Известия Саратовского университета. Новая серия.

Серия Математика. Механика. Информатика

ISSN 1816-9791 (Print)
ISSN 2541-9005 (Online)


Для цитирования:

Dol A. V., Gulyaeva A. O., Falkovich A. S., Maystrenko D. N., Generalov M. I., Solovyov A. V., Terin D. V., Lemeshkin M. O. Development and approbation of a mobile test bench for mechanical uniaxial compression testing of biological tissues [Доль А. В., Гуляева А. О., Фалькович А. С., Майстренко Д. Н., Генералов М. И., Соловьёв А. В., Терин Д. В., Лемешкин М. О. Разработка и апробация мобильного стенда для механических испытаний на одноосное сжатие биологических тканей] // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия : Математика. Механика. Информатика. 2023. Т. 23, вып. 4. С. 472-481. DOI: 10.18500/1816-9791-2023-23-4-472-481, EDN: IWZXSA


Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
30.11.2023
Полный текст:
(downloads: 386)
Язык публикации: 
английский
Рубрика: 
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
531/534:[57+61]
EDN: 
IWZXSA

Development and approbation of a mobile test bench for mechanical uniaxial compression testing of biological tissues
[Разработка и апробация мобильного стенда для механических испытаний на одноосное сжатие биологических тканей]

Авторы: 
Доль Александр Викторович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Гуляева Алёна Олеговна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Фалькович Александр Савельевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Майстренко Дмитрий Николаевич, Российский научный центр радиологии и хирургических технологий имени академика А. М. Гранова
Генералов Михаил Игоревич, Российский научный центр радиологии и хирургических технологий имени академика А. М. Гранова
Соловьёв Алексей Викторович, Всеволожская клиническая межрайонная больница
Терин Денис Владимирович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Лемешкин Максим Олегович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Разработаны методика и прототип мобильного испытательного стенда для проведения экспериментов на одноосное сжатие образцов биологических тканей. Стенд состоит из высокоточных весов, электронного штангенциркуля с модифицированными захватами и видеокамеры. С помощью стенда проведена серия экспериментов (в общей сложности 120) по определению модуля Юнга атеросклеротических бляшек и сосудистых стенок, удаленных из организма не позднее нескольких часов. Сформирована база данных механических характеристик бляшек и стенок артерий, максимально приближенных к их реальным прочностным свойствам. Кроме того, были построены регрессионные зависимости, связывающие единицы Хаунсфилда и модули Юнга атеросклеротических бляшек. Методика одноосного сжатия верифицирована на универсальной испытательной машине Instron 3342. Также для демонстрации применимости разработанной методики и стенда для одноосного сжатия твердых тканей проведены эксперименты с 14 образцами губчатой кости крупного рогатого скота.

Благодарности: 
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Работа выполнена в рамках государственного задания (проект № FSSR-2023-0009). Работа выполнена при поддержке Благотворительного фонд Владимира Потанина (проект № GSAD-0013/23). Исследование одобрено Этическим комитетом ФГБУ «Российский научный центр радиологии и хирургических технологий им. академика А. М. Гранова» (протокол № 01-03/2023 от 30.03.2023).
Список источников: 
  1. Ivanov D. V., Dol A. V., Kuzyk Yu. I. Biomechanical bases of forecasting occurrence of carotid atherosclerosis. Russian Journal of Biomechanics, 2017, vol. 21, iss. 1, pp. 29–40 (in Russian). https://doi.org/10.15593/RZhBiomeh/2017.1.03, EDN: YMFRLF
  2. Gasser T., Holzapfel G. Modeling plaque fissuring and dissection during balloon angioplasty intervention. Annals of Biomedical Engineering, 2007, vol. 35, pp. 711–723. https://doi.org/10.1007/s10439-007-9258-1
  3. Cunnane E. M., Mulvihill J. J. E., Barrett H. E., Hennessy M. M., Kavanagh E. G., Walsh M. T. Mechanical properties and composition of carotid and femoral atherosclerotic plaques: A comparative study. Journal of Biomechanics, 2016, vol. 49, iss. 15, pp. 3697–3704. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2016.09.036
  4. Holzapfel G. A., Schulze-Bauer C. A. J., Stadler M. Mechanics of angioplasty: Wall, balloon and stent. Proceedings of the ASME 2000 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Mechanics in Biology. Orlando, Florida, USA. November 5–10, 2000. pp. 141–156. https://doi.org/10.1115/IMECE2000-1927
  5. Arrizabalaga J. H., Simmons A. D., Nollert M. U. Fabrication of an economical arduino-based uniaxial tensile tester. Journal of Chemical Education, 2017, vol. 94, iss. 4, pp. 530–533. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.6b00639
  6. Geasa M. M. Development of an Arduino based universal testing apparatus. Archives of Agriculture Sciences Journal, 2021, vol. 4, iss. 3, pp. 121–130. https://doi.org/10.21608/AASJ.2021.226282
  7. Bessonov L. V., Golyadkina A. A., Dmitriev P. O., Dol A. V., Zolotov V. S, Ivanov D. V., Kirillova I. V., Kossovich L. Y., Titova Y. I., Ulyanov V. Y., Kharlamov A. V. Constructing the dependence between the Young’s modulus value and the Hounsfield units of spongy tissue of human femoral heads. Izvestiya of Saratov University. Mathematics. Mechanics. Informatics, 2021, vol. 21, iss. 2, pp. 182–193. https://doi.org/10.18500/1816-9791-2021-21-2-182-193, EDN: SNBJNB
  8. Ramirez J., Isaza J., Mariaka I., Velez J. Analysis of bone demineralization due to the use of exoprosthesis by comparing Young’s Modulus of the femur in unilateral transfemoral amputees. Prosthetics and Orthotics International, 2011, vol. 35, iss. 4, pp. 459–466. https://doi.org/10.1177/0309364611420478
  9. Wintermark M., Jawadi S. S., Rapp J. H, Tihan T., Tong E., Glidden D. V., Abedin S., Schaeffer S., Acevedo-Bolton G., Boudignon B., Orwoll B., Pan X., Saloner D. High-resolution CT imaging of carotid artery atherosclerotic plaques. American Journal of Neuroradiology, 2008, vol. 29, iss. 5, pp. 875–882. https://doi.org/10.3174/ajnr.A0950
  10. Wissing T. B., Van der Heiden K., Serra S. M., Smits A. I. P. M., Bouten C. V. C., Gijsen F. J. H. Tissue-engineered collagenous fibrous cap models to systematically elucidate atherosclerotic plaque rupture. Scientific Reports, 2022, vol. 12, art. 5434. https://doi.org/10.1038/s41598-022-08425-4
  11. Yanev S., Zhelyazkova-Savova M., Chaldakov G. The fibrous cap: A promising target in the pharmacotherapy of atherosclerosis. Biomedical Reviews, 2019, vol. 30, pp. 136–141. https://doi.org/10.14748/bmr.v30.6394
  12. Endo K., Yamada S., Todoh M., Takahata M., Iwasaki N., Tadano S. Structural strength of cancellous specimens from bovine femur under cyclic compression. PeerJ, 2016, vol. 4, art. e1562. https://doi.org/10.7717/peerj.1562
  13. Barrett S. R. H., Sutcliffe M. P. F., Howarth S., Li Z.-Y., Gillard J. H. Experimental measurement of the mechanical properties of carotid atherothrombotic plaque fibrous cap. Journal of Biomechanics, 2009, vol. 42, iss. 11, pp. 1650–1655. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2009.04.025
  14. Tracqui P., Broisat A., Toczek J., Mesnier N., Ohayon J., Riou L. Mapping elasticity moduli of atherosclerotic plaque in situ via atomic force microscopy. Journal of Structural Biology, 2011, vol. 174, iss. 1, pp. 115–123. https://doi.org/10.1016/j.jsb.2011.01.010
  15. Matsumoto T., Sugita S., Yaguchi T. Biomechanics of blood vessels: Structure, mechanics, and adaptation. In: Niinomi M., Narushima T., Nakai M. (eds.) Advances in Metallic Biomaterials. Springer Series in Biomaterials Science and Engineering, vol. 3. Springer, Berlin, Heidelberg, 2015, pp. 71–98. https://doi.org/10.1007/978-3-662-46836-4_4
  16. Kim Y.-H., Kim J.-E., Ito Y., Shih A. M., Brott B., Anayiotos A. Hemodynamic analysis of a compliant femoral artery bifurcation model using a fluid structure interaction framework. Annals of Biomedical Engineering, 2008, vol. 36, pp. 1753–1763. https://doi.org/10.1007/s10439-008-9558-0
  17. Barrett H. E., Van der Heiden K., Farrell E., Gijsen F. J. H., Akyildiz A. C. Calcifications in atherosclerotic plaques and impact on plaque biomechanics. Journal of Biomechanics, 2019, vol. 87, pp. 1–12. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2019.03.005
  18. Vahey J. W., Lewis J. L., Vanderby R. Jr. Elastic moduli, yield stress, and ultimate stress of cancellous bone in the canine proximal femur. Journal of Biomechanics, 1987, vol. 20, iss. 1, pp. 29–33. https://doi.org/10.1016/0021-9290(87)90264-8 
Поступила в редакцию: 
23.08.2023
Принята к публикации: 
28.09.2023
Опубликована: 
30.11.2023