涂层修饰的柔性神经电极力学综合性能评估
发布时间：2021-02-21 08:16
目的对带有涂层修饰的柔性神经电极进行力学综合性能的评估,为电极及涂层参数的优化设计提供依据。方法对接触、植入以及微动阶段建立简化力学模型,以聚酰亚胺为电极材料,PEG为涂层材料,PDMS模具注塑法为涂层涂覆方法,设置40、80、120、160、200μm涂层厚度梯度,对3个因素（临界载荷、最大形变、脑组织最大应变）进行综合对比评估。结果厚度增加会引起临界载荷增大、最大形变减小以及脑组织最大应变减小,同时也会导致脑组织应变区域增大。均衡3个因素考虑,选择200μm作为涂层最佳厚度,在该厚度下,临界载荷为17.9 m N,最大形变为10.1μm,脑组织最大应变为0.011 4。结论涂层厚度对神经电极的力学性能有较大影响,在具体情况下可通过设置多个力学性能因素的影响因子选择最优参数。涂层的最优参数选择可提高电极的性能,对神经电极的临床应用具有重要意义。
【文章来源】：医用生物力学. 2020,35(05)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
电极、涂层参数和模具实物图
脑组织在微动状态下产生大变形，采用超黏弹性本构作为大脑组织材料模型能够更为合理地描述组织力学性质，可以同时考虑组织变形时材料的非线性与时变性，避免采用线弹性材料使得应变计算结果偏低的缺点，得到的仿真结果更加准确。本文采用马亚坤等[18]提出的非线性黏弹性脑组织模型进行微动损伤仿真，以脑组织最大应变作为微动损伤的评价指标。首先，采用1/4建模法建立脑组织-电极模型[见图2(c)]。由于脑组织产生微动损伤的区域通常在电极周围数百微米范围内[19]，为了对敏感区域进行限制，将脑组织模型的边界与电极中心线距离定义为750μm，以将微动产生的所有应变场都包含在内，消除边界效应的影响。由于脑组织与电极的相对微动可以看作随时间变化的位移载荷，故采用瞬态动力学分析对电极-脑组织的微动过程进行仿真。本文采用ANSYS Workbench 15.0瞬态动力学模块(Transient Structural)进行有限元分析。采用Ogden超弹性本构模型和Prony级数定义的黏弹性本构模型来描述脑组织特性。脑组织材料密度为1.042 5 g/cm3，超弹性模型下μ=5 160 Pa，α=6.95，黏弹性模型下G1=0.583 7，τ1=25.71 ms,G2=0.238 7，τ2=25.7 ms[20]。由于采用1/4对称法建立电极-脑组织模型，需要对整体模型设置XY平面和YZ平面的对称约束。在仿真初始状态，电极与脑组织紧密接触，在创建界面接触时，将电极设置为目标面，脑组织设置为接触面。由于电极与脑组织间具有黏附作用，接触类型选择摩擦接触，接触算法采用增广拉格朗日乘子法，并将摩擦系数定义为0.2[21]。由于大脑皮层往下延伸通过脑干连接至脊髓，大脑运动受到限制，故定义边界条件时，应固定脑组织下表面，约束其所有自由度，而将上表面设为自由面。
根据式(1)计算不同涂层厚度下的临界载荷。在其他参数不变的情况下，临界载荷随着厚度的增加而增大，且这种变化趋势为非线性，厚度增加越多，变化趋势更陡[见图3(a)]。临界载荷越大，表明在接触过程中，可以在插入装置端施加更大的力，帮助电极植入而不出现失稳情况。当厚度为200μm，在施加的力超过17.9 m N时，电极才会出现失稳情况。2.2 植入过程分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]神经电极的水凝胶涂层及楔形角对组织损伤的影响[J]. 唐嘉琪,张文光,尹雪乐. 医用生物力学. 2018(04)
[2]基于ANSYS/LS-DYNA的神经电极植入脑组织过程数值仿真[J]. 马亚坤,张文光,杨鹏. 医用生物力学. 2015(06)
[3]神经电极-脑组织界面微动环境力学特性仿真[J]. 吴栋栋,张文光,MERCERON Gilles,罗云. 浙江大学学报(工学版). 2013(02)
本文编号：3044092
【文章来源】：医用生物力学. 2020,35(05)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
电极、涂层参数和模具实物图
脑组织在微动状态下产生大变形，采用超黏弹性本构作为大脑组织材料模型能够更为合理地描述组织力学性质，可以同时考虑组织变形时材料的非线性与时变性，避免采用线弹性材料使得应变计算结果偏低的缺点，得到的仿真结果更加准确。本文采用马亚坤等[18]提出的非线性黏弹性脑组织模型进行微动损伤仿真，以脑组织最大应变作为微动损伤的评价指标。首先，采用1/4建模法建立脑组织-电极模型[见图2(c)]。由于脑组织产生微动损伤的区域通常在电极周围数百微米范围内[19]，为了对敏感区域进行限制，将脑组织模型的边界与电极中心线距离定义为750μm，以将微动产生的所有应变场都包含在内，消除边界效应的影响。由于脑组织与电极的相对微动可以看作随时间变化的位移载荷，故采用瞬态动力学分析对电极-脑组织的微动过程进行仿真。本文采用ANSYS Workbench 15.0瞬态动力学模块(Transient Structural)进行有限元分析。采用Ogden超弹性本构模型和Prony级数定义的黏弹性本构模型来描述脑组织特性。脑组织材料密度为1.042 5 g/cm3，超弹性模型下μ=5 160 Pa，α=6.95，黏弹性模型下G1=0.583 7，τ1=25.71 ms,G2=0.238 7，τ2=25.7 ms[20]。由于采用1/4对称法建立电极-脑组织模型，需要对整体模型设置XY平面和YZ平面的对称约束。在仿真初始状态，电极与脑组织紧密接触，在创建界面接触时，将电极设置为目标面，脑组织设置为接触面。由于电极与脑组织间具有黏附作用，接触类型选择摩擦接触，接触算法采用增广拉格朗日乘子法，并将摩擦系数定义为0.2[21]。由于大脑皮层往下延伸通过脑干连接至脊髓，大脑运动受到限制，故定义边界条件时，应固定脑组织下表面，约束其所有自由度，而将上表面设为自由面。
根据式(1)计算不同涂层厚度下的临界载荷。在其他参数不变的情况下，临界载荷随着厚度的增加而增大，且这种变化趋势为非线性，厚度增加越多，变化趋势更陡[见图3(a)]。临界载荷越大，表明在接触过程中，可以在插入装置端施加更大的力，帮助电极植入而不出现失稳情况。当厚度为200μm，在施加的力超过17.9 m N时，电极才会出现失稳情况。2.2 植入过程分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]神经电极的水凝胶涂层及楔形角对组织损伤的影响[J]. 唐嘉琪,张文光,尹雪乐. 医用生物力学. 2018(04)
[2]基于ANSYS/LS-DYNA的神经电极植入脑组织过程数值仿真[J]. 马亚坤,张文光,杨鹏. 医用生物力学. 2015(06)
[3]神经电极-脑组织界面微动环境力学特性仿真[J]. 吴栋栋,张文光,MERCERON Gilles,罗云. 浙江大学学报(工学版). 2013(02)
本文编号：3044092
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