Experimental and numerical investigation on dynamic behavior of soft materials with emphasis on tissue simulant materials

Abstract

Investigation on the dynamic behavior of soft materials from different kinds of resins to soft biological tissue simulants has became drastically important, due to their vast applications in different sections of industry and material science, particularly in biomedical applications. Such materials have been increasingly used recently for specific-designed biomedical purposes in areas like tissue simulant materials (collagen and agarose). One of the crucial aspect of investigation on these strain-rate dependent materials is related to the impact-induced behavior. Each of these materials could illustrates different behavior when imposed to high-rate loading condition. In this thesis, two groups of soft materials are studied through experimental and numerical approaches. The investigation initiates with soft 3D printing resins known as standard and tough resins, and will continue as the main course of research on very soft tissue simulant material, known as agarose gel, with the focus on brain tissue simulant agarose. In both cases, the behavior of materials in impact-induced condition is investigated. Two types of resins, namely a MMA-based resin and an ABS-based tough resin, are subjected to compression tests on a Split Hopkinson pressure bar to deduce their dynamic properties under high strain rate loading. Two Hopkinson bar setups are used, the first one is equipped with aluminum bars and the second one with PMMA bars. From the measured strain waves, dynamic elastic moduli at high strain rates are derived. The majority of this dissertation presents the experimental and numerical investigations on the dynamic behavior of impact-induced cavitation in agarose gels. The drop tower test was used for the experiments, and agarose samples with three different concentrations similar to soft brain tissue were tested. The acceleration causing the bubble cavitation and the correlated bubble sizes were determined. Such quantitative measurements can be utilized to evaluate brain tissue injuries. In parallel, we present nite element simulations of the drop tower experiment. We model the complete test setup to validate the measurements and derive the relevant pressure fields with simplified models. The numerical solutions are shown to be in excellent agreement with the experimental results of bubble cavitation, enabling substantial simplifications in further investigations of soft tissue under dynamic loading. In addition, to track the volume and pressure variation of the acceleration-induced bubbles after impact, the "Fluid-filled cavity" method is applied in the finite element model, which corresponds well to the experimental outcomes. Our study gives insight into the mechanisms of bubble cavitation in soft tissue. Combined with the numerical simulation, it estimates how impact and pressure waves act and, for example, which areas of the head may be affected by cavitation that induces brain injuries.

Die Erforschung des dynamischen Verhaltens weicher Materialien, von verschiedenen Kunstharzen bis hin zu weichen biologischen Gewebeimmitaten, hat aufgrund ihrer umfangreichen Anwendungen in verschiedenen Bereichen der Industrie und der Materialwissenschaft, insbesondere in der Biomedizin, drastisch an Bedeutung gewonnen. Solche Materialien werden in letzter Zeit zunehmend für spezielle biomedizinische Zwecke verwendet, z. B. für Gewebeimmitate (Kollagen und Agarose). Einer der wichtigsten Aspekte bei der Untersuchung dieser dehnratenabhängigen Materialien ist das stoßinduzierte Verhalten. Jedes dieser Materialien kann ein unterschiedliches Verhalten zeigen, wenn es einer hohen Dehnrate ausgesetzt wird. In dieser Arbeit werden zwei Gruppen weicher Materialien durch experimentelle und numerische Ansätze untersucht. Die Untersuchung beginnt mit weichen 3D gedruckten Kunstharzen, die als Standard- und zähe Harze bekannt sind. Im weiteren Verlauf der Forschung wird ein sehr weiches Gewebeimmitat benutzt, das als Agarosegel bekannt ist. In beiden Fällen wird das Verhalten der Materialien bei stoßinduzierten Zuständen untersucht. Zwei Arten von Harzen, ein Harz auf MMA-Basis und ein zähes Harz auf ABS-Basis, werden Druckversuchen auf einer Split-Hopkinson-Bar unterzogen, um ihre dynamischen Eigenschaften unter Belastung mit hoher Dehnsrate zu ermitteln. Es werden zwei verschiedene Hopkinson-Stabaufbauten verwendet, eine mit Aluminiumstäben und eine mit PMMA-Stäben. Aus den gemessenen Dehnungswellen werden die dynamischen elastischen Module bei hohen Dehnungsgeschwindigkeiten abgeleitet. Der Hauptteil dieser Dissertation befasst sich mit den experimentellen und numerischen Untersuchungen zum dynamischen Verhalten der stoßinduzierten Kavitation in Agarosegelen. Ein Fallturmtest wurde mit drei verschiedenen konzentrierten Agaroseproben, die weichem Hirngewebe ähneln, durchgeführt. Es wurden die Beschleunigung, die die Kavitation der Blasen verursacht, und die damit verbundenen Blasengrößen bestimmt. Solche quantitativen Messungen können zur Bewertung von Hirngewebsverletzungen verwendet werden. Parallel dazu werden Finite-Elemente-Simulationen des Fallturmexperiments präsentiert. Der gesamte Versuchsaufbau wird modelliert, um die Messungen zu validieren. Zudem werden die relevanten Druckfelder mit vereinfachten Modellen hergeleitet. Die numerischen Lösungen stimmen hervorragend mit den experimentellen Ergebnissen der Blasenkavitation überein und ermöglichen wesentliche Vereinfachungen bei weiteren Untersuchungen von Weichgewebe unter dynamischer Belastung. Um die Volumen- und Druckschwankungen der beschleunigungsinduzierten Blasen nach dem Aufprall zu verfolgen wird im Finite-Elemente-Modell der so genannte "Fluid-filled cavity" Ansatz verwendet, der gut mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt. Diese Studie gibt Aufschluss über die Mechanismen der Kavitation von Blasen in Weichgewebe. In Verbindung mit numerischen Simulationen können die Wirkung von Aufprall- und Druckwellen erklärt werden. Es lassen sich beispielsweise Bereiche des Kopfes identifizieren die von der Kavitation betroffen sein können, welche Hirnverletzungen hervorruft.