CN104535415B - 一种基于真空吸附的生物软组织力学性能测试夹持装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于软物质与实验力学技术领域，涉及一种基于真空吸附的生物软组织力学性能测试夹持装置，包括往真空控制回路、空气缓冲器和试验夹具等。试验夹具由上、下夹头，上、下夹头多孔物质片、上、下夹头盖帽等组成，上、下夹头内有L型孔。利用外界大气压和上、下夹头L型内腔负压间的压差作用，将生物软组织样品吸附在夹头上。往复运动试验机通过夹具向软组织样品施加静、动态载荷，进行力学性能测试。本发明的效果和益处是利用压差作用，将生物软组织样品吸附夹头上，提高动物软组织样品力学性能参数测试的准确性。由于压力可控，该装置适用于验证实验重复性和不同软组织力学性能对比。该装置可控性强、操作便捷、易于生产和推广。

Description

一种基于真空吸附的生物软组织力学性能测试夹持装置及 方法

技术领域

本发明属于软物质与实验力学技术领域，涉及生物软组织粘弹性力学，特别涉及到一种基于真空吸附的生物软组织力学性能测试夹持装置。

背景技术

人体软组织力学性能的获得对撞伤研究及医疗有重要意义，日常生活中车祸、磕碰、跌落等事故都可能对人体组织器官造成创伤，甚至危及生命。为研发有效的防护措施，需要准确地测试人体软组织的力学性能，确定其本构关系，为数值模拟和实验验证提供参考。此外，准确对人体软组织的力学性能进行表征对医疗诊断、机器人自动化手术、制定外科手术方案等均具有重要意义。由于力学性能与人体相似，猪、牛等部分软组织器官常被用来替代相应的人体组织。但生物软组织多属粘弹性材料，相对较软，使用传统夹具难以夹持。目前尚无准确、可靠、统一的夹持方法和标准。目前一种常用的方法是使用主要成分为氰基丙烯酸酯的胶水将生物组织粘结到夹具上，为确保组织样品与夹具间紧密接触，一般测试前需要施加预压力。但生物软组织的体外力学性能测试对测试条件非常敏感。由于氰基丙烯酸酯胶水涂抹层厚度，其在软组织中渗透深度都难以预测和控制，容易造成粘结处局部应力集中，导致实验误差且难以准确计算；此外，每次实验前后都需对夹具进行清洗去除氰基丙烯酸酯(通常需要使用有机溶剂)，过程繁琐、耗时、费力。

发明内容

本发明提供了一种基于真空吸附的生物软组织力学性能测试夹持装置，该装置利用外界大气压和上、下夹头内腔负压间的压差作用，将生物软组织样品吸附到夹头上，准确测试样品力学性能，减少了由于氰基丙烯酸酯胶连引起的应力集中问题，方便快捷易操作。

本发明的基于真空吸附的生物软组织力学性能测试夹持装置由真空控制回路、空气缓冲器和试验夹具组成：

真空控制回路用来监测真空度，包括压力传感器、真空控制仪、电动开关阀等，当真空度低于某一真空度(此值为可以产生足够压差的真空度)时，反馈信号给电动开关阀，停止抽真空，当真空度高于某一真空度(此值为可以产生足够压差的真空度)时，反馈信号至电动开关阀，重新开启电动开关阀，继续抽真空，直到真空度再次低于某一真空度(此值为可以产生足够压差的真空度)时，如此反复，以维持始终处于合适的压差，保证样品稳固地吸附在夹头上。

空气缓冲器起压力缓冲作用，防止真空泵和泄气阀开关过程中，夹头内腔压力产生剧烈波动，导致样品脱落或受损。

试验夹具由上、下夹头，上、下夹头多孔物质片，上、下夹头盖帽等组成。夹头为有一定强度的轻质铝合金材料，上、下夹头内有L型孔，上、下夹头多孔物质片分别置于L型孔一端，并用上、下夹头盖帽固定。上、下夹头盖帽中心有开孔，样品端头置于孔中，此时，样品表面紧贴上、下夹头多孔物质片，多孔物质片透气，且对软组织样品提供机械支撑，当打开真空泵抽真空时，夹头里的L型孔内腔压力下降，形成负压，使软组织样品表面紧紧吸附在多孔物质片上。多孔物质片需要有合适的孔径和孔隙率，确保样品可被牢固吸附在夹头中，同时不破坏接触处样品。

夹头L型孔内腔的负压可通过真空控制回路进行调控。夹头L型孔内腔需要合适的真空度，过低，难以将样品牢固吸附在夹头上，过高，可能引起软组织破坏。

橡胶软管用于连接元件形成气路，应具适度的强度和硬度，防止测试过程中产生瘪塌或破裂现象。与夹头连接管直接相连部分橡胶软管应有足够的长度，测试中可被牵引固定于往复运动试验机移动横梁，随夹头一起移动，降低测试中由于真空泵振动及夹头连接管对橡胶软管拖拽可能带来的测试误差。

生物软组织静态拉伸测试方法：

步骤一，夹头安装：通过上、下夹头盖帽将上、下夹头多孔物质片固定于上、下夹头。开启往复运动试验机，使用位移控制模式。将上、下夹头分别连接到往复运动试验机的上、下固定端，并使上夹头盖帽中心孔与下夹头盖帽中心孔对齐。

步骤二，软组织样品安装

1)上夹头部分，关闭泄气阀，开启上夹头真空控制仪(设定阈值压力)和真空泵，使用清洁的载玻片将切割的合适尺寸的软组织样品托举到上夹头盖帽开孔的正下方，慢慢抬升载玻片，直至样品与上夹头多孔物质片紧密接触，保持一定时间至上夹头内腔真空度稳定在设定值，样品被吸附住。2)下夹头部分，开启下夹头真空控制仪(设定阈值压力)和下夹头内腔空气截止阀，控制往复运动试验机上端固定装置缓慢下移，直至样品与下夹头开孔紧密接触，保持一定时间至下夹头内腔真空度稳定在设定值，样品下端被吸住。至此完成样品夹持。

步骤三，开动往复运动试验机，使用位移控制模式，进行拉伸测试，使样品产生拉伸变形，直至破坏，记录力-位移曲线。

步骤四，关闭往复运动试验机。

步骤五，关闭总截止阀，关闭真空泵，打开泄气阀，关闭上、下夹头真空控制仪，将夹具卸下，打开上、下夹头盖帽，清除残留样品，清洗上、下夹头盖帽和上、下夹头多孔物质片。

生物软组织动态拉伸测试方法：

步骤一、二、四、五与静态拉伸测试方法相同。步骤三，开动往复运动试验机，设置周期性位移曲线，使下夹头按设定的周期性曲线往复运动，记录样品力响应曲线。位移曲线类型可为正弦波、方波、三角波等。周期性位移应有合适幅值，幅值太大会破坏样品，幅值太小不能很好反映样品的粘弹性。

本发明利用外界大气压和上、下夹头腔内负压间的压差作用，将生物软组织样品吸附到上、下夹头上，减少了由于氰基丙烯酸酯胶连引起的应力集中问题，提高生物软组织样品力学性能参数测试的准确性。由于可以根据软组织样品的力学性能而调节吸附压，该夹持装置适用范围广，可用于多种生物软组织力学性能测试。由于可以统一吸附压，可以评估系列测试的可重复性，对不同器官、不同位置软组织的力学性也可进行横向对比。本发明装置可控性强、操作便捷，可用于粘弹性生物软组织静态和动态力学性能测试。本发明夹持装置成本低廉，便于生产和推广。

附图说明

图1是试样夹具刨面图。

图2是基于真空吸附的生物软组织力学性能测试夹持装置示意图。

图中：1上夹头；2上夹头连接管；3上夹头L型孔；4上夹头盖帽；

5上夹头多孔物质片；6上夹头盖帽中心孔；7样品；

8下夹头盖帽中心孔；9下夹头多孔物质片；10下夹头盖帽；

11下夹头L型孔；12下夹头连接管；13下夹头；14泄气阀；

15上夹头压力传感器；16上夹头真空控制仪；17上夹头电动开关阀；

18上夹头空气缓冲器；19总截止阀；20真空泵；

21下夹头内腔空气截止阀；22下夹头空气缓冲器；23下夹头电动开关阀；

24下夹头真空控制仪；25下夹头压力传感器；26橡胶软管。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

基于真空吸附的生物软组织力学性能测试夹持装置包括泄气阀14、上夹头压力传感器15、上夹头真空控制仪16、上夹头电动开关阀17、上夹头空气缓冲器18、总截止阀19、真空泵20、下夹头内腔空气截止阀21、下夹头空气缓冲器22、下夹头电动开关阀23、下夹头真空控制仪24、下夹头压力传感器25、橡胶软管26和试验夹具组成。

试验夹具由上夹头1、下夹头13、上夹头多孔物质片5、下夹头多孔物质片9、上夹头盖帽4和下夹头盖帽10组成。

夹头和盖帽为有一定强度的轻质铝合金材料，上夹头1和下夹头13用于与往复运动试验机的固定装置相连接，上夹头1内有L型孔3，下夹头13内有L型孔11。使用上夹头盖帽4将上夹头多孔物质片5固定上夹头1，使用下夹头盖帽10将下夹头多孔物质片9固定于下夹头13。上夹头盖帽4和下夹头盖帽10中心位置分别开孔6和8，将样品端置于开孔中，此时，样品端紧贴于多孔物质片5和9，多孔物质片5和9透气，且对软组织样品提供机械支撑，当打开真空泵20抽真空时，上、下夹头的内腔压力下降，形成负压，使软组织样品表面紧密吸附在多孔物质片5和9上。

实施例1

生物软组织静态拉伸测试：

步骤一，夹头安装：使用上夹头盖帽4将上夹头多孔物质片5(孔径：0.01～0.8mm，孔隙率：10～60％)固定于上夹头1。开启往复运动试验机，使用位移控制模式。将上夹头1连接到往复运动试验机的上固定端。使用下夹头盖帽10将下夹头多孔物质片9固定于下夹头13上，将下夹头13连接于往复运动试验机下固定端，并使上夹头盖帽中心孔6与下夹头盖帽中心孔8对齐。

步骤二，软组织样品安装：1)上夹头部分，将上夹头连接管2与橡胶软管26连接，关闭下夹头内腔空气截止阀21和泄气阀14，开启总截止阀19，开启上夹头真空控制仪16和真空泵20，使用清洁的载玻片将切割的合适尺寸的软组织样品7托举到上夹头盖帽中心孔6正下方，慢慢抬升载玻片，直至样品7与上夹头多孔物质片5紧密接触，保持一定时间至上夹头内腔真空度稳定在设定值(-0.001～-0.1MPa)，样品7上端被吸附住。2)下夹头部分，将下夹头连接管12与橡胶软管26连接，开启下夹头内腔空气截止阀21，开启下夹头真空控制仪24，控制往复运动试验机上端固定装置缓慢向下移动，直至样品7与下夹头盖帽中心孔8紧密接触，保持一定时间至下夹头内腔真空度稳定在设定值(-0.001～-0.1MPa)，样品7下端被吸附。至此完成样品夹持。

步骤三，开动往复运动试验机，使用位移控制模式，进行拉伸测试，使样品7产生拉伸变形，直至破坏，记录力-位移曲线。

步骤四，关闭往复运动试验机。

步骤五，关闭总截止阀19，关闭真空泵20，打开泄气阀14，关闭上、下真空控制仪16和24，卸下夹具，打开上、下夹头盖帽4和10，清除残留样品，清洗上、下夹头盖帽4和10，上、下夹头多孔物质片5和9。

实施例2

生物软组织动态拉伸测试：

步骤一、二、四、五与静态拉伸测试相同。

步骤三，开动往复运动试验机，设置正弦位移曲线(位移幅值设为样品产生20～40％形变时的值，频率0.1～10赫兹)，使下夹头13按设定的正弦曲线往复运动，记录样品力响应曲线。

Claims (7)

1.一种基于真空吸附的生物软组织力学性能测试夹持装置，其特征在于，包括真空控制回路、空气缓冲器和试验夹具；

真空控制回路用来监测真空度，包括压力传感器、真空控制仪、电动开关阀，维持真空度始终处于合适的压差，保证样品稳固地吸附在夹头上；

空气缓冲器起压力缓冲作用，防止真空泵和泄气阀开关过程中，夹头内腔压力产生剧烈波动，导致样品脱落或受损；

试验夹具主要由上夹头、下夹头、上夹头多孔物质片、下夹头多孔物质片、上夹头盖帽和下夹头盖帽组成；夹头为轻质铝合金材料，上、下夹头内有L型孔，上、下夹头多孔物质片分别置于L型孔一端，并用上、下夹头盖帽固定；上、下夹头盖帽中心开有孔，样品端头置于孔中；样品表面紧贴上、下夹头多孔物质片，多孔物质片透气，且对软组织样品提供机械支撑；当打开真空泵抽真空时，夹头里的L型孔内腔压力下降，形成负压，使软组织样品表面紧紧吸附在多孔物质片上；夹头L型孔内腔的负压通过真空控制回路进行调控。

2.根据权利要求1所述的生物软组织力学性能测试夹持装置，其特征在于，多孔物质片的孔径和孔隙率能够确保样品被牢固吸附在夹头中，同时不破坏接触处样品。

3.根据权利要求1或2所述的生物软组织力学性能测试夹持装置，其特征在于，橡胶软管用于连接元件形成气路，具有适度的强度和硬度，防止测试过程中产生瘪塌或破裂现象；与夹头连接管直接相连部分橡胶软管应有足够的长度，被牵引固定于往复运动试验机移动横梁，随夹头一起移动，降低测试中由于真空泵振动及夹头连接管对橡胶软管拖拽带来的测试误差。

4.利用权利要求1或2所述的生物软组织力学性能测试夹持装置的生物软组织静态拉伸测试方法，其特征在于，

步骤一，夹头安装：通过上、下夹头盖帽将上、下夹头多孔物质片固定于 上、下夹头；开启往复运动试验机，使用位移控制模式；将上、下夹头分别连接到往复运动试验机的上、下固定端，并使上夹头盖帽中心孔与下夹头盖帽中心孔对齐；

步骤二，软组织样品安装

1)上夹头部分，关闭泄气阀，开启上夹头真空控制仪并设定阈值压力和真空泵，使用清洁的载玻片将切割的合适尺寸的软组织样品托举到上夹头盖帽开孔的正下方，慢慢抬升载玻片，直至样品与上夹头多孔物质片紧密接触，保持一定时间至上夹头内腔真空度稳定在设定值，样品被吸附住；

2)下夹头部分，开启下夹头真空控制仪和下夹头内腔空气截止阀，控制往复运动试验机上端固定装置缓慢向下移动，直至样品与下夹头开孔紧密接触，保持一定时间至下夹头内腔真空度稳定在设定值，样品下端被吸住；至此完成样品夹持；

步骤三，开动往复运动试验机，使用位移控制模式，进行拉伸测试，使样品产生拉伸变形，直至破坏，记录力-位移曲线；

步骤四，关闭往复运动试验机；

步骤五，关闭总截止阀，关闭真空泵，打开泄气阀，关闭上、下夹头真空控制仪，将夹具卸下，打开上、下夹头盖帽，清除残留样品，清洗上、下夹头盖帽和上、下夹头多孔物质片。

5.利用权利要求3所述的生物软组织力学性能测试夹持装置的生物软组织静态拉伸测试方法，其特征在于，

步骤一，夹头安装：通过上、下夹头盖帽将上、下夹头多孔物质片固定于上、下夹头；开启往复运动试验机，使用位移控制模式；将上、下夹头分别连接到往复运动试验机的上、下固定端，并使上夹头盖帽中心孔与下夹头盖帽中心孔对齐；

步骤二，软组织样品安装

1)上夹头部分，关闭泄气阀，开启上夹头真空控制仪并设定阈值压力和真空泵，使用清洁的载玻片将切割的合适尺寸的软组织样品托举到上夹头盖帽开孔的正下方，慢慢抬升载玻片，直至样品与上夹头多孔物质片紧密接触，保持一定时间至上夹头内腔真空度稳定在设定值，样品被吸附住；

2)下夹头部分，开启下夹头真空控制仪和下夹头内腔空气截止阀，控制往复运动试验机上端固定装置缓慢向下移动，直至样品与下夹头开孔紧密接触，保持一定时间至下夹头内腔真空度稳定在设定值，样品下端被吸住；至此完成样品夹持；

步骤三，开动往复运动试验机，使用位移控制模式，进行拉伸测试，使样品产生拉伸变形，直至破坏，记录力-位移曲线；

步骤四，关闭往复运动试验机；

步骤五，关闭总截止阀，关闭真空泵，打开泄气阀，关闭上、下夹头真空控制仪，将夹具卸下，打开上、下夹头盖帽，清除残留样品，清洗上、下夹头盖帽和上、下夹头多孔物质片。

6.利用权利要求1或2所述的生物软组织力学性能测试夹持装置的生物软组织动态拉伸测试方法，其特征在于，

步骤一，夹头安装：通过上、下夹头盖帽将上、下夹头多孔物质片固定于上、下夹头；开启往复运动试验机，使用位移控制模式；将上、下夹头分别连接到往复运动试验机的上、下固定端，并使上夹头盖帽中心孔与下夹头盖帽中心孔对齐；

步骤二，软组织样品安装

1)上夹头部分，关闭泄气阀，开启上夹头真空控制仪并设定阈值压力和真空泵，使用清洁的载玻片将切割的合适尺寸的软组织样品托举到上夹头盖帽开 孔的正下方，慢慢抬升载玻片，直至样品与上夹头多孔物质片紧密接触，保持一定时间至上夹头内腔真空度稳定在设定值，样品被吸附住；

2)下夹头部分，开启下夹头真空控制仪和下夹头内腔空气截止阀，控制往复运动试验机上端固定装置缓慢向下移动，直至样品与下夹头开孔紧密接触，保持一定时间至下夹头内腔真空度稳定在设定值，样品下端被吸住；至此完成样品夹持；

步骤三，开动往复运动试验机，设置周期性位移曲线，使下夹头按设定的周期性曲线往复运动，记录样品力响应曲线；位移曲线类型为正弦波、方波或三角波；周期性位移有合适幅值，幅值太大会破坏样品；

步骤四，关闭往复运动试验机；

步骤五，关闭总截止阀，关闭真空泵，打开泄气阀，关闭上、下夹头真空控制仪，将夹具卸下，打开上、下夹头盖帽，清除残留样品，清洗上、下夹头盖帽和上、下夹头多孔物质片。

7.利用权利要求3所述的生物软组织力学性能测试夹持装置的生物软组织动态拉伸测试方法，其特征在于，

步骤一，夹头安装：通过上、下夹头盖帽将上、下夹头多孔物质片固定于上、下夹头；开启往复运动试验机，使用位移控制模式；将上、下夹头分别连接到往复运动试验机的上、下固定端，并使上夹头盖帽中心孔与下夹头盖帽中心孔对齐；

步骤二，软组织样品安装

1)上夹头部分，关闭泄气阀，开启上夹头真空控制仪并设定阈值压力和真空泵，使用清洁的载玻片将切割的合适尺寸的软组织样品托举到上夹头盖帽开孔的正下方，慢慢抬升载玻片，直至样品与上夹头多孔物质片紧密接触，保持一定时间至上夹头内腔真空度稳定在设定值，样品被吸附住；

2)下夹头部分，开启下夹头真空控制仪和下夹头内腔空气截止阀，控制往 复运动试验机上端固定装置缓慢向下移动，直至样品与下夹头开孔紧密接触，保持一定时间至下夹头内腔真空度稳定在设定值，样品下端被吸住；至此完成样品夹持；

步骤三，开动往复运动试验机，设置周期性位移曲线，使下夹头按设定的周期性曲线往复运动，记录样品力响应曲线；位移曲线类型为正弦波、方波或三角波；周期性位移有合适幅值，幅值太大会破坏样品；

步骤四，关闭往复运动试验机；

步骤五，关闭总截止阀，关闭真空泵，打开泄气阀，关闭上、下夹头真空控制仪，将夹具卸下，打开上、下夹头盖帽，清除残留样品，清洗上、下夹头盖帽和上、下夹头多孔物质片。