CN107228722A - 一种生物软组织材料滑动摩擦力的测试装置及方法 - Google Patents

一种生物软组织材料滑动摩擦力的测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物软组织材料滑动摩擦力的测试装置及方法，属于材料性能测试技术领域。该方法通过能量守恒定律将测试得到软组织材料间的滑动摩擦力，特别是针对现阶段难以测试的生物软组织材料，如肌肉，皮肤，软骨及血管等等。该测试技术不仅原理简单，易于操作，而且测试精度高，能有效反映生物材料之间的滑动摩擦特性，在生物材料测试及软组织工程领域具有潜在的应用价值。

Description

一种生物软组织材料滑动摩擦力的测试装置及方法
技术领域
本发明涉及一种生物软组织材料滑动摩擦力的测试装置及方法，属于材料性能测试领域。
背景技术
随着人类社会的发展，人们对身体的健康愈来愈重视，生物软组织材料也显得越来越重要。传统的无生命的医用金属、高分子、生物陶瓷等常规材料已经不能满足医学发展的要求，生物软组织材料面临着新的机遇与挑战。摩擦力作为生物软组织材料性能的一部分，不仅在生物软组织材料的制备中不可或缺，也在应用过程中发挥了关键的作用。但是由于生物软组织材料的不规则性、柔软性、复杂性、非均匀性，导致生物软组织材料的摩擦力很难去直接测量。因此，如何测量一种生物软组织材料的滑动摩擦力，成为了一个难题。因此如何快速简单测试生物软组织材料的滑动摩擦力这一问题摆在了各工程领域的面前。
发明内容
本发明旨在提供一种测试生物软组织材料滑动摩擦力的装置及方法。该方法可作为测试生物软组织材料滑动摩擦力的方法，该测试技术不仅操作简单，而且测试精度高，在生物材料性能测试工程领域具有潜在的应用价值。
本发明提供了一种测试生物软组织材料滑动摩擦力的装置，包括拉伸试验机、红色固定棒、砝码、游标卡尺、定滑轮，所述定滑轮通过支杆固定在地面上，其中第一、第二定滑轮可以上下移动。中间放置生理液池，红色圆柱状固定棒(可由不同的材料组成，如骨或骨的仿生材料，如钛合金)固定在生理液池的中央，试件包裹在红色固定棒上，一端通过拉力线经过定滑轮悬挂砝码，一端通过拉力线经过定滑轮连接到拉伸试验机上，拉力大小和位移的数据通过拉伸试验机的传感器在计算机上显示。
上述装置中，所述红色固定棒可以忽略其变形，其半径为R。拉力线是钢丝，在实验的过程中不会伸长。定滑轮也是刚性光滑的，质量为mp，半径为r。
上述装置中，所述试件为一个薄而宽度相同的生物软组织条带(软骨、跟腱、皮肤、血管及人造生物软组织材料等)试件，质量为ms。
上述装置中，所述的拉伸试验机为Instron 5544，配有5N和50N的力传感器，精度为1 微牛，位移精度为1微米。
本发明提供了一种测试生物软组织材料滑动摩擦力的方法，包括以下步骤：
(1)进行“空载”：将红色固定棒固定在生理液中，将拉力线绕在红色固定棒上，通过调节两端定滑轮的高度使得拉力线与水平方向呈α角度(范围15°～75°)；
(2)在拉伸试验机恒定速度v0拉伸下，经过时间t0后，拉伸试验机连接的计算机显示位移和拉力的曲线F0(x)(如图3)；
(3)测量砝码上升的高度h0；
(4)测量试件的原长a；
(5)进行测试：将红色固定棒固定在生理液中，并将试件包裹在红色固定棒上，通过调节两端滑轮的高度使得拉力线与水平方向呈α角度(范围15°～75°)；
(6)M点设置在红色固定棒与试件接触处的下边缘点；
(7)在拉伸试验机恒定速度v拉伸下，经过时间t后，拉伸试验机连接的计算机显示位移和拉力的曲线F(x)(如图4)，M点运动到M′点；
(8)测量砝码上升的高度h,红色固定棒中心O到M′点的距离l；
(9)测量弹性势能ET：将试件的下端固定在拉伸实验机的底部，上端固定在拉伸试验机的顶部，初始时处于原长状态，在拉伸试验机作用下，使试件伸长至u+s-h(其中s为M点运动到M′点的距离，u为试件在mwg拉力作用下所产生的变形位移)，拉伸试验机连接的计算机显示位移和拉力的曲线F0(x)(如图5)。
(10)将实验所测得数据a、v、t、v0、t0、s、h、h0、 l代入公式计算得滑动摩擦力f：
公式中为拉伸试验机连接的计算机显示F-x图像的面积，分别代表的含义为ET,WF,其中a为试件的原长，s为固定棒与试件相对滑动的距离
进一步地，所述重复n+1次(n为大于0的正整数)。
所述公式推导如下：
根据能量守恒，拉力F做的功为WF，试件的动能和摩擦阻力做的功分别为为Es和Ws，砝码的动能和重力势能分别为Ew和Ww，两个滑轮的转动动能为Ep，试件弹性势能变化量为ET,考虑试件的重力势能变化Ts，有下面的公式成立：
WF＝Es+Ws+Ew+Ww+Ep+ET+Ts (1)
其中弹性势能ET可由拉伸试验机连接的计算机显示图像(如图5)的面积得：
拉力F所做的功WF可由拉伸试验机连接的计算机显示图像(如图4)的面积得：
进一步可写成：
S为试件与固定棒滑动的距离，a为试件的原长，J为两个滑轮的转动惯量，ω1和ω2分别是转动角速度。
实验测试前，可进行一次“空载”，即不上试件，系统运行一次，记录相关数据。这时候有：
拉力F0所做的功可由拉伸试验机连接的计算机显示图像(如图3)的面积得：
那么公式(7)可以写成：
那么由公式(6)，(9)得到：
其中，s可以看成弧长MN和M'N的长度之和：
式中的积分通过Origin软件进行直接计算。
本发明的有益效果：
(1)该测试方法操作简单、精度高、节约成本；
(2)有望推广到其他工程生物软组织材料滑动摩擦力测试，在生物材料测试工程领域具有潜在的应用价值；
(3)能够推动生物材料的发展，使其尽快应用于临床医学，造福于人类健康。
附图说明
图1为发明装置的结构示意图。
图2为图1中红色固定棒放大的部分。
图3为拉伸试验机输出的图像
图4为拉伸试验机输出的图像WF。
图5为拉伸试验机输出的图像ET。
图中1为拉伸试验机，2为红色固定棒，3为第一定滑轮，4为生理液池，5为试件，6为砝码，7为计算机，8为拉力线，9为第二定滑轮，10为支架。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
如图1和2所示，一种生物软组织材料滑动摩擦力的测试装置，包括拉伸试验机1、滑轮、红色固定棒2、砝码6、游标卡尺，以及储存生理液的生理液池4，试件5与红色固定棒2共同浸在生理液中，试件5包裹在红色固定棒2上，试件5一端通过拉力线8绕过第一定滑轮3悬挂砝码6，另一端通过拉力线8绕过第二定滑轮9与拉伸试验机1相连接，拉伸试验机1 上设有传感器；第一定滑轮3和第二定滑轮9固定在支架10上方，支架10高度能调节，使第一定滑轮3和第二定滑轮9的位置发生上下移动，拉伸试验机的传感器与计算机连接，滑轮上升的距离、时间、拉力大小的变化数据通过计算机显示。
上述装置中，所述红色固定棒2为圆柱状结构，水平放置于生理液池的中部，试件固定在红色固定棒的底部，试件与红色固定棒能发生相对滑动。
所述试件5为一个形状规则的生物软组织条带。所述生物软组织条带为软骨、跟腱、皮肤、血管或人造生物软组织材料。
所述红色固定棒2为骨结构或骨的仿生材料钛合金材料。
左右拉力线8与水平方向呈α角度，α的范围为15°～75°，红色固定棒2的半径为R,试件质量为ms，砝码质量为mw，滑轮质量为mp，两个滑轮质量相等，滑轮半径为r。所述的材料试验机1为Instron 5544，配有5N和50N的力传感器，精度为1微牛，位移精度为1微米。
下面通过具体实施例来说明本发明的测试过程：
实施例1：
(1)将由软骨制成的试件包裹在固定棒上，通过调节第一第二定滑轮使得拉力线与水平方向呈45°角。砝码质量为1.00kg，试件质量0.25kg，原长0.30m，定滑轮质量为0.50kg，定滑轮半径为0.02m，固定棒半径为0.02m。并在测试软组织上标记M点(固定棒圆心正下边缘点)，然后启动拉伸试验机，设定速度v＝0.0010m/s，时间为120s，记录砝码上升的高度，测量红色固定棒中心点O到M′点的距离l，空载一次，记录砝码上升的高度h0。重复5次实验，每次实验速度增加0.0005m/s,记录数据如下表中：
表1：实施例1——软骨组织与骨之间摩擦力的测试数据表格
根据Origin软件计算积分面积为：
可得，软骨组织与骨之间的摩擦力为1.48N。
实施例2：
(1)将由皮肤制成的试件包裹在固定棒上，通过调节第一第二定滑轮使得拉力线与水平方向呈60°角。砝码质量为1.00kg，试件质量0.20kg，原长0.40m，定滑轮质量为1.00kg，定滑轮半径为0.03m，固定棒半径为0.03m。并在测试软组织上标记M点(固定棒圆心正下边缘点)，然后启动拉伸试验机，设定速度v＝0.0020m/s，时间为90s，记录砝码上升的高度，测量红色固定棒中心点O到M′点的距离l，空载一次，记录砝码上升的高度h0。重复5次实验，每次实验速度增加0.0004m/s,记录数据如下表中：
表2：实施例2——皮肤组织与骨之间摩擦力的测试数据表格
根据Origin软件计算积分面积为：
可得，皮肤组织与骨之间的摩擦力为2.07N。
实施例3：
(2)将由跟腱制成的试件包裹在固定棒上，通过调节第一第二定滑轮使得拉力线与水平方向呈30°角。砝码质量为0.50kg，试件质量0.25kg，原长0.10m，定滑轮质量为0.50kg，定滑轮半径为0.02m，固定棒半径为0.02m。并在测试软组织上标记M点(固定棒圆心正下边缘点)，然后启动拉伸试验机，设定速度v＝0.0010m/s，时间为200s，记录砝码上升的高度，测量红色固定棒中心点O到M′点的距离l，空载一次，记录砝码上升的高度h0。重复5次实验，每次实验速度增加0.0005m/s,记录数据如下表中：
表1：实施例1——跟腱组织与骨之间摩擦力的测试数据表格
根据Origin软件计算积分面积为：
可得，跟腱组织与骨之间的摩擦力为5.53N。

Claims (9)

1.一种生物软组织材料滑动摩擦力的测试装置，包括拉伸试验机、滑轮、红色固定棒、砝码、游标卡尺，其特征在于：还包括储存生理液的生理液池，试件与红色固定棒共同浸在生理液中，试件包裹在红色固定棒上，试件一端通过拉力线绕过第一定滑轮悬挂砝码，另一端通过拉力线绕过第二定滑轮与拉伸试验机相连接；第一定滑轮和第二定滑轮固定在支架上方，支架高度能调节，使第一定滑轮和第二定滑轮的位置发生上下移动，拉伸试验机的传感器与计算机连接，滑轮上升的距离、时间、拉力大小的变化数据通过计算机显示。
2.根据权利要求1所述的生物软组织材料滑动摩擦力的测试装置，其特征在于：所述红色固定棒为圆柱状结构，水平粘于生理液池的中部，保持固定，试件与红色固定棒能发生相对滑动。
3.根据权利要求1所述的生物软组织材料滑动摩擦力的测试装置，其特征在于：所述试件为生物软组织条带。
4.根据权利要求3所述的生物软组织材料滑动摩擦力的测试装置，其特征在于：所述生物软组织条带为软骨、跟腱、皮肤、血管或人造生物软组织材料。
5.根据权利要求1所述的生物软组织材料滑动摩擦力的测试装置，其特征在于：所述红色固定棒为骨结构或骨的仿生材料钛合金材料制成。
6.根据权利要求1所述的生物软组织材料滑动摩擦力的测试装置，其特征在于：左右拉力线与水平方向呈α角度，α的范围为15°～75°，两个滑轮的质量、半径均相同，分别为mp，r。
7.根据权利要求1所述的生物软组织材料滑动摩擦力的测试装置，其特征在于：所述的材料试验机为Instron 5544，配有5N和50N的力传感器，精度为1微牛，位移精度为1微米。
8.一种生物软组织材料滑动摩擦力的测试方法，采用权利要求1～7任一项所述的生物软组织材料滑动摩擦力的测试装置，其特征在于：包括以下步骤：
(1)进行“空载”：将红色固定棒固定在生理液中，将拉力线包裹在红色固定棒上，通过调节第一、第二定滑轮的高度使得拉力线与水平方向呈α角度；
(2)在拉伸试验机恒定速度v0拉伸下，经过时间t0后，拉伸试验机连接的计算机显示位移和拉力的曲线F0(x)；
(3)测量砝码上升的高度h0；
(4)测量试件的原长a；
(5)进行测试：将红色固定棒固定在生理液中，并将试件包裹在红色固定棒上，通过调节第一第二定滑轮的高度使得拉力线与水平方向呈α角度；
(6)在试件上标记M点，M点设置在红色固定棒与试件接触处的下边缘点；
(7)在拉伸试验机恒定速度v拉伸下，经过时间t后，拉伸试验机连接的计算机显示位移和拉力的曲线F(x)，同时M点运动到M′点；
(8)测量砝码上升的高度h，红色固定棒中心O到M′点的距离l；
(9)测量弹性势能ET：将试件的下端固定在拉伸试验机的底部，上端固定在拉伸试验机的顶部，初始时处于原长状态，在拉伸试验机作用下，使试件伸长u+s-h，其中s为试件与固定棒相对滑动的距离，u为试件在mwg拉力作用下所产生的变形位移，拉伸试验机连接的计算机显示位移-拉力曲线F0(x)；
(10)将实验所测得数据a、v、t、v0、t0、s、h、h0、l代入公式计算得滑动摩擦力f：
<mfenced open = "" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>f</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>s</mi> </mfrac> <mo>{</mo> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>0</mn> <mrow> <mi>v</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msubsup> <mi>F</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>x</mi> <mo>-</mo> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>0</mn> <mrow> <msup> <mi>v</mi> <mn>0</mn> </msup> <msup> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msup> </mrow> </msubsup> <msup> <mi>F</mi> <mn>0</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>x</mi> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msub> <mi>m</mi> <mi>s</mi> </msub> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>s</mi> <mi>t</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msub> <mi>m</mi> <mi>w</mi> </msub> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>h</mi> <mi>t</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msup> <mi>h</mi> <mn>0</mn> </msup> <msup> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msup> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>m</mi> <mi>w</mi> </msub> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>h</mi> <mo>-</mo> <msup> <mi>h</mi> <mn>0</mn> </msup> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msub> <mi>m</mi> <mi>p</mi> </msub> <msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mo>{</mo> <mrow> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mrow> <msup> <mi>v</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>v</mi> <mn>0</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>h</mi> <mi>t</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msup> <mi>h</mi> <mn>0</mn> </msup> <msup> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msup> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </mrow> <mo>}</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mi>u</mi> <mrow> <mi>u</mi> <mo>+</mo> <mi>s</mi> <mo>-</mo> <mi>h</mi> </mrow> </msubsup> <msub> <mi>F</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>x</mi> <mo>-</mo> <mfrac> <msup> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mn>4</mn> <mi>a</mi> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>m</mi> <mi>s</mi> </msub> <mi>g</mi> <mi> </mi> <mi>sin</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>}</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
公式中为拉伸试验机连接的计算机输出F-x图像的面积，分别代表的含义为ET,WF,其中a为试件的原长，s为试件与固定棒相对滑动的距离
(11)重复上述步骤n+1次，求f的平均值
9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于：所述重复n+1次，其中n为大于0的正整数。
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