CN108414378B - 生物组织的力学性能的检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物组织的力学性能的检测系统及方法。该生物组织的力学性能的检测系统包括压头组件、探测件和位移传感器。压头组件用于挤压生物组织，压头组件能够移动；探测件能够随压头组件移动，探测件能够在压头组件与生物组织接触的同时与生物组织接触，且探测件还能够在与生物组织接触时停止随压头组件移动，而使压头组件能够单独继续移动以挤压生物组织；位移传感器能够检测压头组件移动的位移，且位移传感器能够在探测件与生物组织接触时开始检测压头组件的实时位移。上述生物组织的力学性能的检测系统的测量结果较为精准。

Description

生物组织的力学性能的检测系统及方法

技术领域

本发明涉及生物技术领域，特别涉及一种生物组织的力学性能的检测系统以及生物组织的力学性能的检测方法。

背景技术

目前针对生物组织器官的力学研究，通常在宏观层面下进行，往往受到各种因素的影响，测量误差很大。如青光眼受眼压增高影响后，眼角膜相对正常眼角膜而言，变形能力更弱，受眼角膜弧度、位置不同影响，其测量结果并不完全相同。而在微纳米尺度下，生物组织力学特性仅与构成组织分子层面的变化相关，直接反映组织的力学变化。

目前测试生物组织微纳米力学特性的手段主要有微纳米压痕技术。微纳米压痕技术主要分为两种：一种为原子力显微镜压痕技术，但由于加载力范围在纳牛级，所测样品硬度范围有限，样品受表面粗糙度限制，探针易受损且操作繁琐；另一种是纳米压痕技术，通常纳米压痕加载力在纳牛～毫牛级，力的分辨率可以低至1纳牛，位移分辨率可以低至0.01纳米；且装置的压头材质常常为金刚石，弹性模量为72Gpa,，是超硬材料，不易损坏，受表面粗糙度影响较小；因此，此类技术即可以精确测量材料的微观力学性能，又具有较大的样品硬度测试范围。然而，纳米压痕技术在处理软材料，如高分子材料或者生物软组织等样品时，由于样品往往很软，不能准确确定初始接触点，导致检测结果的误差较大。

发明内容

基于此，有必要提供一种测量结果较为精准的生物组织的力学性能的检测系统。

此外，还提供一种生物组织的力学性能的检测方法。

一种生物组织的力学性能的检测系统，用于检测生物组织的力学性能，包括：

用于挤压所述生物组织的压头组件，能够移动；

探测件，能够随所述压头组件移动，并且能够在所述压头组件与所述生物组织接触的同时与所述生物组织接触，所述探测件还能够在所述探测件与所述生物组织接触时停止随所述压头组件移动，而使所述压头组件能够单独继续移动以挤压所述生物组织；及

位移传感器，能够检测所述压头组件移动的位移，且所述位移传感器能够在所述探测件与所述生物组织接触时开始检测所述压头组件的实时位移。

由于上述生物组织的力学性能的检测系统的探测件能够随压头组件移动，且探测件能够在压头组件与生物组织接触的同时与生物组织接触，位移传感器能够在探测件与生物组织接触时开始检测压头组件的实时位移，那么，通过探测件能够较为准确地获知压头组件与生物组织接触的时间，而使位移传感器能够较为准确地在压头组件与生物组织初接触时开始检测压头组件的实时位移，使得位移传感器探测到的实时位移更加接近压头组件实际压入生物组织的深度，有利于提高检测数据的精准性；同时，由于探测件还能够在与生物组织接触时停止随压头组件移动，而使压头组件能够单独移动以挤压生物组织，从而在实现压头组件挤压生物组织的同时，防止探测件继续随压头组件移动以挤压到生物组织而影响测试的精确性，因此，上述生物组织的力学性能的检测系统的测量结果更为精确。

在其中一个实施例中，所述探测件能够与所述压头组件固定，以使所述探测件能够随所述压头组件移动，所述探测件还能够与所述压头组件分离，以使所述探测件能够停止随所述压头组件动。

在其中一个实施例中，还包括能够控制所述探测件与所述压头组件的固定和分离的控制件，所述控制件能够在通电时使所述探测件与所述压头组件固定，在断电时使所述探测件与所述压头组件分离。

在其中一个实施例中，所述探测件为筒状，所述压头组件包括压杆和压头，所述压杆能够移动，所述压头与所述压杆固定连接，以使所述压头能够随所述压杆移动，且所述压头能够收容于所述探测件中，所述压头还能够伸出所述探测件，所述压头收容于所述探测件中时，所述压头远离所述压杆的一侧与所述探测件平齐，以使所述压头和所述探测件能够同时与所述生物组织接触，且所述探测件与所述生物组织接触时，所述探测件停止随所述压杆移动，而使所述压杆能够单独带动所述压头继续移动，以使所述压头能够伸出所述探测件而挤压所述生物组织。

在其中一个实施例中，还包括样品固定装置，所述样品固定装置包括：

培养箱，能够盛装所述生物组织，所述培养箱上开设有进液口和出液口；

能够盛装液体的储液瓶，与所述进液口连通，所述储液瓶中的液体能够流入所述培养箱中，其中，所述培养箱中的液体能够从所述出液口流出；

控温件，与所述控制装置电连接，所述控温件能够控制所述培养箱内的温度。

在其中一个实施例中，还包括进液管，所述进液管的一端与所述储液瓶连通，另一端与所述进液口连通，所述进液管靠近所述储液瓶的一端的高度高于所述进液管靠近所述进液口的一端的高度。

在其中一个实施例中，还包括安装在所述进液管上的进液控制阀，所述进液控制阀能够控制所述进液管中的液体的流动速度。

在其中一个实施例中，还包括安装在所述培养箱中的液位计，所述液位计能够检测所述培养箱中的液位值，所述进液控制阀能够根据所述液位值控制所述进液管中的液体的流动速度。

在其中一个实施例中，还包括与所述出液口连通的废液瓶，所述培养箱中的液体能够通过所述出液口流入所述废液瓶中。

在其中一个实施例中，还包括一端与所述出液口连通的出液管和安装在所述出液管上的出液控制阀，所述出液控制阀能够控制所述出液管中的液体的流动速度。

在其中一个实施例中，还包括安装在所述培养箱中的固定组件，所述固定组件包括抵接件，所述抵接件能够与所述生物组织相抵接，以使所述生物组织能够被夹持固定在所述抵接件和所述培养箱的内壁之间。

在其中一个实施例中，所述培养箱具有底壁，所述抵接件能够朝靠近或远离所述培养箱的底壁的方向滑动，且所述抵接件能够与所述生物组织相抵接，所述抵接件能够与所述培养箱的底壁共同夹持固定所述生物组织。

在其中一个实施例中，所述固定组件还包括固定在所述培养箱内的固定件，所述抵接件包括杆状的安装部及从所述安装部的一端弯折延伸的条形的抵接部，所述安装部安装在所述固定件上，并且能够朝靠近或远离所述培养箱底壁的方向滑动，所述安装部还能够相对所述固定件转动，所述抵接部能够与所述生物组织相抵接。

在其中一个实施例中，所述抵接部上设有弧形凸面，所述弧形凸面能够与所述生物组织相抵接。

在其中一个实施例中，还包括供气组件，所述供气组件与所述培养箱连通，所述供气组件能够向所述培养箱中输入二氧化碳。

在其中一个实施例中，还包括观测组件和能够移动地移动台，所述观测组件能够采集所述培养箱中的所述生物组织的影像，所述移动台与所述培养箱固定连接，所述移动台能够根据所述影像带动所述培养箱移动。

在其中一个实施例中，所述观测组件包括物镜和光源，所述物镜能够采集所述培养箱中的所述生物组织的影像，所述光源能够给所述物镜照明。

一种生物组织的力学性能的检测方法，包括如下步骤：

控制压头组件和探测件朝靠近生物组织的方向移动；

直至所述探测件与所述生物组织接触，控制所述探测件停止移动，其中，所述探测件与所述压头组件同时与所述生物组织接触；

对所述压头组件施力，以使所述压头组件朝靠近所述生物组织的方向移动，直至所述压头组件压入所述生物组织至预设深度，保持所述压头组件在所述预设深度停留至预设时间，然后对所述压头组件施加卸载力，以使所述压头组件朝远离所述生物组织的方向移动，而使所述压头组件和所述生物组织分离，并记录所述压头组件从所述探测件与所述生物组织接触开始到所述压头组件和所述生物组织分离时的实时位移和对所述压头组件施加的实时力；

根据所述实时位移和所述实时力建立力与位移的关系曲线；

根据所述力与位移的关系曲线计算所述生物组织的力学性能。

在其中一个实施例中，所述控制压头组件和探测件朝靠近生物组织的方向移动的步骤之前，还包括移动所述生物组织，以使所述生物组织的位置与所述压头组件和所述探测件的位置相对应的步骤。

在其中一个实施例中，所述控制压头组件和探测件朝靠近生物组织的方向移动的步骤到所述压头组件压入所述生物组织至预设深度的步骤的过程中，所述生物组织处于温度为37℃～37.5℃的环境下和流动状态的液体中。

一种生物组织的力学性能的检测方法，包括如下步骤：

控制压头组件和探测件朝靠近生物组织的方向移动；

直至所述探测件与所述生物组织接触，控制所述探测件停止移动，其中，所述探测件与所述压头组件同时与所述生物组织接触；

对所述压头组件施力，以使所述压头组件朝靠近所述生物组织的方向移动，并压入所述生物组织中，直至所述压头组件施加的力达到预设力，保持对所述压头组件施加所述预设力至预设时间，然后对所述压头组件施加卸载力，以使所述压头组件朝远离所述生物组织的方向移动，而使所述压头组件和所述生物组织分离，并记录所述压头组件从所述探测件与所述生物组织接触开始到所述压头组件和所述生物组织分离时的实时位移和对所述压头组件施加的实时力；

根据所述实时位移和所述实时力建立力与位移的关系曲线；

根据所述力与位移的关系曲线计算所述生物组织的力学性能。

附图说明

图1为一实施方式的生物组织的力学性能的检测系统的压头组件的压头已经压入生物组织时的结构示意图；

图2为图1所示的生物组织的力学性能的检测系统的压头组件、探测件和控制件在压头收容在探测件中时的结构示意图；

图3为图1所示的生物组织的力学性能的检测系统的样品固定装置的结构示意图；

图4为图3所示的样品固定装置的培养箱、固定组件和液位计组装在一起的结构示意图；

图5为图3所示的样品固定装置的培养箱和固定组件组装在一起、且培养箱省略了顶壁的另一角度的结构示意图；

图6为4所示的固定组件的结构示意图；

图7为图4所示的培养箱和固定组件固定有待检测样品的结构示意图；

图8为实施例一的生物组织的力学性能的检测方法的流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

如图1所示，一实施方式的生物组织的力学性能的检测系统10，是一种压痕测试系统，用于检测生物组织20的力学性能。其中，生物组织20可以为生物软组织、细胞(通常为贴壁细胞)等黏弹性物质。该生物组织的力学性能的检测系统10包括支架(图未示)、控制装置100、驱动器200、压头组件300、探测件400、控制件500、位移传感器600、样品固定装置700、移动台800及观测组件900。

支架为整个生物组织的力学性能的检测系统10的支撑部件。

控制装置100用于控制整个生物组织的力学性能的检测系统10的各电元件的工作以及信息的记录及计算处理。具体地，控制装置100为电脑。

驱动器200固定安装在支架上。具体地，驱动器200为磁力驱动器。驱动器200与控制装置100电连接，控制装置100能够控制驱动器200的工作。

压头组件300能够移动，压头组件300用于挤压生物组织20，以实现生物组织20的压痕测试。其中，压头组件300与驱动器200传动连接，以使驱动器200能够驱动压头组件300移动。

探测件400能够随压头组件300移动，并且能够在压头组件300与生物组织20接触的同时与生物组织20接触，在探测件400还能够在探测件400与生物组织20接触时停止随压头组件300移动，而使压头组件300能够单独继续移动以挤压生物组件20。其中，探测件400与控制装置100电连接，当探测件400与生物组织20接触时，探测件400能够将信号传输给控制装置100，以使控制装置100能够根据探测件400与生物组织20是否接触控制探测件400随压头组件300移动和控制探测件400停止随压头组件300移动。

具体地，探测件400能够与压头组件300固定，以使探测件400能够随压头组件300移动，探测件400还能够与压头组件300分离，以使探测件400能够停止随压头组件300移动。

请一并参阅图2，更具体地，探测件400为筒状，压头组件300包括压杆310和压头320，压杆310能够移动，压头320与压杆310固定连接，以使压头320能够随压杆310移动，且压头320能够收容于探测件400中，且压头320还能够伸出探测件400，压头320收容于探测件400中时，压头320远离压杆310的一侧与探测件400平齐，以使压头320和探测件400能够同时与生物组织20接触，且探测件400与生物组织20接触时，探测件400停止随压杆310移动，而使压杆310能够单独带动压头320继续移动，以使压头320能够伸出探测件400而挤压生物组织20。具体在图示的实施例中，压杆310的一端与驱动器200传动连接，以使驱动器200能够驱动压杆310移动以带动压头320移动，压头320与压杆310远离驱动器200的一端固定连接。压头320收容于探测件400中时，压杆310远离压头320的一端收容在探测件400中。探测件400随压杆310朝靠近生物组织20的方向移动时，压头320远离压杆310的一侧与探测件400平齐。其中，压头320为纳米压头。

由于生物组织20通常具有较为平整的表面，因此，将压头320远离压杆310的一侧与探测件400平齐设置，那么，在压头320和探测件400同时朝靠近生物组织20的方向移动时，就能够使压头320和探测件400尽可能同时与生物组织20接触。

具体地地，探测件400具有开口及与开口相对的底部，探测件400的底部上开设有贯通孔410，压杆310穿设于贯通孔410，压头320收容于探测件400中时，压头320远离压杆310的一端与探测件400的开口端平齐。

具体地，探测件400为敏感探测器。探测件400的内径大于生物组织20的宽度，以使探测件400能够更好地与生物组织20接触。

控制件500能够控制探测件400与压头组件300的固定和分离，控制件500能够在通电时使探测件400与压头组件300固定，在断电时使探测件400与压头组件300分离。其中，控制件500与控制装置100电连接，以使控制装置100能够控制控制件500的通电和断电，即控制装置100能够根据探测件400与生物组织20是否接触控制控制件500的工作，以控制探测件400和压杆310的固定和分离。即通过控制装置100控制控制件500的通电和断电，以使实现探测件400和压杆310的固定和分离。

具体在本实施例中，控制件500为电磁铁，控制件500固定地套设在压杆310上，且控制件500收容在探测件400中，控制件500能够控制探测件400与压杆310的固定和分离。即控制件500能够在通电时将探测件400与压杆310固定连接，以使压杆310能够带动探测件400随压杆310移动，控制件500还能够在断电时使探测件400与压杆310分离，以使探测件400能够停止随压杆310移动。

具体地，探测件400的底部的内表面凹陷形成环绕贯通孔设置一周的收容槽420，控制件500能够收容于收容槽420中，且压头320远离压杆310的一端与探测件400的开口端平齐时，控制件500收容于收容槽420中。

需要说明的是，控制件500不限于收容在探测件400中，探测件400和控制件500还可以上下设置，此时，探测件400也不限于为筒状结构。或者，控制件500不限于为固定在压杆310上，控制件500还能够固定在探测件400上。控制件500也不限于为电磁铁，例如，控制件500也可以为以电子锁，探测件400随压头组件300移动时，控制件500将探测件400与压杆310锁在一起，当探测件400与生物组织20接触时，通过控制装置100解锁，以使探测件400与压杆310分离。

可以理解，实现探测件400与压头组件300的固定和分离也不限于为电控制，还可以通过设置手动控制阀来手动控制。

可以理解，实现探测件400能够随压头组件300移动，并且能够在压头组件300与生物组织20接触的同时与生物组织20接触，且在探测件400还能够在探测件400与生物组织20接触时停止随压头组件300移动不限于采用上述方式，例如，还可以使驱动器200同时控制探测件400和压头组件300，或者，同时设置两个驱动器200，两个驱动器200分别控制探测件400和压头组件300。

具体地，为了防止探测件400与压杆310分离时，探测件400不会自行落下，探测件400可以通过支撑件安装在支架上。例如，支撑件可以为支撑弹簧，支撑件的一端与支架固定连接，另一端与探测件400固定连接，那么，在探测件400与压杆310没有固定时，支撑件能够使探测件400复位。

位移传感器600能够检测压头组件300移动的位移，且位移传感器600能够在探测件400与生物组织20接触时开始检测压头组件300的实时位移。其中，位移传感器600与控制装置100电连接，位移传感器600能够将检测的实时位移传输给控制装置100。

具体地，位移传感器600为电容式位移传感器，位移传感器600与压杆310间隔设置，位移传感器600能够检测压杆310的实时位移，由于位移传感器600在探测件400与生物组织20接触时开始检测压头组件300的实时位移，因此，位移传感器600探测到的实时位移即为压头320压入生物组织20的实时深度。更具体地，位移传感器600通过弹性支撑件与支架固定连接。

请一并参阅图3，样品固定装置700用于盛装和固定生物组织20，并且能够使生物组织20在检测的过程中处于一个较为正常的生理环境下，以进一步提高测试结果的准确性。其中，样品固定装置700能够设置在压头320的下方。具体在图示的实施例中，该样品固定装置700包括培养箱710、储液瓶720、进液控制阀730、液位计735、废液瓶740、出液控制阀750、控温件760、供气组件770和固定组件780。

培养箱710能够盛装待测试样品，培养箱710上开设有进液口712和出液口714。其中，液体能够从进液口712加入培养箱710中；培养箱710中的液体能够从出液口714流出。该液体为细胞培养液或磷酸缓冲盐溶液，若生物组织20为细胞，则该液体通常为细胞培养液，若生物组织20为生物软组织，则通常液体为磷酸缓冲盐溶液即可。

请一并参阅图4，具体地，培养箱710包括底壁715、侧壁716和顶壁717，侧壁716环绕底壁715连续设置一周，以形成能够容置生物组织20的容置空间，顶壁717盖设于侧壁716远离底壁715的一侧上，并遮蔽容置空间，顶壁717上开设有供压头320穿设的测试孔(图未示)。其中，进液口712和出液口714均开设于培养箱710的侧壁716上。进液口712到底壁715的高度高于出液口714到底壁715的高度。具体在图示的实施例中，培养箱710大致为空心柱状结构。

储液瓶720能够盛装液体，储液瓶720与进液口712连通，储液瓶720中的液体能够流入培养箱710中。具体地，样品固定装置700还包括进液管725，进液管725的一端与储液瓶720连通，另一端与进液口712连通，以实现储液瓶720与培养箱710的连通。

进一步地，进液管725靠近储液瓶720的一端的高度高于进液管725靠近进液口712的一端的高度，以使储液瓶720中的液体能够自行通过进液管725流入培养箱710中，而无需设置驱动装置。

需要说明的是，进液管725靠近储液瓶720的一端的高度不限于高于进液管725靠近进液口712的一端的高度，也可以设置成相同的高度，或者是，进液管725靠近储液瓶720的一端的高度低于进液管725靠近进液口712的一端的高度，此时，设置驱动装置，例如水泵，也能够实现储液瓶720中的液体能够通过进液管725流入培养箱710中。

进液控制阀730安装在进液管725上，进液控制阀730能够控制进液管725中的液体流入培养箱710中的速度。具体地，进液控制阀730为电磁阀。更具体地，进液控制阀730与控制装置100电连接，控制装置100能够控制进液控制阀730的工作。

液位计735安装在培养箱710中，液位计735能够检测培养箱710中的液位，进液控制阀730能够根据液位控制进液管725中的液体流入培养箱710中的流动速度。例如，当培养箱710中的液位没有达到所需液位时，进液控制阀730控制进液管725中的液体以最大流速流入到培养箱710中，以利于培养箱710能够在短时间达到所需液位，当培养箱710中的液位达到所需液位时，进液控制阀730控制进液管725中的液体的流速减小或控制流速为零。具体地，液位计735和进液控制阀730均与控制装置100电连接，液位计735能够将液位传输给控制装置100，控制装置100能够根据该液位控制进液控制阀730的工作。

废液瓶740与出液口714连通，培养箱710中的液体能够通过出液口714流入废液瓶740中。具体地，样品固定装置700还包括出液管745，出液管745的一端与出液口714连通，另一端与废液瓶740连通，以实现废液瓶740与培养箱710的连通。

出液控制阀750安装在出液管745上，出液控制阀750能够控制出液管745中的液体的流出速度。具体地，出液控制阀750为电磁阀，出液控制阀750能够根据液位控制出液管745中的液体的流动速度。例如，当培养箱710中的液位没有达到所需液位时，出液控制阀750控制出液管745中的液体的流速为零，以利于培养箱710能够在短时间达到所需液位，当培养箱710中的液位达到所需液位时，出液控制阀750控制进液管725中的液体流动，以便于培养箱710中的液体能够持续流动。具体地，出液控制阀750与控制装置100电连接，控制装置100能够控制出液控制阀750的工作。

控温件760能够控制培养箱710内的温度，以使培养箱710内温度维持在37℃～37.5℃。具体地，控温件760设置在培养箱710的外部，且控温件760与培养箱710的底壁715固定连接。控温件760与控制装置100电连接，控制装置100能够控制控温件760的工作。

供气组件770与培养箱710连通，供气组件770能够给培养箱710中输入二氧化碳的体积百分含量为5％的空气，以给培养箱710中的生物组织20补充二氧化碳，维持培养箱中培养液的PH值在正常范围，以使生物组织20(例如细胞)能够较长时间地处于一个正常的生理环境下，增加提高生物组织20的存活时间，有利于较长时间的测试和提高测试结果的准确性。具体地，供气组件770与控制装置100电连接，控制装置100控制供气组件的供气工作。

固定组件780能够将生物组织20(例如生物软组织)固定在培养箱710中，以阻止生物组织20在培养箱710中移动，使得上述样品固定装置700也能够用于非贴壁细胞的样品的纳米压痕测试。根据圣维南原理，仅对待测试样品的按压局部产生应力及形变场，在远离按压区域进行纳米力学测量的结果将不受影响，因此，通过设置固定组件780与生物组织20的局部相抵接，不仅能够实现生物组织20的固定，且对测试结果也无影响。

需要说明的是，进液控制阀730、液位计735、出液控制阀750、控温件760和供气组件770不限于于控制装置100电连接，也可以分别控制，然而通过控制装置100统一控制，能够更好地实现检测的智能化。

请一并参阅图5和图6，具体地，固定组件780为多个，多个固定组件780间隔设置在培养箱710的底壁715上，且多个固定组件780共圆，多个固定组件780与培养箱710的底壁715能够共同夹持生物组织20。其中，每个固定组件780包括固定件782和抵接件784。

固定件782固定在培养箱710内。具体地，固定件782固定在培养箱710的底壁715上。更具体地，固定件782大致为柱状结构，固定件782的一端与培养箱710的底壁715固定连接，另一端相对培养箱710的底壁715垂直延伸。

需要说明的是，固定件782不限于固定在培养箱710的底壁715上，还固定在培养箱710的侧壁716上。

抵接件784能够与生物组织20相抵接，以使生物组织20能够被夹持固定在抵接件784和培养箱710的内壁之间。具体地，抵接件784活动地安装在固定件782上。其中，抵接件784能够朝靠近或远离培养箱710的底壁715的方向滑动，且抵接件784能够与生物组织20相抵接，并且抵接件784能够与培养箱710的底壁715共同夹持固定生物组织20。

更具体地，抵接件784包括杆状的安装部784a及从安装部784a的一端弯折延伸的条形的抵接部784b，安装部784a安装在固定件782上，并且能够朝靠近或远离培养箱710的底壁715的方向滑动，安装部784a还能够相对固定件782转动，且抵接部784b能够与生物组织20相抵接。即抵接部784b能够与培养箱710的底壁715共同配合夹持固定生物组织20。具体地，安装部784a与固定件782共轴设置。安装部784a还能够相对固定件782发生360°转动。

进一步地，抵接部784b上设有弧形凸面784c，弧形凸面784c能够与生物组织20相抵接，即弧形凸面784c能够与培养箱710的底壁715共同夹持生物组织20，以减小抵接件784与生物组织20的抵接面积，提高测试结果的准确性。具体在图示的实施例中，弧形凸面784c位于抵接部784b远离安装部784a的一端。

具体地，抵接件784的安装部784a与固定件782螺纹配合，从而通过将抵接件784的安装部784a与固定件782螺合就能够简单地实现抵接部784b和培养箱710的底壁715的之间的距离的调节，以及实现安装部784a相对固定件782转动。

需要说明的是，固定组件780不限于多个，固定组件780也可以为一个，一个上述结构的固定组件780也能够与培养箱710的底壁715共同夹持生物组织20；固定组件780也不限于为上述结构，例如，固定件782也可以省略，可以直接将抵接件784的安装部784a安装在培养箱710的底壁715上，此时，将安装部784a设置成能够伸缩的，类似于伸缩杆的结构，或者，也可以将安装部784a能够滑动地设置在侧壁716上。

移动台800能够移动，移动台800与培养箱固定连接，以使移动台800能够带动培养箱移动。具体地，培养箱710、储液瓶720、废液瓶740、和控温件760均安装在移动台800上。控制装置100能够控制移动台800的移动。

观测组件900能够采集培养箱710中的生物组织20的影像。其中，观测组件900与控制装置100电连接，观测组件900能够将影像传输给控制装置100，控制装置100能够根据影像控制移动台800的移动。

具体地，观测组件900包括物镜910和光源920，物镜910能够采集培养箱中的生物组织20的影像，光源920能够给物镜910照明。其中，物镜910和光源920均与控制装置100电连接，物镜910能够将影像传输给控制装置100。

采用上述生物组织的力学性能的检测系统10进行上生物组织20的力学性能测试的操作具体为：

生物组织20的固定：请一并参阅图7，若生物组织20为生物软组织，打开进液控制阀730，使储液瓶720中的液体通过进液管725流入培养箱710中，同时，将生物组织20置于培养箱710中，滑动及/或转动安装部784a，以使抵接部784b的弧形凸面784c与生物组织20相抵接，以将生物组织20夹持固定在弧形凸面784c与培养箱710的底壁715之间，然后纳米压痕测试系统的压头穿过测试孔对生物组织20进行力学测试，测试完成后开启出液控制阀750，以使培养箱710中的液体流入废液瓶200中。由于生物软组织无需培养液培养，仅需磷酸盐缓冲溶液维持组织成分的平衡即可，因此，无需通入二氧化碳，也无需打开控温件760，同时，也无需保持培养箱710中的液体的更新。

若生物组织20为细胞(通常为贴壁细胞)：打开控温件760，以使培养箱710的底壁的温度为37℃～37.5℃，打开进液控制阀730，储液瓶720中的液体通过进液管725流入培养箱710中，直至培养箱710中的液体达到所需液位，进液控制阀730将液体的流速调小，出液控制阀750打开，培养箱710中的液体经过出液管745流入废液瓶740中，以使培养箱710中有液体持续流入和流出，同时，控温件760打开，使培养箱710中的温度维持在37℃～37.5℃，并通过供气组件770向培养箱710中通入二氧化碳，将生物组织20置于培养箱710中，生物组织20粘附在培养箱710的底壁715上生长，将纳米压痕测试系统的压头穿过测试孔对生物组织20进行力学测试。由于贴壁细胞能够贴壁生长，因此，无需使用固定组件780固定。

移动移动台800，以使生物组织20的位置与压头和探测件400的位置相对应，开启驱动器200和给控制件500供电，驱动器200给压杆310施加向靠近生物样品的力，以使压杆310带动压头和探测件400朝靠近生物组织20的方向移动，直至探测件400与生物组织20接触，使控制件500断电，探测件400停止朝靠近生物组织20的方向移动，驱动器200驱动压杆310带动压头320移动，压头320挤压生物组织20，且在探测件400与生物组织20接触时，位移传感器600开始检测压杆310的实时位移，并将该实时位移传输给控制装置100，当压头320压入到生物组织20的预设深度，保持在预设深度一段时间，然后驱动器200给压杆310施加一个卸载力，以使压头320朝远离生物组织20的方向移动，而使压头320和生物组织20分离，或者，直至驱动器200对压杆310施加的朝靠近生物组织20的力至预设力，保持对压杆310施加预设力至预设时间，驱动器200再对压杆310施加卸载力，以使压头320朝远离生物组织20的方向移动，而使压头320和生物组织20分离。

上述生物组织的力学性能的检测系统10至少有以下优点：

(1)由于上述生物组织的力学性能的检测系统10的探测件400能够随压头组件300移动，且探测件400能够在压头组件300与生物组织20接触的同时与生物组织20接触，位移传感器600能够在探测件400与生物组织20接触时开始检测压头组件300的实时位移，那么，通过探测件400能够较为准确地获知压头组件300与生物组织20接触的时间，而使位移传感器600能够较为准确地在压头组件300与生物组织20初接触时开始检测压头组件300的实时位移，使得位移传感器600探测到的实时位移更加接近压头组件300实际压入生物组织20的深度，有利于提高检测数据的精准性；同时，由于探测件400还能够在与生物组织20接触时停止随压头组件300移动，而使压头组件300能够单独继续移动以挤压生物组织20，从而在实现压头组件300挤压生物组织20的同时，防止探测件400继续随压头组件300移动以挤压到生物组织20影响测试的精确性，因此，上述生物组织的力学性能的检测系统10的测量结果较为精确。

(2)上述样品固定装置700通过设置能够盛装液体的储液瓶720，并使储液瓶720与进液口712连通，储液瓶720中的液体能够流入培养箱710中，培养箱710中的液体能够从出液口714流出，那么，在测试的过程中，可以同时保证培养箱710中的液体在持续的更新，保证培养箱710中的液体中的营养需求，而通过控温件760控制培养箱710中的温度以保证培养箱710中的生物组织20的温度需求，从而使生物组织20能够在一个较为正常的生理环境下进行纳米压痕测试，避免了生物组织20在检测过程中在传统的样品台上的脱水或逐渐凋亡等而导致的测试结果不准确的问题，因此，上述样品固定装置700能够使纳米压痕测试的测试结果更加准确。

(3)通过将安装部784a设置成能够转动的，以便于固定形状各异的生物组织20。

(4)设置供气组件770以给培养箱710中的生物组织20补充二氧化碳，以维持培养箱中培养液pH值的平衡，使生物组织20(例如细胞)能够较长时间地处于一个正常的生理环境下，由于增加提高生物组织20的存活时间，有利于较长时间的测试和提高测试结果的准确性。

(5)通常生物软组织会悬浮在液体上，而设置固定组件780，能够用于固定生物软组织，以便于生物组织的力学性能的检测系统10测试生物软组织的力学性能，从而增加上述样品固定装置700的用途，扩大了上述样品固定装置700的使用范围。

(6)在抵接部784b上设置弧形凸面784c，并使弧形凸面784c与生物组织20相抵接，和与培养箱710的底壁715共同夹持生物组织20，以减小抵接件784与生物组织20的抵接面积，提高测试结果的准确性。

需要说明的是，液位计735可以省略，此时，出液控制阀750和进液控制阀730可以通过程序设置来控制。或者，出液控制阀750不限于为电磁阀，还可以为普通的手动控制阀或夹紧程度可调节的夹具，此时，通过操作者根据需要手动控制出液控制阀750来调节出液管745中的液体的流动速度即可；进液控制阀730也不限于为电磁阀，也可以为普通的手动控制阀或夹紧程度可调节的夹具，此时，通过操作者根据需要手动控制进液控制阀730来调节进液管725中的液体的流动速度即可，此时，液位计735可以省略。又或者，出液控制阀750和进液控制阀730中也可以一个为电磁阀，通过液位计735控制，另一个为手动控制阀或夹紧程度可调节的夹具。

可以理解，出液控制阀750可以省略，可以无需控制出液管745中的液体的流动速度；进液控制阀730也可以省略，出液管745中的液体的流动速度。废液瓶740也可以省略，此时，培养箱710的出液口714流出的废液直接流出到外界即可。

可以理解，若生物组织20为生物软组织，通常会悬浮在液体上，通过固定组件780能够将其固定，以便于纳米压痕测试生物软组织的力学性能，而由于贴壁细胞会贴着培养箱710的内壁上，而不需要固定组件780固定，因此，若测试的生物组织20为贴壁细胞，则固定组件780可以省略。

可以理解，若生物组织20为生物软组织，供气组件770可以省略，生物组织20无需提供二氧化碳。

实施例一的生物组织20的力学性能的检测方法，为使用上述生物组织的力学性能的检测系统10检测生物组织20力学性能的检测方法，在本实施例中，生物组织20为细胞。其中，该生物组织20的力学性能的检测方法包括如下步骤：

步骤S1：移动生物组织20，以使生物组织20的位置与压头组件300和探测件400的位置相对应。

需要说明的是，若生物组织20的位置正好与压头组件300和探测件400的位置相对应，那么步骤S1可以省略。

步骤S2：控制压头组件300和探测件400朝靠近生物组织20的方向移动。

具体地，使用驱动器200驱动压头组件300朝靠近生物组织20的方向移动，同时，控制装置100通过控制件500控制探测件400与压头组件300固定，以使探测件400随压头组件300朝靠近生物组织20的方向移动。

步骤S3：直至探测件400与生物组织20接触，控制探测件400停止移动，其中，探测件400与压头组件300同时与生物组织20接触。

具体地，当探测件400与生物组织20接触时，控制装置100控制控制件500将探测件400与压头组件300分离，以使探测件400停止移动。

步骤S4：对压头组件300施加力，以使压头组件300朝靠近生物组织20的方向移动，直至压头组件300压入生物组织20至预设深度，保持压头组件300在预设深度停留至预设时间，然后对压头组件300施加卸载力，以使压头组件300朝远离生物组织20的方向移动，而使压头组件300和生物组织20分离，并记录压头组件300从探测件400与生物组织20接触开始到压头组件300和生物组织20分离时的实时位移和对压头组件300施加的实时力。

具体地，控制装置100控制驱动器200对压头组件300施力以使压头组件300朝靠近生物组织20的方向移动，并对压头组件300施加卸载力，以使压头组件300朝远离生物组织20的方向移动。因此，对压头组件300施加的实时力为已知量。预设深度为压头组件300压入生物组织20的最大深度，压头组件300的实时位移即为压头320的实时位移，通过位移传感器600能够检测得到，也为已知量。

步骤S5：根据实时位移和实时加载力建立力与位移的关系曲线。

具体地，控制装置100根据实时位移和实时加载力建立力与位移的关系曲线。

步骤S6：根据力与位移的关系曲线计算生物组织20的力学性能。

具体地，控制装置100根据力与位移的关系曲线计算生物组织20的力学性能。

其中，生物组织20的力学性能可以是硬度，也可以是弹性模量。

若力学性能为硬度，则可以通过如下计算公式(1)计算获得：

其中，H为生物组织20的硬度，P为压头组件300压入生物组织20至预设深度时的加载力，为已知量；A_c是压头320和生物组织20的接触面积函数，

C₀、C₁、C₂、C₃、C₄及C₅均接触面积函数的校正系数，为已知量。h_c是压头320压入生物组织20的实际压入深度，

h_max是压头320压入生物组织20的最大深度，即预设深度，为已知量；S为接触刚度，且

为从对压头组件300对施加卸载力(即使压头组件300朝远离生物组织20的方向移动的卸载力)开始到压头组件300和生物组织20分离时的力与位移的关系曲线拟合后得到的函数关系的求导；F为卸载力，此力为驱动器200施加的力，为已知量；h为从对压头组件300对施加卸载力(即使压头组件300朝远离生物组织20的方向移动的卸载力)开始到压头组件300和生物组织20分离时的位移，通过位移传感器600检测能够得到，为已知量。

当计算的力学性能为弹性模量时，计算公式(2)如下：

其中，E为生物组织20的弹性模量，A_c和S的意义分别与上述硬度计算过程中的A_c和S的意义相同，π为圆周率，为已知量。

进一步地，步骤S1～步骤S4的过程中，生物组织20处于温度为37℃～37.5℃的环境下和流动状态的液体中。其中，液体为细胞培养液或磷酸缓冲盐溶液，生物组织20为细胞。液体在持续的更新，保证液体中的营养需求，而温度环境满足生物组织20的温度需求，从而使生物组织20能够在一个较为正常的生理环境下进行纳米压痕测试，避免了生物组织20在检测过程中在传统的样品台上的脱水或逐渐凋亡等而导致的测试结果不准确的问题，

进一步地，步骤S1～步骤S4的过程中，还向生物组织20通入了二氧化碳体的积百分含量为5％的空气。以给生物组织20补充二氧化碳，以维持液体中的pH值的平衡，使生物组织20能够较长时间地处于一个正常的生理环境下，由于增加提高生物组织20的存活时间，有利于较长时间的测试和提高测试结果的准确性。

实施例一的生物组织20的力学性能的检测方法操作简单，且能够使测量结果更加的精准。

实施例二的生物组织的力学性能的检测方法，用于检测生物软组织的力学性能，与实施例一的生物组织的力学性能的检测方法大致相同，区别在于，实施例二的生物组织的力学性能的检测方法在实施例一的步骤S1之前还包括：将生物组织固定在液体中，其中，液体为磷酸缓冲盐溶液，生物组织为软组织。由于生物软组织无需培养液培养，仅需磷酸盐缓冲溶液维持组织成分的平衡即可，因此，无需通入二氧化碳，也无需保持液体的更新。

实施例二的生物组织的力学性能的检测方法与实施例一的力学性能的检测方法大致相同，因此也具有实施例一的力学性能的检测方法类似的效果。

实施例三的生物组织20的力学性能的检测方法与实施例一的生物组织20的力学性能的检测方法大致相同，区别仅在于步骤S4的不同，在本实施例中，该步骤为：对压头组件施力，以使压头组件朝靠近生物组织的方向移动，并压入生物组织中，直至对压头组件施加的力达到预设力，保持对压头组件施加预设力至预设时间，然后对压头组件施加卸载力，以使压头组件朝远离生物组织的方向移动，而使压头组件和生物组织分离，并记录压头组件从探测件与生物组织接触开始到压头组件和生物组织分离时的实时位移和对压头组件施加的实时力。

且本实施例的生物组织的力学性能的计算公式也与实施例一大致相同，区别在于，P为预设力，为已知量；h_max是压头压入生物组织的最大深度，即开始对压头组件施加卸载力时压头压入生物组织的深度，通过位移传感器检测能够获得，为已知量。

实施例三的生物组织的力学性能的检测方法与实施例一的力学性能的检测方法大致相同，因此也具有实施例一的力学性能的检测方法类似的效果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (21)

1.一种生物组织的力学性能的检测系统，用于检测生物组织的力学性能，其特征在于，包括：

用于挤压所述生物组织的压头组件，所述压头组件包括压杆和压头，所述压杆能够移动，所述压头与所述压杆固定连接，以使所述压头能够随所述压杆移动；

探测件，所述探测件为筒状，所述压头能够收容于所述探测件中，所述压头还能够伸出所述探测件，所述探测件能够随所述压头组件移动，并且能够在所述压头组件与所述生物组织接触的同时与所述生物组织接触，所述探测件还能够在所述探测件与所述生物组织接触时停止随所述压头组件移动，而使所述压头组件能够单独继续移动以挤压所述生物组织；及

位移传感器，能够检测所述压头组件移动的位移，且所述位移传感器能够在所述探测件与所述生物组织接触时开始检测所述压头组件的实时位移。

2.根据权利要求1所述的生物组织的力学性能的检测系统，其特征在于，所述探测件能够与所述压头组件固定，以使所述探测件能够随所述压头组件移动，所述探测件还能够与所述压头组件分离，以使所述探测件能够停止随所述压头组件移动。

3.根据权利要求2所述的生物组织的力学性能的检测系统，其特征在于，还包括能够控制所述探测件与所述压头组件的固定和分离的控制件，所述控制件能够在通电时使所述探测件与所述压头组件固定，在断电时使所述探测件与所述压头组件分离。

4.根据权利要求1所述的生物组织的力学性能的检测系统，其特征在于，所述压头收容于所述探测件中时，所述压头远离所述压杆的一侧与所述探测件平齐，以使所述压头和所述探测件能够同时与所述生物组织接触，且所述探测件与所述生物组织接触时，所述探测件停止随所述压杆移动，而使所述压杆能够单独带动所述压头继续移动，以使所述压头能够伸出所述探测件而挤压所述生物组织。

5.根据权利要求1所述的生物组织的力学性能的检测系统，其特征在于，还包括样品固定装置，所述样品固定装置包括：

培养箱，能够盛装所述生物组织，所述培养箱上开设有进液口和出液口；

能够盛装液体的储液瓶，与所述进液口连通，所述储液瓶中的液体能够流入所述培养箱中，其中，所述培养箱中的液体能够从所述出液口流出；

控温件，能够控制所述培养箱内的温度。

6.根据权利要求5所述的生物组织的力学性能的检测系统，其特征在于，还包括进液管，所述进液管的一端与所述储液瓶连通，另一端与所述进液口连通，所述进液管靠近所述储液瓶的一端的高度高于所述进液管靠近所述进液口的一端的高度。

7.根据权利要求6所述的生物组织的力学性能的检测系统，其特征在于，还包括安装在所述进液管上的进液控制阀，所述进液控制阀能够控制所述进液管中的液体的流动速度。

8.根据权利要求7所述的生物组织的力学性能的检测系统，其特征在于，还包括安装在所述培养箱中的液位计，所述液位计能够检测所述培养箱中的液位值，所述进液控制阀能够根据所述液位值控制所述进液管中的液体的流动速度。

9.根据权利要求5所述的生物组织的力学性能的检测系统，其特征在于，还包括与所述出液口连通的废液瓶，所述培养箱中的液体能够通过所述出液口流入所述废液瓶中。

10.根据权利要求5所述的生物组织的力学性能的检测系统，其特征在于，还包括一端与所述出液口连通的出液管和安装在所述出液管上的出液控制阀，所述出液控制阀能够控制所述出液管中的液体的流动速度。

11.根据权利要求5所述的生物组织的力学性能的检测系统，其特征在于，还包括安装在所述培养箱中的固定组件，所述固定组件包括抵接件，所述抵接件能够与所述生物组织相抵接，以使所述生物组织能够被夹持固定在所述抵接件和所述培养箱的内壁之间。

12.根据权利要求11所述的生物组织的力学性能的检测系统，其特征在于，所述培养箱具有底壁，所述抵接件能够朝靠近或远离所述培养箱的底壁的方向滑动，且所述抵接件能够与所述生物组织相抵接，所述抵接件能够与所述培养箱的底壁共同夹持固定所述生物组织。

13.根据权利要求12所述的生物组织的力学性能的检测系统，其特征在于，所述固定组件还包括固定在所述培养箱内的固定件，所述抵接件包括杆状的安装部及从所述安装部的一端弯折延伸的条形的抵接部，所述安装部安装在所述固定件上，并且能够朝靠近或远离所述培养箱底壁的方向滑动，所述安装部还能够相对所述固定件转动，所述抵接部能够与所述生物组织相抵接。

14.根据权利要求13所述的生物组织的力学性能的检测系统，其特征在于，所述抵接部上设有弧形凸面，所述弧形凸面能够与所述生物组织相抵接。

15.根据权利要求5所述的生物组织的力学性能的检测系统，其特征在于，还包括供气组件，所述供气组件与所述培养箱连通，所述供气组件能够向所述培养箱中输入二氧化碳。

16.根据权利要求5所述的生物组织的力学性能的检测系统，其特征在于，还包括观测组件和能够移动的移动台，所述观测组件能够采集所述培养箱中的所述生物组织的影像，所述移动台与所述培养箱固定连接，所述移动台能够根据所述影像带动所述培养箱移动。

17.根据权利要求16所述的生物组织的力学性能的检测系统，其特征在于，所述观测组件包括物镜和光源，所述物镜能够采集所述培养箱中的所述生物组织的影像，所述光源能够给所述物镜照明。

18.一种使用权利要求1-17任意一项所述的生物组织的力学性能的检测系统的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

控制压头组件和探测件朝靠近生物组织的方向移动；

直至所述探测件与所述生物组织接触，控制所述探测件停止移动，其中，所述探测件与所述压头组件同时与所述生物组织接触；

对所述压头组件施力，以使所述压头组件朝靠近所述生物组织的方向移动，直至所述压头组件压入所述生物组织至预设深度，保持所述压头组件在所述预设深度停留至预设时间，然后对所述压头组件施加卸载力，以使所述压头组件朝远离所述生物组织的方向移动，而使所述压头组件和所述生物组织分离，并记录所述压头组件从所述探测件与所述生物组织接触开始到所述压头组件和所述生物组织分离时的实时位移和对所述压头组件施加的实时力；

根据所述实时位移和所述实时力建立力与位移的关系曲线；

根据所述力与位移的关系曲线计算所述生物组织的力学性能。

19.根据权利要求18所述的生物组织的力学性能的检测系统的检测方法，其特征在于，所述控制压头组件和探测件朝靠近生物组织的方向移动的步骤之前，还包括移动所述生物组织，以使所述生物组织的位置与所述压头组件和所述探测件的位置相对应的步骤。

20.根据权利要求18所述的生物组织的力学性能的检测系统的检测方法，其特征在于，所述控制压头组件和探测件朝靠近生物组织的方向移动的步骤到所述压头组件压入所述生物组织至预设深度的步骤的过程中，所述生物组织处于温度为37℃～37.5℃的环境下和流动状态的液体中。

21.一种使用权利要求1-17任意一项所述的生物组织的力学性能的检测系统的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

控制压头组件和探测件朝靠近生物组织的方向移动；

直至所述探测件与所述生物组织接触，控制所述探测件停止移动，其中，所述探测件与所述压头组件同时与所述生物组织接触；

对所述压头组件施力，以使所述压头组件朝靠近所述生物组织的方向移动，并压入所述生物组织中，直至所述压头组件施加的力达到预设力，保持对所述压头组件施加所述预设力至预设时间，然后对所述压头组件施加卸载力，以使所述压头组件朝远离所述生物组织的方向移动，而使所述压头组件和所述生物组织分离，并记录所述压头组件从所述探测件与所述生物组织接触开始到所述压头组件和所述生物组织分离时的实时位移和对所述压头组件施加的实时力；

根据所述实时位移和所述实时力建立力与位移的关系曲线；

根据所述力与位移的关系曲线计算所述生物组织的力学性能。

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