4 Biyomalzemenin Mekanik ve Fizikokimyasal Özellikleri ...blog.aku.edu.tr/evcin/files/2016/10/ozellik.pdf · Yüzey Özellikleri 6 Elastik Modül Elastic Modul Mekanik Davranış;
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
1
Biyomalzemenin Mekanik ve Fizikokimyasal
Özellikleri
F(t)F(t)
F(t)
Parametreler· Malzeme Çeşidi· Statik/ Dinamik Gerilmeler· Cihazın hedeflenen ömrü· Diğer cihaz bileşenleri ileetkileşimleri
Malzeme deformasyonunun mekanizması· Korozyon· Çözünme, erime,bozulma· Kimyasal değişim· Şişme· Erimek, süzdürmek,· Aşınma
Bu Etkilere Karşı Malzeme özellikleri· Mukavemet· Kırılma tokluğu· Sertlik rijitlik,(Elastikiyet modülü)· Yüzey pürüzlülüğü· Aşınma direnci
Fizyolojik Ortamın Malzemelere/Cihazlara Etkileri
Mekanik Testler ve Standartları Biyomedikal cihaz ve aletlerin
kullanıldıkları yerlerde gerekliperformansı göstermeleri için değişikgeometriler, malzemeler ve imalatyöntemleri kullanılarak geliştirmekgereklidir.
Bunu gerçekleştirmek için klinikuygulamalardan önce bu cihaz vealetlere çeşitli testler ve analizleruygulanmalıdır.
Test Yöntemleri olarak; İngiliz(BSI), Avrupa(EN), Uluslararası(ISO) ve
Amerikan(ASTM) standartlarındaki yöntemler,daha önceden yayınlanmış test yöntemleri vefiksatör özelliklerine göre oluşturulacak testyöntemleri kullanılır.
Kullanılacak herhangi bir implantın başarılıolacağı mutlaka daha önceden testlerlegörülmüş olmalıdır. Bu nedenle klinikuygulamalardan evvel test neticeleri analizedilmeli ve kullanım şartlarına göre simülasyonyapılmalıdır.
Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
Elastisite ModülüAkma MukavemetiKırılma MukavemetiYorulmaToklukTermal ÖzelliklerYüzey Özellikleri 6
Elastik ModülElastic Modul Mekanik Davranış; Bir malzemenin uygulanan
kuvvete karşı gösterdiği tepkidir. Bu mekanikdavranış, değişik tür zorlamalar (stress) sonucuoluşan gerilme ve şekil değişiklikleri ölçülereksaptanır. Cisimler, artan dış etkiler sonucu önceşekil değiştirir. Sonra, dayanımını yitirerek kırılır.
Düşük gerilmeler altında, şekil değiştirmeler elastikyani tersinirdir. Gerilme elastik sınırı aşarsa, kalıcı,geri dönüşsüz yani plastik şekil değiştirme olur.
Elastik şekil değiştirmeye karşı direnç (yani sertlik)malzemenin elastitisite modülü olarak belirlenir
7
Thomas Young malzemelerin elastik olarak nasıl deforme olduklarının teorisinin geliştirilmesine katkıda bulundu.
Özel olarak, önemli bir malzeme sabitini, “Young Modülü”veya “Elastisite Katsayısı” nı tanımladı.
Thomas Young, 1810
Bir numune sabit bir hızda çekilir.
Numune
Uzama ölçer
Numune boyutlarının değişimi süresince gerekli çekme kuvveti ölçülür.
Çekme testi elastisite katsayısını ve diğer malzeme özelliklerini belirlemek için çok önemli bir deneysel tekniktir.
8
Çeşitli tip ve ebatlardaki test makineleri…
…ve çeşitli numune boyutları.
Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
Çeşitli geometrilerde malzeme numuneleri kullanılır…
…ve boyutlardaki değişiklikleri doğru bir şekilde ölçmek için çeşitli teknikler kullanılır.
Çekme testi, metaller, plastikler ve kemik dahil bir çok farklı tip malzemeye uygulanır.
10
Young malzemelerin yük-uzama davranışını gerilme-birim uzama verisine dönüştürerek inceledi.
İç Normal KuvvetOrijinal Kesit Alanı
Uzunluk DeğişimiOrijinal Uzunluk
P P
L0 u
(Pa)0A
P
(Boyutsuz)0L
u
A0
Gerilme ve gerinim (zorlanma) şöyle hesaplanır:
Bunlar uygulamada genellikle kullanılan ölçülerdir. Ancak, gerçek gerilme ve gerçek gerinim numunenin o anki enine kesit alanı ve uzunluğu alınarak bulunur.
AP
Lu
11
Aşağıdaki çizim tahribatlı test edilen çelik bir numune için hem mühendislik gerilmesininhem gerçek gerilmeningerinimle değişimini göstermektedir.
Geri alınabilen deformasyon
Not: Elastik bölgede mühendislik ve gerçek değerler arasındaki fark çok küçüktür.
kırılma gerilmesi
gerçek kopma gerilmesi
nihai gerilme
orantı sınırı
elastik sınır
akma gerilmesi
elastik bölge
akma birim uzama pekleşmesi
boyun verme
plastik davranışelastik davranış
Kalıcı deformasyon
n
k
k
Aos
Ger
ilme
Gerinim
12
Tek eksenli yükleme için :
E
Eveya
Young belirli bir malzeme için s - e elastik bölgedeki eğiminin geometriden bağımsız olarak sabit olduğunu görmüştür.
Böylece elastisite modülüveya Young modülü diye bilinen önemli bir malzeme parametresini tanımlamıştır.
Birim:Pa
Elastisite ModülüE GPa
Yumuşak Çelik
210
Alüminyum
70
Beton
18.5
Ahşap
12.5
Naylon
2.8
Lastik
0.004
Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
Akma Mukavemeti (Dayanımı)Yield Strenght Malzemede geri dönülemeyen deformasyon için gerekli
olan gerilme.
Düşük gerilmelerdeki deformasyon lineer olabilir (Meselabasit katılarda veya birçok polimerde)
Elastiklik sınırından sonra malzemenin ani olarakuzamaya başladığı tanımlanmış bir miktarda kalıcıdeformasyon sağlayan mukavemet değeridir.
18
Çekme gerilmesi etkisi altındaki metal ve plastiklerin davranışı
Malzeme ne kadar rijitseelastisite modülü E, o kadaryüksektir ve malzemenindeforme olması o kadarzordur. Gerilme altındakimetal ve plastiklerindeformasyon karakteristiklerifarklıdır
19
Kırılma MukavemetiFracture Strength Kırılma bir malzemenin kohesif mukavemeti aşıldığında
olur. Biyolojik ortam çatlak başlamasının detayları ve
malzemelerin mukavemeti üzerinde belirgin etkileresahip olabilir.
Korozyon, çözünme ve süzme gibi kimyasal saldırılarınherhangi bir çeşidi önceden bulunan kusurların boyutunuartırabilir veya yeni kusurlar ortaya çıkarabilir.
20
Kırılma mekaniği, mühendislik yapılarda kullanılanmalzemelerdeki çatlak ve boşluk şeklindeki hatalarınyük taşıma kapasitesine etkisini ve kırılmaylabelirlenen hasarları inceler.Kırılma mekaniği, kırılmayla belirlenen hasarlarıincelemekte iki türlü yaklaşım öngörmektedir.
Bunlardan birincisi GriffithEnerji Dengesi Yaklaşımı (1920), diğeri de Irwin Teoremidir (1956 )
Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
Griffith camın kırılma mukavemetini incelerken, camçubuğun boyu uzadıkça mukavemetinin azaldığınıgörmüştür. Bu durumun, camın yüzey hatalarındanileri geldiği düşünülmüştür, çünkü cam çubuğun boyuuzadıkça yüzey hatalarının bulunma ihtimaliartmaktadır.Griffith gevrek bir malzemede çatlak bulunmasıhalinde, malzemenin kırılmadan dayanabileceğigerilmeyi tayin eden ilk bağıntıyı geliştirmiştir.
22
Irwin Teorisi Irwin ve arkadaşları gevrek kırılmayı ayrı bir görüşle
analiz etmişlerdir. Onlar analizlerinde çatlağın ucucivarındaki gerilme durumunu esas almışlardır.
Çatlak ucu civarındaki gerilmelerin hesaplanmasından,bir gerilme şiddet faktörü “K” parametresigeliştirmişlerdir. Gerilme şiddet faktörü “K” uygulanangerilmenin, çatlağın boyut ve şeklinin ve bir geometrikfaktörün fonksiyonudur.
23
DENEY
(a) Numune çatlağın durması (b) Numune hızlı şekilde çatlağın durması (c) Çatlak kararlı bir şekilde malzemeyi kırar. (d) Numune malzeme tam olarak çatlamadan kırıldı. 24
Yorulma (Fatigue) Bir malzeme sabit veya tekrar eden ve kopma
gerilmesinin altında olan yüklere maruz bırakıldığında birsüre sonra hata verebilir. Bu statik veya dinamik(döngüsel) yorulmadır.
Yorulma kırılmaları implantların mekanik hatalarının enbüyük kaynaklarından birisi olarak gösterilir.
Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
Mekanik zayıflık genellikle kemiğin kırılması şeklindeortaya çıkar. Bir malzeme kırığını oluşturmaya yetecekenerji miktarıyla karakterize edilir. Bu büyüklük toklukolarak adlandırılır.
Gerilme-zorlanma eğrisinin altındaki alan tokluğunhesaplanmasındaki basit yöntemlerden biridir.
Kırılma gerilmesi teorik mukavemetin çok altındadır veöngörülmesi zordur. Bu sebeple seramik ve cammalzemeler doku ile mükemmel uyum göstermelerinerağmen implantlarda sıklıkla kullanılamazlar.
26
27
Termal ÖzelliklerThermal Properties En çok bilinen termal özellikler erime ve donma
sıcaklıklarıdır. Yani faz değişiklikleri çeşitli sıcaklıklardaoluşur. Bu sıcaklıklar bağ enerjilerine bağlı olarakdeğişir.
Mesela bağlanma mukavemeti yükseldikçe erimesıcaklığı da yükselir. Eğer malzeme pek çok element yada değişik moleküllerden oluşmuşsa çeşitli erime vekatılaşma sıcaklıklarına sahip olacaktır.
Bir malzemenin bir gramını katıdan sıvıya çevirmek içingerekli olan termal enerji füzyon ısısı olarak adlandırılır.
28
Termal enerji tarafından saglanan birim uzunluktaki uzunluk degisimi () termal genleşme katsayısı olarak adlandırılır ve yukarıdaki formulle gösterilir
Dilatometre
Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
Diger önemli bir termal özellik isetermal iletkenliktir. Termal iletkenlikbelirli bir sürede ve kalınlıktamalzemenin alanından geçen ısımiktarı olarak tanımlanır. Birimiwatt/m.K dır.
Genelde metallerin termaliletkenliği seramik vepolimerlerden daha yüksektir.Çünkü metallerdeki serbestelektronlar enerji iletkenleri olarakgörev yaparlar.
30
Termal Genleşme Katsayısı
31
CiltTendonElastik kıkırdak Kalp kapakçığı
radyalçevresel
Aortçaprazboylamsal
Kalp Kası
Gerilme MukavemetiDokular En Yüksek Uzama
32
En Yüksek UzamaGerilme MukavemetiElastisite Modulü
Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
e) Kristalinite f) Yeniden yapılmamış yüzey ve yeniden yapılmış yüzey.
Yüzey Özellikleri“Ideal” yüzeyler sadece matematiksel olarak vardır
Biyomalzeme yüzeyinin fiziksel tanımlaması
Biyomalzeme yüzeyleri fiziksel yapı olarak dikkate değer şekilde heterojenite gösterir:
Malzemeye bağlı: Metal vs. Polimer vs. Seramik vs. Jel
Kimya: Polar vs. Apolar, Yük, Reaktivite
Morfoloji: Düzgün, Pürüzlü, Basamaklı, Yayılmış
Düzen: Kirstalin, Amorf, Yarı-Kristalin, Fazlar
Çevre: Hidrasyon, Çözücü kalitesi
Engebeli ile Fazlar
Hidrasyon
Camsı
Polimer Yüzey Dinamiği
Yeterince verilen akışkanlık, polimer yüzeylerini çevreleyen fazla arayüzey serbest enerjilerini minimize etmek için lokal mikro çevresi yeniden düzenlenecektir.
CH3
OH
CH3
OH
CH3 CH3
OH OH
OH OHOH OH
CH3 CH3CH3 CH3
Bulk Bulk
Polar Çözücü Apolar Çözücü / Hava
Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)