Pracoviště

Laboratoř mechanických zkoušek

doc. Ing. Radek Sedláček, Ph.D.

Vedoucí:

Pracovníci:

Ing. Jakub Kronek Ph.D., Ing. Adam Kratochvíl , Ing. Kristýna Kubášová

Popis:

Laboratoř mechanických zkoušek (LMZ) je pracoviště na Českém vysokém učení technickém v Praze, Fakultě strojní a je součástí Ústavu mechaniky, biomechaniky a mechatroniky. Laboratoř byla vybudována v rámci grantového projektu MŠMT ČR „Laboratoř biomechaniky člověka“ VS 96045 a výzkumného záměru „Transdisciplinární výzkum v oblasti biomedicínského inženýrství“ CEZ: J98210000012.

Mezi stěžejní prvky vybavení laboratoře patří:

špičkový testovací systém MTS 858.2 Mini Bionix (obr. 1), který je schopen provozovat současně zatěžování osovou silou a momentem síly. U osové síly je rozsah systému 0 až 25 kN, u momentu síly 0 až 100 Nm. Nyní je zcela unikátně vybaven speciálním simulátorem (obr. 2a), který umožňuje zatěžování s 8 stupni volnosti (3 posuvy a 5 rotací). Tento simulátor je zcela ojedinělý v celé Evropě. Svojí konstrukcí je primárně určen k náročnému testování páteře. Úpravou konfigurace je však možno simulátor používat i k jiným experimentům.
vysoce citlivé siloměry od firmy MTS s měřicími rozsahy ±10/100/500/25000 N
extenzometr s pracovními rozsahy ± 0,4/4 mm (obr. 2b), speciální bioextenzometr s rozsahem ±25%, l_o = 5 mm – pro měření délkové roztažnosti (obr. 2c); diametrální extenzometr s pracovním rozsahem ±1 mm pro vzorky o průměru 3,6 až 13 mm – pro měření příčné deformace
stereomikroskop NIKON SMZ 1500 (obr. 2d) umožňující kvalitní prozkoumání povrchů, lomových ploch i struktury testovaných vzorků; digitální fotoaparát NIKON, digitální kamera NIKON DN100, mikrosonda VOLPI (obr. 2e) a vyhodnocovací software LUCIA NET - pro záznam a zpracování obrazu pozorovatelného v mikroskopu
infračervený bezkontaktní teploměr FLUKE 574 s možností záznamu měřených hodnot

Laboratoř mechanických zkoušek je zkušební laboratoř č. 1379 akreditovaná ČIA podle ČSN EN ISO/IEC 17025:2018 (viz. Osvědčení o akreditaci). Pravidelný dozor nad dodržováním akreditačních kritérií prováděný akreditačním orgánem vede k neustálému rozvoji systému řízení kvality, zvyšování jakosti služeb a růstu dovedností personálu. Pozornost je také zaměřena na technický rozvoj vybavenosti laboratoře. LMZ je jedinou laboratoří v České republice, která má akreditovány zkušební postupy pro mechanické testování a hodnocení keramických materiálů používaných pro výrobu chirurgických implantátů.

LMZ má 14 akreditovaných zkušebních postupů:

Stanovení pevnosti v ohybu
ZP 01 – Stanovení pevnosti v ohybu dlah – Zkouška je prováděna podle článku 7.2.1 normy ASTM F382 Standard Specification and Test Method for Metallic Bone Plates, čl. 7.2.1 a ISO 9585(E) Implants for surgery – Determination of bending strength and stiffness of bone plates. Předmětem zkoušky jsou kostní dlahy.
ZP 02 – Stanovení pevnosti v ohybu keramiky – Zkouška je prováděna podle normy ČSN EN 843-1 Speciální technická keramika – Monolitická keramika – Mechanické vlastnosti při pokojové teplotě – Část 1: Stanovení pevnosti v ohybu.
ZP 03 – Stanovení pevnosti v ohybu keramiky – Zkouška je prováděna podle norem ČSN EN ISO 13356 Chirurgické implantáty – Keramické materiály na bázi yttria stabilizovaného tetragonálním zirkoniem (Y-TZP), čl. 4.6; ISO 6474-1 Implants for surgery – Ceramic materials based on high purity alumina, čl. 6.4.3; ISO 14704; ČSN EN ISO 6872, čl. 7.3.1; ASTM C1161 Standard Test Method for Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature.

Stanovení pevnosti při biaxiálním ohybu
ZP 04 – Stanovení pevnosti při biaxiálním ohybu keramiky – Zkouška je prováděna podle norem ČSN EN ISO 13356 Chirurgické implantáty – Keramické materiály na bázi yttria stabilizovaného tetragonálním zirkoniem (Y-TZP), čl. 4.5; ISO 6474-1 Implants for surgery – Ceramic materials based on high purity alumina, čl. 6.4.2; ASTM C1499 Standard Test Method for Monotonic Equibiaxial Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature.

Únavová zkouška v ohybu
ZP 05 – Únavová zkouška v ohybu keramiky – Zkouška je prováděna podle norem ČSN EN ISO 13356 Chirurgické implantáty – Keramické materiály na bázi yttria stabilizovaného tetragonálním zirkoniem (Y-TZP), čl. 4.10; ISO 6474-1 Implants for surgery – Ceramic materials based on high purity alumina, čl. 6.9; ISO 22214 Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) — Test method for cyclic bending fatigue of monolithic ceramics at room temperature
ZP 06 – Únavová zkouška dentálních implantátů – Zkouška je prováděna podle normy ČSN EN ISO 14801 Stomatologie - Implantáty - Dynamická únavová zkouška nitrokostních dentálních implantátů.
ZP 07 – Statická a únavová zkouška předloketní berle – Zkouška je prováděna podle ČSN EN ISO 11334-1 Pomůcky pro chůzi ovládané jednou rukou – Požadavky a zkušební metody – Část 1: Předloketní berle, čl. 5.6 a 5.7.
ZP 08 – Únavová zkouška v ohybu dlah – Zkouška je prováděna podle ASTM F382 Standard Specification and Test Method for Metallic Bone Plates, čl. 7.2.2. Předmětem zkoušky jsou kostní dlahy.
ZP 09 – Únavová zkouška v ohybu hřebů – Zkouška je prováděna podle ASTM F1264 Standard Specification and Test Methods for Intramedullary Fixation Devices, čl. 6.3.1, 6.4.1 a 6.5.1. Předmětem zkoušky jsou kostní hřeby.

ZP 10 – Únavová zkouška v ohybu femorálních dříků – Zkouška je prováděna podle normy ISO 7206-4 Implants for surgery — Partial and total hip joint prostheses — Part 4: Determination of endurance properties and performance of stemmed femoral components. Předmětem zkoušky je femorální dřík.
ZP 11 – Únavová zkouška v ohybu femorálních krčků – Zkouška je prováděna podle normy ISO 7206-6 Implants for surgery — Partial and total hip joint prostheses — Part 6: Endurance properties testing and performance requirements of neck region of stemmed femoral components. Předmětem zkoušky je femorální krček.
ZP 12 – Únavová zkouška v ohybu tibiálních plat – Zkouška je prováděna podle norem ČSN EN ISO 21536 Neaktivní chirurgické implantáty – Implantáty pro náhradu kloubů – Specifické požadavky na implantáty pro náhradu kolenních kloubů (čl. 7.2.1), SO 14879-1 Implants for surgery — Wear of total knee-joint prostheses — Part 1: Loading and displacement parameters for wear-testing machines with load control and corresponding environmental conditions for test, ASTM F2083 Standard Specification for Knee Replacement Prosthesis (čl. 6.3.1), ASTM F1800 Standard Practice for Cyclic Fatigue Testing of Metal Tibial Tray Components of Total Knee Joint Replacements. Předmětem zkoušky je tibiální plato.

Statická zkouška

ZP 13 – Statická zkouška femorálních hlavic – Zkouška je prováděna podle normy ISO 7206-10 Implants for surgery — Partial and total hip-joint prostheses — Part 10: Determination of resistance to static load of modular femoral heads. Předmem zkoušky je femorální hlavice.

Otěrová zkouška
ZP 14 – Otěrová zkouška kolenních náhrad – Zkouška je prováděna podle norem ČSN EN ISO 21536 Neaktivní chirurgické implantáty – Implantáty pro náhradu kloubů – Specifické požadavky na implantáty pro náhradu kolenních kloubů (čl. 7.2.2), ISO 14243-2 Implants for surgery — Wear of total knee-joint prostheses — Part 2: Methods of measurement, ISO 14243-3 Implants for surgery — Wear of total knee-joint prostheses — Part 3: Loading and displacement parameters for wear-testing machines with displacement control and corresponding environmental conditions for test. Předmětem zkoušky je kolenní náhrada.

Dle většiny výše uvedených zkušebních postupů byla v LMZ testována keramika speciálně navržená pro výrobu nového typu kolenní náhrady s biokeramickou femorální komponentou (obr. 3), jejíž vývoj probíhal v Laboratoři biomechaniky člověka (LBČ) ve spolupráci s firmou Walter, a.s., Saint-Gobain Advanced Ceramics Turnov, s.r.o. a 1. LF UK v Praze. Jako první na světě má tato biokeramická komponenta kolenního kloubu dokončeny klinické zkoušky. LBČ získala za tento návrh cenu Inovace roku 1999, kterou jí udělila Asociace inovačního podnikání ČR.

V rámci zkoušek mimo rozsah akreditace se v laboratoři provádí testování biomateriálů a implantátů, např. C-C kompozitní materiály, dentální materiály, UHMWPE (zkoušky otěru, obr. 4a), meziobratlové rozpěrky (obr. 4b), kyčelní a kolenní náhrady, mitrální náhrady (obr. 4c). Další skupinou zkoušek je testování biologických materiálů a stanovování jejich mechanických vlastností, např. tahové zkoušky oční rohovky nebo tepenné stěny, ohybové zkoušky osteoporotických krysích femurů (obr. 5a, b), mechanické testování páteřních segmentů (obr. 5c), tlakové zkoušky chrupavky atd. Samostatnou skupinou je provádění kalibrací nově vyvíjených přístrojů a přípravků, sloužících například k snímání silových účinků nebo hodnocení vlastností materiálů. Dále pak je prováděno testování klasických kovových materiálů při statickém i dynamickém zatěžování.

LMZ se neustále modernizuje a rozšiřuje novým zařízením a měřidly, které zvyšují její uplatnění nejenom při spolupráci s ostatními institucemi ve výzkumné činnosti, ale i v komerční sféře. V budoucnu lze využít příležitosti akreditovat ještě další zkušební postupy, které by rozšířily nabízené služby LMZ na českém i evropském trhu.

Spolupráce:

1. LF UK + FN Na Bulovce; III. Interní klinika VFN; VÚS VFN, Medin, a.s.; Medin Orthopaedics, a.s.; Beznoska, s.r.o.; LASAK, s.r.o.; ProSpon, spol. s.r.o.; Erilens, s.r.o.;