Biomaterialen college 2

Question 1

Wat kun je zeggen over de oppervlakte eigenschappen van biomaterialen?

Answer 1

bepalen de interactie met omliggend weefsel op moleculair niveau (reactiviteit).

Question 2

Wat kun je zeggen over de bulk eigenschappen van biomaterialen?

Answer 2

bepalen de functionaliteit van het materiaal op macroschaal (sterkte, elasticiteit etc.)

voorbeeld: buigzaamheid van stent

Question 3

Atomen en moleculen bepalen de mechanische eigenschappen van (bio)materialen. In welke orde van grootte praten we dan en waardoor wordt de sterkte van een materiaal bepaald? (2)

Answer 3

microstructuren in de orde van grootte: 10^-4 - 10^-9 nm.

1. Type binding (elektromagnetisch etc.)
2. Organisatie van moleculen en atomen (denk hierbij aan voorbeeld van touwknopen).

Question 4

Wat zijn intrinsieke eigenschappen?

Answer 4

eigenschappen bepaalt door het type/compositie van het materiaal. Bijvoorbeeld de massa die afhankelijk is van de componenten waaruit het materiaal is opgebouwd.

Question 5

Wat zijn extrinsieke eigenschappen?

Answer 5

Wanneer de oriëntatie of micro/macro structuur van een materiaal de eigenschap bepaalt. Bijvoorbeeld de beweeglijkheid van een materiaal wanneer er kracht/druk op uit geoefend wordt.

Question 6

Op welke manieren kun je de mechanische eigenschappen testen van een materiaal? (3)

Answer 6

1. Trek test (meest voorkomend), tot het kapot gaat (destructieve test)
2. Compressie test, ook destructieve test
3. Schuif test (mate van beweeglijkheid), niet per se destructief

Question 7

Wat volgt uit de trek test?

Answer 7

een stress-strain curve, geeft veel informatie over het type eigenschappen van het materiaal.

op de x-as staat de rek van het materiaal in bijvoorbeeld centimeters en op de y-as staat de spanning in Pascal [N/m^2]

Question 8

Via welke formule wordt de (nominale) spanning uitgedrukt in een stress-strain curve?

Answer 8

σ_n=F/A

Met F de hoeveelheid kracht benodigd voor vervorming en A de dwarsdoorsnede van het materiaal. Hierbij staat de dwarsdoorsnede haaks op de richting van de kracht.

Question 9

Wat is het verschil tussen nominale spanning (berekend via de formule) en de werkelijke spanning?

Answer 9

bij de werkelijke spanning wordt de dwarsdoorsnede A van het materiaal kleiner naarmate de kracht F groter wordt, bij nominale spanning nemen we aan dat A niet veranderd en dus constant blijft.

Question 10

Het resultaat uit belasting van een materiaal is de spanning-rek curve, hoe ziet deze er over het algemeen uit? (

Answer 10

1. Beginfase –> Youngs modulus, verband tussen rek en spanning is hier nog lineair. Elastische gebied van het materiaal. Een hoge youngs module betekent stijf en lage youngs module betekent slap.
2. Vloeigrens/-punt –> Yield strength, materiaal bereikt zijn elastische limiet, overgangspunt naar plastische deformeren. Hierna is de weerstand iets lager dan ervoor resulterend in de yield-drop. Daarna bouwt de weerstand weer op, maar niet lineair. Wanneer de Yield strength laag ligt is er sprake van week materiaal, wanneer die hoog ligt van stug materiaal.
3. Plastisch deformeren, fase vanaf de vloeigrens. Het materiaal vervormt en kan niet meer terug naar zijn oude structuur/start positie (het elastische domein). Weerstand kan ook afnemen na yield drop.

Question 11

Hoe heet het hoogste punt, ongeacht waar, in de stress-strain curve grafiek?

Answer 11

ultimate strength, de maximale treksterkte/maximale weerstand tegen vervorming.

hoe hoger dit punt, hoe sterker het materiaal. hoe lager, hoe zwakker het materiaal.

Question 12

Hoe heet het breekpunt in de stress-strain curve grafiek?

Answer 12

Fracture point. Na het bereiken van het hoogste punt treedt er materiaalvermoeidheid op. De spanning neemt af tot dat het materiaal de rek niet meer aankan en knapt.

hoe eerder het materiaal breekt bij vervorming, hoe brosser het materiaal.

hoe later/meer kracht voordat materiaal breekt bij vervorming, hoe taaier het materiaal.

Question 13

Wat is ductiel materiaal?

Answer 13

materiaal wat je heel ver kunt uitrekken zonder (veel) weerstand, mate waarin materiaal deformatie toelaat.

Question 14

Wat is stug materiaal?

Answer 14

wanneer het veel kracht kost om het materiaal in het elastische domein te vervormen en de vloeigrens te halen.

anta = week materiaal

Question 15

Wat is stijf materiaal?

Answer 15

wanneer het materiaal weinig vervormt onder veel kracht / hellingshoek (begint) stijl

anta = slap materiaal

Question 16

Waarvan is de spanning-rekcurve geheel afhankelijk?

Answer 16

soort materiaal.

Question 17

wat kun je vertellen over elastische deformatie?

Answer 17

Elastische deformatie is een omkeerbaar proces. Wanneer de rek weer afneemt gaat het materiaal terug naar de dimensie wat het voor de belasting had. Het materiaal neemt zijn oorspronkelijke vorm aan. Normaal gesproken is de rek voor materialen vrij klein behalve bij polymeren.

Question 18

wat kun je vertellen over plastisch deformeren?

Answer 18

Plastische deformatie is een niet-omkeerbaar proces. Wanneer de rek wordt teruggebracht zal het materiaal door structuurveranderingen op microschaal niet meer terugkeren in zijn oorspronkelijke vorm. Plastische deformatie vindt dan ook plaats door het breken en herorganiseren van atomische bindingen (vorming nieuwe bindingen). Dit komt met name door beweging/dislocatie.

Question 19

Wat kan er voor komen bij uitrekking van metalen?

Answer 19

deze kunnen op het zwakste punt een “nekje” vormen waarbij het materiaal in de breedte richting opeens ook vervorming laat zien.

Question 20

Wat zijn de verschillende eigenschappen bij plastisch deformeren? (4)

Answer 20

1. Yield strength (vloeigrens)
2. Ductiliteit (mate waarin materiaal deformatie toelaat)
3. Ultimate strength (hoogste punt in curve)
4. Fracture point (hoogste rek voordat volledige breuk optreed)

Question 21

Wat is viscoelasticiteit?

Answer 21

tijdsafhankelijk materiaalgedrag waarbij de spanningsrespons van het materiaal afhangt van zowel de rek als de reksnelheid.

Dit gedrag zien we terug in biologische materialen, polymeren/plastics en metalen bij hoge temperaturen.

Question 22

Wat is het verschil tussen elastische en visco-elastische materialen? (2)

Answer 22

1. Een elastisch materiaal heeft een unieke respons, bij dezelfde rek zal altijd eenzelfde spanning worden gemeten. Een viscoelastisch materiaal heeft oneindig veel materiaalresponses afhankelijk van de reksnelheid.
2. Ook hebben deze materialen een temperatuur afhankelijke respons, hoe warmer de omgeving, hoe makkelijker het materiaal meebeweegt met uitrekkingen en dus hoe minder weerstand het biedt.

Question 23

Hoe uit een viscoelastisch materiaal zich in een stretch-strain grafiek?

Answer 23

hoe snellere de uitrekking, hoe meer weerstand en dus hoe hoger de benodigde kracht.

Question 24

wat is viscoelastische hysterese?

Answer 24

typisch effect van viscoelasticiteit, het gedrag tijdens uitrekking is anders dan wanneer je die uitrekking opheft (andere respons, kost minder kracht om terug te gaan = hysterese).

Bij een viscoelastische vaste stof wordt een deel van de energie opgeslagen als in een soort dempers en veren. De oppervlakte in de hysterese grafiek is een functie van de snelheid van belasting. Wanneer de rek eraf wordt gehaald gaat een deel van de energie weer verloren. Een deel van de energie is echter geabsorbeerd. Bij een herhaaldelijke belasting bouwt de geabsorbeerde energie op en zal het materiaal opwarmen.

Question 25

Beschrijf het mechanische gedrag van de huid?

Answer 25

non-lineair viscoelastisch gedrag, collageen geeft stevigheid/stijfheid. Als gevolg van rek ontstaat er spanning over de vezels. De vezels absorberen de energie echter sneller dan dat ze weer afgeven wanneer de rek wordt weggenomen. Er is sprake van een hysterese.

Vocht in de huid maakt dat de huid zich als demper gaat gedragen, op moment dat je weefsel wil vervormen moet je dit vocht verplaatsen –> tijdsafhankelijk. Terug brengen naar oude vorm weer vocht verplaatsing, ook tijdsafhankelijk. Kost allemaal energie.

Question 26

Welk materiaal laat nog meer viscoelastisch gedrag zien?

Answer 26

haren, eigenlijk alles waar je vocht, collageen en extracellulaire eiwitten combineert.

Question 27

Wat is typisch voor viscoelasticiteit?

Answer 27

kruip, het langzaam uitzakken in de tijd onder een constante last. Materiaal vervormt steeds verder in de tijd.

Maken onderscheid in:

• primaire kruip = vaak niet lineair, snelle respons
• secundaire kruip = dempers in werking, lineair domein
• tertiaire kruip = materiaal begint te falen, zakt helemaal uit door knapping (zo ver vervormd)

Question 28

Wat is relaxatie?

Answer 28

het verschijnsel dat wanneer je een materiaal in uitrekking brengt, dit op een gegeven moment minder kracht kost. Een materiaal wat kruip vertoont, vertoont dus ook relaxatie gedrag. Die twee hangen samen.

Question 29

Wat is hardheid van een materiaal?

Answer 29

zegt iets over de hoeveelheid energie die nodig is voor een bepaalde mate van deformatie. Kun je meten door durometer/indentatie test. Het is een niet-destructieve test om een indruk te krijgen van weerstand tegen vervorming door indrukking.

Hardheid wordt uitgedrukt in vickers (op basis hiervan worden materialen met elkaar vergeleken).

Question 30

Waarom is hardheid niet hetzelfde als taaiheid of stijfheid?

Answer 30

Hardheid zegt iets over de hoeveelheid energie die nodig is voor een bepaalde mate van deformatie. Stijfheid is weerstand tegen een vormverandering bij uitrekking. Taaiheid is de energie die nodig is om tot een breuk te komen.

Question 31

Wat is veerkracht?

Answer 31

een maat voor de elastische energie die opgeslagen ligt in een bepaald volume, ofwel in een op spanning gebracht materiaal. Hoe hoger de oppervlakte onder het elastische domein van de grafiek, hoe hoger de veerkracht.

hoog in nylon.

Question 32

Wat is materiaalvermoeidheid?

Answer 32

Treed op wanneer materiaal constant belast wordt en deze belasting op een gegeven moment niet meer aan kan. Gerelateerd aan kruip, een materiaal wat kruip vertoond en op een gegeven moment faalt, is dus over zijn vermoeidheidsgrens heen.

kan ook materiaal betreffen wat cyclisch belast wordt (constant uitgerekt en terug, na aantal cycli over vermoeidheidsgrens heen en faalt).

belangrijk om rekening mee te houden bij dynamische toepassingen zoals een stent in bloedvaten.

Question 33

Wat is het verschil tussen isotroop en anisotroop materiaal?

Answer 33

Wanneer het gedrag van het materiaal o.a bepaald door mechanische eigenschappen gelijk is in alle richtingen. Wanneer een materiaal anisotroop is (bijna alle biologische weefsels/materialen), zal het verschillende responses laten zien afhankelijk van de belasting richting.

Question 34

Wanneer is een materiaal anisotroop of isotroop?

Answer 34

metalen en keramische materialen hebben een kristalrooster, dit kan betekenen dat het materiaal isotroop of anisotroop is. Dit afhankelijk van de oriëntatie van alle atomen / mate van orde in het kristalrooster.

Wanneer de atomen “perfect” liggen (gelijke afstanden etc.) is het materiaal anisotroop.

Question 35

Wat zijn polykristallijne materialen?

Answer 35

veel metalen en keramieken vallen hieronder, aggregeert kristallen in verschillende oriëntaties. Dit levert gemiddeld gezien isotropisch gedrag op.

Question 36

Wat speelt een grote rol in de mate van kristalliniteit?

Answer 36

de rol van compositie (vervuilingen? monokristal? amorfe structuren? ), compositie bepaalt of materiaal kristallen kan vormen. Metalen en keramieken kunnen doorgaans goed kristallen vormen, polymeren kunnen het ook maar niet 100%, hier zitten altijd wel amorfe domeinen in (semi-kristallijn).

Question 37

Waar is een semi-kristallijn structuur uit opgebouwd? (2)

Answer 37

uit zowel amorfe structuren als kristalstructuren. rekt in verschillende fases uit, eerst de amorfe structuren en daarna bij hogere rek pas de kristalstructuren.

Question 38

Waar wordt de respons door een materiaal nog meer door beïnvoed?

Answer 38

temperatuur, polymeren kunnen rubberachtige en glasachtige fase hebben. Tijdens de glasachtige fase is het materiaal heel stijf en weinig elastisch/vervormbaar.

Bij rubberachtige materialen is er bewegingsruimte rond enkele bindingen. Bij glasachtige materialen is er een beperkte bewegingsruimte door een energie barrière.

de overgang tussen de fasen wordt getypeert door de glas-transitie temperatuur (tg)

Question 39

Materialen kunnen ook thermische, optische en magnetische eigenschappen hebben, wat kun je hier over vertellen?

Answer 39

Denk bijvoorbeeld aan krimp/uitzetten onder een bepaalde temperatuur of denk aan temperatuurgeleiding. . Een voorbeeld van krimp/uitzetting vindt je bijvoorbeeld bij treinrails. Geleiding van temperatuur vindt bijvoorbeeld plaats in amalgaamvullingen voor kiezen (kan als onprettig ervaren worden).

Materialen hebben tot slot ook optische en magnetische eigenschappen. Denk bijvoorbeeld aan kleur, transparantie en brekingsindex. Voorbeelden hiervan vind je terug in het witten/bleken van tanden en een ontworpen lens.