AT520757B1 - Verfahren nach welchem ein gleichzeitiges Einwirken von hydraulisch erzeugten Biegemomenten und Scherkräften auf flächig ausgebildete Materialien durchgeführt werden kann - Google Patents

Abstract

Verfahren, nach welchem durch gleichzeitiges Einwirken von Biege und - Scherkräften auf ein flächenhaft ausgebildetes Untersuchungsmaterial mit elastischen Eigenschaften, Korrosionsvorgänge, oder Beständigkeit von beschichteten Materialen gegen bewegte Flüssigkeiten schneller beurteilt werden können, als wenn vergleichsweise jeweils Biegekräfte oder Scherkräfte allein zur Anwendung gelangen. Biologische Gewebe sind in einem Organismus Verformungsbeanspruchungen und Scherkräften gleichzeitig unterworfen. Unter den Bedingungen des Verfahrens, ist ihr Verhaltens im lebenden Organismus, zutreffender zu beurteilen. Beispielhaft wird das Verfahren anhand einer Untersuchung an einem biologischen Gewebe (14) gezeigt, welches in einen als Basiswanne (1), bezeichneten Behälter auf zwei Probenträger (11a), (11b) gelegt und mit zwei Klemmvorrichtungen (12a), (12b) fixiert wird, wobei die Basiswanne (1), mit einer Badflüssigkeit (16), niveaugleich mit den Probeträgern (11a), (11b), gefüllt ist. Eine an die Basiswanne (1), angebaute, pulsierend arbeitende Kolbenpumpe (3), kann über ein Zuleitungsrohr (13a), mit angeschlossener Düse (13b), die sich unterhalb des biologischen Gewebes (14), befindet, eine Exkursion desselben bewirken. Weiter kann eine mit einer Randdichtung (15), versehene Oberwanne (2), in die Basiswanne (1), eingesetzt werden. Eine an der Oberwanne montierte Umlaufpumpe (4), welche die Badflüssigkeit (16), zu einer Strömungsdüse (18), fördert, bewirkt das die ausströmende Badflüssigkeit (16), Scherkräfte am biologischen Gewebe (14), erzeugt.

Description

VERFAHREN NACH WELCHEM EIN GLEICHZEITIGES EINWIRKEN VON HYDRAULISCH ERZEUGTEN BIEGEMOMENTEN UND SCHERKRÄFTEN AUF FLÄCHIG AUSGEBILDETE MATERIALIEN DURCHGEFÜHRT WERDEN KANN.

[0001] Die Erfindung soll eine Untersuchung der Auswirkung durch ein bewegtes flüssiges Medium, welches sowohl Biegemomente als auch Scherkräfte auf flächig ausgebildeten Materialien, die elastisch und oder flexibel ausgebildet sein können ermöglichen, wobei die Gleichzeitigkeit des Aufbringens von Biegemomenten und Scherkräften von besonderer Aussagekraft ist. Die verfahrensgemäße hydraulische Aufbringung von Biegemomenten erscheint besonders vorteilhaft hinsichtlich der gleichmäßigen Kraftverteilung auf eine Probenfläche. Abhängig von dem Untersuchungsziel, können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, Untersuchungsbedingungen wie, Badtemperatur und Atmosphäre eingestellt, weiter kann der Werkstoff der Testapparatur an die Erfordernisse der Untersuchung angepasst werden. Zu vielen Problemen, die beim Kontakt von Materialoberflächen mit bewegten Flüssigkeiten auftreten, kann durch eine verfahrensgemäße Behandlung des Untersuchungsmaterials bedeutend rascher eine Aussage getroffen werden, da durch eine Biegebeanspruchung des Testkörpers beispielsweise Korrosionsprozesse aktiviert werden können.

[0002] Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Untersuchung der Haftfestigkeit von Beschichtungen gegenüber hydraulischen Scherkräften herangezogen werden, wobei durch eine zusätzliche frequente elastische Verformung des Trägermaterials, die Untersuchungszeit wesentlich verkürzt wird. Mit der Option eine Untersuchung in kontrollierter Atmosphäre durchführen zu können, werden die Einsatzmöglichkeiten des Verfahrens stark erweitert. Beispielsweise kann die Reaktion auf eine dynamische Verformung eines Probematerials, bei welchem eine Seite mit der Badflüssigkeit in Kontakt ist, die andere Seite unter Atmosphäreneinwirkung steht, von Interesse sein. Eine Vielzahl von Vorrichtungen und Methoden mit welchen das Wechselbiegeverhalten von Werk und - Naturstoffen, sowie die Einwirkung von Scherkräften darauf untersucht werden kann, sind technisch realisiert worden und stellen eine wesentliche Möglichkeit zur Beurteilung ihrer Eigenschaften und Verwendbarkeit dar. Die Messung von Schubspannungen war daher dafür eine Voraussetzung. Eine Versuchsanordnung wird in ATM Archiv für technisches Messen V 91129-1 (1943) angegeben. Zur Bestimmung der Haftfestigkeit von Beschichtungen unter Dehnungsbeanspruchung und gleichzeitiger Einwirkung einer Scherspannung ist eine Vorrichtung beschrieben, welche von der Universität Xiangtam veröffentlicht wurde. CN 106769849(A) 31.Mai 2017 (31.05.2017) [0003] Der Stand der Technik wird in DE 20 2011 108231 U1 (RENA GmbH) 15.Dezember 2011 (15.12.2011), sowie US 6,050,138 A (LYNCH et al.)18.April 2000 (18.04.2000) gezeigt.

[0004] Auf dem Gebiet der biologischen Forschung gewinnt im zunehmenden Maße die Scherung durch Fluide auf Gewebe an Interesse, da sich gezeigt hat, dass dadurch wesentliche Parameter des Zellstoffwechsels beeinflusst werden, sowie im Gefäßsystem Veränderung der Gefäßwand und der Blutgerinnung auftreten können. In JOVE Journal of Bioengineering ISSUE 116, 31.Oktober 2016 (31.10.2016) wird ein Scherring-Modell beschrieben, mit welchem periodisch Scherspannung auf Endothelzellen ausgeübt werden kann. In AIP Review of Scientific Instruments ISSUE 77,104301,(2006) 09.Oktober 2006 (09.10.2006) wird ein Bioreaktor beschrieben, mit welchem Dehnbelastung und Scherbelastung auf einen Zell-Monolayer einwirken kann.

[0005] Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gestaltete Versuchsdurchführung kann mit der, im Folgenden beschriebenen Apparatur realisiert werden.

[0006] Zur Untersuchung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine flächenhaft ausgebildete Probe an beiden Enden auf zwei Probeträger, die in einer stabilen Wanne aus inertem Material am Wannenboden montiert sind, angebracht. Diese Wanne wird in weiterer Folge als Basiswanne bezeichnet. In dieser Basiswanne ist eine Kolbenpumpe eingebaut, welche die /7

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Badflüssigkeit vermittels einer unter der Probe befindlichen Düse ansaugen oder ausstoßen kann, wodurch eine Exkursion der Probe senkrecht zur Probenebene bewirkt wird. Weiter ermöglicht eine zweite Wanne, bezeichnet als Oberwanne, die ein Tangentialpropellerrad oder eine hydraulische Strömungsdüse zur Bewegung der Badflüssigkeit auf der Probenoberfläche aufweist, mit der Öffnung nach unten eingesetzt werden, wobei die Oberwanne dicht gegen die Basiswanne abschließen muss. Die Distanz eines Tangentialpropellerrades oder einer Strömungsdüse zur Probe kann durch Stellschrauben verändert werden. Die Oberwanne hat weiter Messeinrichtungen eingebaut, mit welchen die Strömungsgeschwindigkeit des bewegten Mediums, die Amplitude und Frequenz der Auslenkung des Untersuchungsmaterials registriert werden können. Eine optische Einrichtung zur laufenden Beobachtung der Probe, ein Thermofühler, sowie ein Fühler zur Messung des spezifischen Gaspartialdrucks, weiter des pH - Wertes, vervollständigen die Messeinrichtungen. Um eine gewünschte Gasatmosphäre über dem Probematerial oder der Badflüssigkeit herzustellen, sind in der Oberwanne ein Gaseinlass und Gasauslassventil angebracht.

[0007] Abhängig vom zu untersuchenden Probenmaterial und der Fragestellung, sind durch Wahl der Form der Strömungsdüse und vom Druck am Strömungsdüsenaustritt, sowohl eine laminare als auch verwirbelte kontinuierliche oder diskontinuierliche Strömung herzustellen. Eine Pumpe, im Folgenden als Umlaufpumpe bezeichnet, ermöglicht eine kontinuierliche als auch eine pulsierende Flüssigkeitsbewegung. Bei einer Untersuchung von biologischem Probenmaterial, um dessen Reaktion auf Scherstress zu erforschen, ist die Wahlmöglichkeit einer spezifischen Strömungsart von großer Bedeutung. Weiter wird durch die Möglichkeit, das Untersuchungsmaterial gleichzeitig einer wechselnden Biegebeanspruchung durch die unterhalb desselben befindlichen mit der Kolbenpumpe verbundenen Düse zu unterziehen, im Falle der Untersuchung von Gefäßzellen, eine der in vivo auf ein Gefäß einwirkenden Kräfte ähnlichere Situation simuliert.

[0008] Wird eine Untersuchung an einem mechanisch wenig beanspruchbarem Probematerials vorgenommen, kann vorteilshaft dem Probematerial eine flexible Membran unterlegt werden.

[0009] Bei einer Untersuchung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird, wie beschrieben das Probematerial auf den beiden Probeträgern der Basiswanne angebracht. Die Basiswanne wird soweit befüllt, dass die Badflüssigkeit gerade an das Probematerial heranreicht. Sodann wird das Probematerial mit Badflüssigkeit überschichtet und die Oberwanne passend und dicht in die Basiswanne eingesetzt. Die Untersuchung kann gestartet werden indem eine Kolbenpumpe, welche pulsierend hydraulisch mit Biegekräften, sowie eine Umlaufpumpe nach Wahl der Strömungsform für die Aufbringung von Scherkräften auf das Probematerial gewählt ist einwirken, aktiviert werden.

[0010] Alternativ kann mit nur einer Pumpe, welche zur Erzeugung der Scherspannung dient und sich in der Oberwanne befindet, eine Untersuchung durchgeführt werden. Die Basiswanne wird in einer alternativen Ausformung der Erfindung durch Probeträger, welche einen gasgefüllten Raum unter dem Probematerial aussparen in zwei Kompartimente aufgeteilt. Das Probematerial muss dicht gegenüber diesem gasgefüllten Raum auf den Probeträgern befestigt werden. Das in diesem abgeschlossenen Raum befindliche Gasvolumen stellt somit die elastische Gegenkraft zu den, von der Umlaufpumpe erzeugten Druckwellen dar. Nachdem die Basiswanne soweit gefüllt ist, dass das Probematerial ausreichend mit Badflüssigkeit überschichtet ist, wird die Oberwanne dicht in die Basiswanne eingesetzt, mit den Distanzschrauben der Abstand der Strömungsdüse zum Probematerial festgelegt und die Füllung der Oberwanne soweit fortgesetzt, bis Badflüssigkeit im Druckausgleichsrohr erscheint. Diese Ausformung des Verfahrens benötigt geringeren Materialaufwand, ist einfacher durchzuführen, weist aber den Nachteil auf, dass die ausgeübten Scher und - Biegekräfte nicht unabhängig voneinander wirken können. Weiter muss das Probematerial eine ausreichende Festigkeit aufweisen.

[0011] Das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Verfahrens, um Eigenschaften oder Reaktionen auf Verformungsstress sowie Scherstress von biologischen flexiblen Membranen zu untersuchen, wird anhand der beiliegenden Zeichnungen einer Vorrichtung, bei welcher sowohl eine

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Kolbenpumpe an der Basiswanne hydraulisch Biegekräfte, weiter eine Umlaufpumpe an der

Oberwanne, welche hydraulisch Scherkräfte mittels entsprechender Düsen erzeugt, beschrieben.

[0012] Fig.1 [0013] Fig.2 [0014] Fig.3

Ausführungsbeispiel nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zeigt in Schrägansicht eine Basiswanne (1), eine Oberwanne (2), eine Kolbenpumpe (3), sowie eine Umlaufpumpe (4), einen Zufluss (4a), und einen Abfluss (4b), für die Badflüssigkeit (16), weiter eine Messeinrichtung (5), für die Strömungsgeschwindigkeit der Badflüssigkeit, und weiter für die Exkursion des Probematerials (6), der Temperatur (7), der Badflüssigkeit (16), des Gaspartialdrucks (8), des pH - Wertes (17), der Badflüssigkeit (16), weiter ein Rohr für den Druckausgleich (20), ein Anschluss für eine Zuleitung (9a), und eine Ableitung (9b), von Gas weiter ein Anschluss (10), für die Heizung der Badflüssigkeit (16).

zeigt im zentralen Schnitt A - B eine Basiswanne (1), eine Kolbenpumpe (3), eine Badheizung (10), zwei Probenträger (11a), (11b),zwei Klemmvorrichtungen (12a), (12b), für ein Probematerial (14), eine Strömungsdüse (13), mit Zuleitungsrohr (13a), eine Randdichtung zur Oberwanne (15).

ein zentraler Schnitt A - B zeigt eine Oberwanne (2), einen Badflüssigkeitszufluss (4a), weiter eine Messeinrichtung, (6), für die Exkursion des Probematerials (14), weiter für die Temperatur (7), der Badflüssigkeit (16), weiter dem Gaspartialdruck (8), dem pH Wert (17), der Badflüssigkeit (16), weiter einen Gaszufluss (9a), einen Gasabfluss (9b), weiter eine Strömungsdüse (18), weiter Distanzschrauben (19a), (19b).

[0015] Durchführung einer Untersuchung an einem biologischen Probenmaterial mit flächenhafter Ausbildung, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung einer Kolbenpumpe (3), zur Vermittlung von Biegekräften und einer Umlaufpumpe (4), zur Erzeugung von Scherkräften. Die zur Kontrolle der untersuchungsrelevanten Parameter benötigten Einrichtungen, für die Temperatur (7), dem pH-Wert (17), des Gaspartialdruckes (8), der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums (5), der Frequenz und Exkursion des Probematerials (6), sind mit einem Mikroprozessor verbunden, welcher die gewünschten Parameter einstellt, beziehungsweise die Messwerte registriert und zur Auswertung speichert.

[0016] Nachdem eine Basiswanne (1) mit einer Badflüssigkeit (16) niveaugleich zu den Probeträgern (11a), (11b) gefüllt ist, wird ein Probematerial (14), aufgelegt und mit einer Klemmvorrichtung (13a), (13b), dasselbe fixiert. Hierauf wird eine Oberwanne (2), auf welcher alle Messeinrichtungen bestehend aus (7), (17), (8), (5), und (6), weiter einem Badzufluss (4a), einem Gaszufluss (9a), einem Gasabfluss (9b), einem Druckausgleichsrohr (20), weiter einer Strömungsdüse (18), und eine Umlaufpumpe montiert sind, in die Basiswanne (1), eingesenkt und der Abstand der Strömungsdüse (18), vom Probematerial (14), durch Verstellen von vier Distanzschrauben (19a,b,c,d), festgelegt. Eine gewünschte Überschichtungshöhe der Badflüssigkeit (16), über dem Probematerial (14), kann durch den Badzufluss (4a), eingestellt werden. Durch Verstellen des Hubes der Kolbenpumpe (3), kann die Exkursionen des Probematerials (14), weiter durch die Einstellung der Pumpleistung der Umlaufpumpe (4), sowie Wahl der Form der Strömungsdüse (18), können die Strömungsgeschwindigkeit und damit die auftretenden Scherkräfte am Probematerial (14), reguliert werden.

[0017] Außer der Befüllung der Basiswanne (1), mit Badflüssigkeit (16), können alle Parametereinstellungen für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens über einen Prozessor vorgenommen werden.

Claims (2)

1. Verfahren zur Untersuchung von flächig ausgebildeten Materialien, insbesondere flexiblen biologischen Membranen (14) durch gleichzeitiges Einwirken von hydraulisch erzeugten Biegemomenten und Scherkräften, dadurch gekennzeichnet, dass eine Basiswanne (1), die einen Abfluss (4b), eine Heizung (10), eine integrierte Kolbenpumpe (3), mit einem Zuleitungsrohr (13a), zu einer Düse (13b), aufweist, mit einer Badflüssigkeit (16), bis zur Niveaugleiche mit zwei Probeträgern (11a), (11b), welche am Boden der Basiswanne (1), fixiert sind aufgefüllt ist, sodann die biologische Membran (14), auf beide Probeträger (11a), (11b), gelegt wird, welche weiter mit beiden Klemmvorrichtungen (12a), (12b) niedergehalten und hierauf mit einem, für die Durchführung der Untersuchung hinreichendem Volumen an Badflüssigkeit (16), überschichtet wird, und in einem zweiten Schritt das Einsetzen einer, mit einer Randdichtung (15), versehener Oberwanne (2), welche einen Sensoren (7), für die Badtemperatur, einen Sensor (8), für den Gaspartialdruck, einen Sensor für die Strömung (5), der Badflüssigkeit (16), einen Sensor (6), für die Exkursionsmessung der biologischen Membran (14), einen Sensor (17), für den pH- Wert der Badflüssigkeit (16), weiter einen Zufluss (4a), für die Badflüssigkeit (16), ein gesteuertes Ventil (9), für die Regulation des Gasdrucks, ein Druckausgleichsrohr (20), weiter eine angebaute Umlaufpumpe (4), mit angeschlossener Strömungsdüse (18), deren Abstand zur biologischen Membran mit vier Distanzschrauben (19a), (19b), (19c), (19d), eingestellt werden kann, aufweist und sodann nach Aktivierung der beiden Pumpen (3), und (4), ein prozessorgesteuertes Untersuchungsprogramm abläuft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur mit einer, in einer Oberwanne (2), lokalisierten, im pulsierenden Modus arbeitenden Umlaufpumpe (4), und einer Strömungsdüse (18), sowohl Biegemomente, als auch Scherkräfte auf eine biologische Membran (14), ausgeübt werden können, unter der Voraussetzung, dass die biologische Membran (14) dicht auf den Probenträgern (11a), (11b), aufliegt und unter der biologischen Membran (14) ein gasgefüllter Raum besteht, der als elastische Gegenkraft zu den, von der Umlaufpumpe (4), erzeugten Druckwellen dient.