motor y del almacenamiento de variables. El usuario logra el control de las


rutinas cargadas al PLC y por lo tanto, el control del motor, mediante una pantalla táctil microprocesada denominada Human Machine Interface (HMI). Se propone el modelo Delta DOP-AS38THTD.

Figura 3. Diagrama en bloques del banco de tracción. En la figura 3 se muestra un diagrama del sistema de control a lazo abierto. Como en general las

probetas oponen una fuerza despreciable sobre la máquina, no es necesaria la realimentación de ninguna variable. El motor impone un desplazamiento y la celda de carga mide la fuerza.

Una incorporación interesante sería implementar una regla digital para realimentar el sistema ya que para el estudio de materiales biológicos más duros, como puede ser el caso del tejido óseo, sería indispensable la realimentación.

Para el control del motor se propone el Driver para motores PAP YKA2404MC de la marca Yako. Este puede alimentar las bobinas del motor tanto de forma sincrónica con una frecuencia establecida de fábrica o como se utiliza en este proyecto, con una frecuencia ingresada por el usuario por pantalla, pudiendo así realizar variaciones en el ensayo. El Driver tiene la particularidad de poder subdividir los pasos del motor PAP hasta 200 subpasos, lo cual permite un movimiento preciso y casi continuo. Sobretodo teniendo en cuenta que los desplazamientos proyectados para las probetas de 1 cm de largo no superan deformaciones del 150%.

Finalmente, el circuito cuenta con un regulador de corriente incorporado y una entrada para cambiar el sentido de giro del motor, para permitir realizar los ensayos de fatiga en ciclos triangulares.

2.4. Adquisición y acondicionamiento de señales Como ya ha sido mencionado, la finalidad de nuestra maquina es la adquisición y acondicionamiento de parámetros viscoelásticos de diferentes tejidos. Para ello, la solicitación de la probeta se realiza aplicando a las mordazas una velocidad constante de desplazamiento. En los protocolos tradicionales, previamente a su ensayo, las probetas se someten a tres ciclos de acondicionamiento carga-descarga hasta un porcentaje de la carga máxima del ensayo [10].

La deformación de la probeta se obtiene directamente a partir del sensado del desplazamiento de las mordazas. Esto se logra con una celda de carga BSL-PME-1 que entrega la señal mesurada a un transductor mecánico-eléctrico para acondicionar la misma. Esta señal ya acondicionada es aplicada a un conversor analógico/digital Delta Electronics DVP04AD-S. Esto permite tener datos del tejido, adquiridos indirectamente por la celda de carga, y visualizarlos en la pantalla HMI.

La precisión de la medida del desplazamiento es del orden de 1μm. Esto puede corroborarse mediante el uso de comparadores milesimales, los cuales nos permiten verificar que un desplazamiento axial de cierta magnitud del tornillo de bola recirculante se transformará unívocamente en un alargamiento de la misma magnitud en la zona activa de la probeta.


2.5. Software de control. El software de control permite elegir el tipo de control que se desea ejercer sobre el banco de tracción, pudiendo elegir entre dos modos: manual o automático.

El modo manual permite tener un control de velocidad y una movilidad del sistema de desplazamiento ascendente o descendente, sin más restricciones que el ancho de carrera máximo otorgado para el mismo.

El modo automático permite configurar la velocidad a la cual se ejecutará la rutina ramp-and-hold (figura 4).

La interfaz de control en el HMI se programa con el soft Screen Editor (Versión 1.05.86). El software de control efectúa la rutina seleccionada por el usuario. La máquina prevé 2 sistemas de detención de seguridad: i) accionadores de final de carrera (ubicados de forma tal que no permitan que el sistema de desplazamiento exceda los límites de su guía de recorrido) y ii) un pulsador manual de parada que da la posibilidad al operador de detener cualquier rutina.

Figura 4. Protocolo de ensayo con tres niveles de carga. La relajación es de 1 hora. Se realizan 3 ciclos de acondicionamiento previos a cada relajación.

2.6. Ensayo mecánico Para la sujeción de las probetas, la máquina utiliza un sistema de mordazas que podrá ser complementado con adhesivo de cianocrilato para mejorar el contacto en caso de ser necesario.

A modo de ejemplo, un protocolo de relajación en 3 niveles de deformación, se muestra en la figura 4. Antes de cada relajación, se somete a la probeta a 3 ciclos triangulares de acondicionamiento carga-descarga. Luego, se mantiene la deformación en forma constante (deteniendo el motor) y se mide durante 1 hora la fuerza. Esta fuerza de relajación es la que realiza la probeta para retornar a su tamaño original. La curva de relajación permite caracterizar la viscoelasticidad del material [5-7, 10, 11].

Los datos adquiridos se observan en la pantalla y se almacenan en formato digital en una memoria extraíble para su post-procesamiento. El sistema también se prueba sin carga para realizar la calibración en vació.

3. Resultados y discusión En la figura 5 se puede observar una reconstrucción 3D en CAD del banco de ensayos propuesto. La fabricación mecánica de los componentes se llevará a cabo por la empresa GIIS (www.giis.com.ar) y la automatización por alumnos de la facultad de ingeniería de la Universidad Favaloro. El banco de ensayos de tracción será luego calibrado y evaluado con probetas extraídas de experiencias con animales [4]. Se adaptarán protocolos de relajación como los mostrados en la figura 4, en base a la experiencia de los ya publicados por nuestro grupo de trabajo utilizando máquinas de la Universidad Politécnica de Madrid [10]. Aquellos ensayos se realizaron con máquinas diseñadas para materiales de construcción y por lo tanto estaban sobredimensionadas para las cargas requeridas en el estudio de tejidos biológicos. Es por eso que en el presente diseño se incorporaron mejoras específicas en este


http://www.giis.com.ar/

sentido. Se mejoró el sistema de mordazas para permitir un reemplazo ágil de la probeta y una sujeción segura. Se incorporó un sistema mecánico especial para montar y desmontar las probetas, en el cual las mordazas pivotean en sus extremos evitando solicitaciones bruscas sobre la celda de carga durante el montaje. Se incorpora una cuba transparente que permite filmar al segmento durante el ensayo y así cuantificar digitalmente (mediante una cámara) el espesor de la probeta mientras se deforma. La cuba además permitirá almacenar líquido a temperatura controlada que mantendrá las condiciones fisiológicas del tejido. Esto permitirá además incorporar en el líquido diferentes drogas y así observar la respuesta mecánica del tejido en estados activos.

Figura 5. Modelo 3D en CAD del banco.

En este sentido, la pared arterial posee músculo liso vascular. Analizar la influencia de la

activación del músculo liso sobre la respuesta mecánica arterial ha sido uno de los objetivos de nuestro grupo de trabajo a lo largo de los últimos años [1, 2, 7].

Todos los materiales elegidos para la construcción del banco están pensados para evitar corrosión y ser limpiados con facilidad. La estructura posee un sistema de patas con amortiguación que asegure un registro de alta precisión sin vibraciones.

Por último, se destaca la participación multidisciplinaria en el diseño y construcción de la máquina. Participan así ingenieros biomédicos, mecánicos y electrónicos, bajo la supervisión de médicos y veterinarios expertos en el ensayo de tejidos biológicos. El banco de tracción permitirá realizar experiencias para diferentes grupos de trabajo dentro de la Universidad Favaloro, así como brindar servicios a terceros. Se podrán estudiar así, no solo tejidos biológicos como arterias, venas, piel o huesos, sino además prótesis o materiales sintetizados. La máquina se integra dentro del proyecto de la creación de un laboratorio de ingeniería de tejidos. Alumnos de la carrera de Ingeniería Biomédica podrán realizar ensayos en el marco de asignaturas como biomecánica o control, modelos y simulación.

4. Conclusiones En este trabajo se resume el diseño de un banco de ensayo de tracción para materiales biológicos. La máquina será íntegramente realizada en el país y sustituirá costosos equipos importados. Además, ofrecerá capacidades especialmente contempladas para el estudio de tejidos biológicos. El sistema está totalmente automatizado con un PLC y se comanda en forma autónoma a través de una pantalla táctil.


Todas las mediciones de deformación y fuerza se registran en forma digital en una memoria extraíble conectada a un puerto USB. Los ensayos serán realizados en contextos científicos y académicos, brindando además la posibilidad de ofrecer servicios a otros laboratorios que requieran ensayos de tracción sobre tejidos biológicos.

Agradecimientos La máquina es financiada por la Universidad Favaloro y los proyectos CONICET PIP 2010-2012 Nº 11220090100734 (Dr. Craiem y Dr. Graf) y PICTO 31355 Préstamo BID 1728 OC/AR (Dr. Barra). Agradecemos especialmente la colaboración del Ing. Diego Lopez y el Ing. Diego Alvarez de la empresa GIIS Ingeniería. Referencias [1] Armentano R, Megnien J L, Simon A et al. 2001 Effects of hypertension on viscoelasticity of

carotid and femoral arteries in humans Hypertension 26 48-54. [2] Armentano R, Barra J G, Santana D B 2006 Smart damping modulation of carotid wall

energetics in human hypertension: effects of angiotensin-converting ensyme inhibition Hypertension 47 384-90.

[3] Armentano R L, Barra J G, Levenson J et al. 1995 Arterial wall mechanics in conscious dogs. Assessment of viscous, inertial, and elastic moduli to characterize aortic wall behavior Circ Res 76 468-78.

[4] Armentano R L, Barra J G, Pessana F M et al. 2007 Smart smooth muscle spring-dampers. Smooth muscle smart filtering helps to more efficiently protect the arterial wall IEEE Eng Med Biol Mag 26 62-70.

[5] Guinea G V, Atienza J M, Rojo F et al. 2010 Factors influencing the mechanical behaviour of healthy human descending thoracic aorta Physiol Meas 31 1553-65.

[6] Claes E, Atienza J M, Guinea G V et al. 2010 Mechanical properties of human coronary arteries Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc 2010 3792-5.

[7] Salvucci F P, Bia D, Armentano R L et al. 2009 Association between mechanics and structure in arteries and veins: theoretical approach to vascular graft confection Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc 2009 4258-61.

[8] Bia D, Zocalo Y, Armentano R et al. 2009 Non-invasive biomechanical evaluation of implanted human cryopreserved arterial homografts: comparison with pre-implanted cryografts and arteries from human donors and recipients Ann Biomed Eng, 37 1273-86.

[9] Bia D, Atienza J M, Salvucci F et al. 2009 Preservation of muscular and elastic artery distensibility after an intercontinental cryoconserved exchange: theoretical advances in arterial homograft generation and utilization Artif Organs 33 662-9.

[10] Craiem D, Rojo F J, Atienza J M et al. 2008 Fractional-order viscoelasticity applied to describe uniaxial stress relaxation of human arteries Phys Med Biol 53 4543-54.

[11] Garcia-Herrera C M, Celentano D J, Cruchaga M A et al. 2011 Mechanical characterisation of the human thoracic descending aorta: experiments and modelling Comput Methods Biomech Biomed Engin 1.


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