Development of a clamping system and an experimental protocol for the characterization of tendon mechanical properties

Abstract

Tendons consist of soft connective tissues essential to the musculoskeletal system, responsible for transmitting forces produced by the muscles to the skeleton. Additionally, they also help in the dynamic and static balance of the human body [1]. They behave mechanically as springs, storing and recovering mechanical energy [2], [3]. Since they consist of highly requested tissues, injuries are common to occur. These are directly related to high costs for users and health services. Knowledge of the mechanical behavior of these structures can be essential in various applications, such as in the development of repair methods. To study these mechanical properties, it is necessary to perform mechanical tests. However, several technical difficulties are associated with the mechanical characterization of this type of biological tissue, such as their fixation. Therefore, in this work, we aimed to develop an innovative clamping system with a lower cost and that would minimize slipping and damage during its use. These assumptions were considered in the development of the clamping system. This system also incorporated the laser texturing technique. To test this fixation system, it was necessary to develop an experimental methodology. For this purpose, an experimental protocol was also developed that considers all individual parameters (e.g., tissue extraction and conservation, test parameters). This protocol was developed based on the literature review. The clamping system consisted of fixing the tendon between two textured plates, and the clamping performance was tested using different textures (seven textures produced using different parameters). The digital image correlation method and the data extracted from the material testing machine were used to evaluate the displacements, and these were compared to each other. For the application of the DIC method, the commercial software GOM Correlate was used, and different points/facets relevant to the analyses were applied. The closing section of this work presents a critical analysis and discussion of the results and the systematized experimental protocol. For the fixation system, seven different geometries were developed, and then the experimental results of these were discussed. The results show that in the zone without roughness, a higher displacement of the points near the tendon/clamp interface occurs, indicating the occurrence of slippage in this zone. On the other hand, in the textured site, less slippage occurs.

Os tendões consistem em tecidos moles conectivos essenciais para o sistema musculoesquelético, sendo responsáveis pela transmissão das forças produzidas pelos músculos para o esqueleto. Adicionalmente, estes também ajudam no equilíbrio dinâmico e estático do corpo humano [1], sendo que estes se comportam mecanicamente como se fossem molas, armazenando e recuperando energia mecânica [2], [3]. Dado que consistem em tecidos altamente requisitados, é frequente ocorrerem lesões. Estas lesões estão diretamente relacionadas a elevados custos de recuperação e reparação, tanto para os utentes como para os serviços de saúde. Portanto, o conhecimento do comportamento mecânico destas estruturas pode ser bastante importante em diversas aplicações, como, por exemplo, no desenvolvimento de métodos de reparação. Para o conhecimento destas propriedades mecânicas, é necessário proceder ao ensaio mecânico dos mesmos. Porém, existem diversas dificuldades técnicas associadas à caracterização mecânica deste tipo de tecidos biológicos, como, por exemplo, a fixação dos mesmos. Portanto, neste trabalho pretendeu-se desenvolver um sistema de fixação inovador com um custo inferior, e que minimizasse o escorregamento e o dano durante a sua utilização. Estes pressupostos foram tidos em conta na elaboração do sistema de fixação. Este sistema incorporou também a técnica de texturização a laser. Para proceder ao ensaio deste sistema de fixação, foi necessária a elaboração de uma metodologia experimental, sendo que para tal, foi desenvolvido também um protocolo experimental, sendo que este tem em conta todos os parâmetros individuais (e.g., extração e conservação dos tecidos, parâmetros de teste). Este protocolo foi elaborado tendo por base a análise da literatura. O sistema de fixação consistiu na fixação do tendão entre duas placas texturizadas, sendo que foi testada a performance de fixação recorrendo à utilização de diferentes texturas (sete texturas produzidas utilizando diferentes parâmetros). Para a avaliação dos deslocamentos recorreu-se à utilização do método de correlação digital de imagem e aos dados extraídos da máquina de ensaio de materiais, sendo que estes foram comparados entre si. Para a aplicação do método de CDI, recorreu-se à utilização do software comercial GOM Correlate, tendo sido aplicado diferentes pontos/facetas relevantes para as análises. Na parte final deste trabalho é apresentada uma análise e discussão crítica dos resultados e o protocolo experimental sistematizado. Para o sistema de fixação, foram desenvolvidas sete geometrias diferentes e, seguidamente, os resultados experimentais destas são discutidos. Os resultados mostram que, na zona que não possui asperidades, ocorre um deslocamento superior dos pontos junto da interface tendão/amarra, sendo indicação da ocorrência de escorregamento nesta zona. Por outro lado, na zona texturizada, ocorre menos escorregamento.