解剖学的シリコーンレプリカを設計するための一軸圧縮試験とCauchy応力モデリング

Uniaxial compression testing and Cauchy stress modeling to design anatomical silicone replicas.

• Georges Hattab
• Tilman Ahlfeld
• Anna Klimova
• Alexander Koepp
• Michael Schuerer
• Stefanie Speidel

抄録

解剖学的にリアルな臓器のレプリカやファントムは、正確な研究と再現性のある研究を可能にします。人間の腎臓を再現するためには、人間の腎臓の弾性特性を模倣することが重要です。しかし、関連する研究では、材料としてシリコーンのみを使用した腎臓ファントムの設計と開発に取り組んだものはありませんでした。パラフィンやハイドロゲルとは対照的に、シリコーンは保存期間が長く、軟組織のような感触を持ち、粘弾性モジュール性を持つ理想的な材料です。この目的のために、我々は一軸圧縮試験とコーシー応力モデリングを実施しました。結果は、利用可能なメーカーのシリコーンブランドのどれもが現実的な腎臓のファントムを作成するタスクに適していないことを示しています。実際、低ひずみおよび高ひずみで試験したシリコーンの混合物は、それぞれ20kPaおよび500kPaの必要とされるおおよその目標圧縮弾性率の外に落ちています。本研究は、選択された既製のシリコーンの落とし穴を回避し、腎臓器官のリアルなレプリカを設計するために報告された理論と実験のセットアップを再利用することによって、将来の研究のための参考のフレームを提供します。

Anatomically realistic organ replicas or phantoms allow for accurate studies and reproducible research. To recreate a human kidney, mimicry of the elastic properties of the human kidney is crucial. However, none of the related work addressed the design and development of a kidney phantom using only silicone as material. In contrast to paraffin and hydrogel, silicone is an ideal variant for its extended shelf life, soft-tissue-like feeling, and viscoelastic modularity. To this end, we conducted Uniaxial Compression testing and Cauchy stress modeling. Results indicate that none of the available manufacturer silicone brands are suitable for the task of creating a realistic kidney phantom. Indeed, the tested silicone mixtures in low and high strain fall outside the required approximate target compressive moduli of 20 kPa and 500 kPa, respectively. This work provides a frame of reference for future work by avoiding the pitfalls of the selected ready-made silicones and reusing the reported theoretical and experimental setup to design a realistic replica of the kidney organ.