引言

平面双轴试验已被用于研究与方向相关的生物组织和材料的力学性能，它可以探索在两个正交方向上施加在近似方形膜状样品上的力或位移。可使用缝合线、钩子和滑轮的力平衡系统(图1a)或使用CellScale BioRake(图1b)固定样品。缝合线-滑轮系统设计用于模拟施加在试样边缘的均匀分布载荷，而BioRake®用于模拟均匀分布的位移。

当样品主轴(通常平行于纤维方向)与测试轴对齐/垂直时，加载条件很好控制。而试件相对于试验轴的不对准可能导致试件不受控制的剪切变形和力的变化。

方法

选用各向同性的软质硅橡胶作为试验材料。先单轴测试材料条带，以确定橡胶的材料性能。20×2×0.5 mm使用定制夹具进行位移控制单轴测试。选择最大施加位移达到5 N的力。3个加载-卸载循环，并使用ANSYS 16.1对最后一个循环的数据进行分析，以拟合超弹性Ogden模型。

为制造各向异性的样品，将橡胶模压成具有肋状结构的平面膜(图2)。肋的尺寸使用轮廓仪测量。试件被切割成与试验轴平行或呈45°的肋。双轴试验中，平行45°肋的设计以减小剪切应变为目标。

4种实验条件下进行了测试，包括0和45°肋与缝合线-滑轮和BioRake。在所有条件下，运行了一系列9种位移控制方案，以探索试件的各向异性行为。这些方案产生高达20%的应变，X/Y位移比范围为0.17至6.00。各向异性超弹性材料模型按照详细的数值程序拟合实验数据。

在ANSYS中建立了试件的有限元模型，并根据单轴试验确定了体各向同性超弹性材料的性能。模型包括大约100,000个十节点四面体Solid285有限元，适用于几乎不可压缩的超弹性材料的大变形。缝合-滑轮系统的模拟是在安装孔节点上施加分布力的情况下完成的，同时限制标本中心的多个节点在各个方向上的移动。BioRake系统的仿真是通过在安装孔节点上施加位移条件来完成的，此外，防止样品每侧的中间孔在垂直于相应侧的方向上移动。

结果

二阶Ogden模型能很好地拟合单轴实验数据。计算了所有双轴试验应力应变结果。二阶Piola-Kirchhoff膜张力由BioTester测得的力得到，Green应变由样品中心区域纹理表面的数字图像相关(DIC)得到。实验数据用于生成材料模型中的材料常数。

物理双轴试验的有限元模拟得到的应变图与等双轴条件下0和45°结构的DIC数据吻合得很好。此外，还可以将物理试验期间施加的位移和产生的力与数值模拟的相同数据进行比较。在所有实验条件下，数值模拟的平均误差小于10%。

讨论

通过缝合线-滑轮和BioRake固定系统的双轴实验测试确定的材料模型在模拟真实条件下的实验中都是成功的。在双轴力学测试中，与BioRake相比，缝合线-滑轮系统使用起来更加困难和耗时。设置适当的长度以确保未变形标本的最小张力是具有挑战性的。挂钩相对于标本的方向是不稳定的，需要多次调整。另一方面，BioRake的分布更均匀，操作也简单快捷。

结论

在所有测试方案和仪器配置中，实验和模拟之间的误差小于10%，结合其显著的易用性，都强烈表明BioRake优于缝合线-滑轮。