CN108548732A - 用于太赫兹原位冲击测试的仿生骨骼样品及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于太赫兹原位冲击测试的仿生骨骼样品及制备方法，属于生物力学测试领域。通过由表及里的拓扑结构构建由仿生皮肤‑肌肉‑骨组成的仿生骨骼样品。制备具有多孔梯度特性的仿生骨，与天然生物肌肉力学性能相近的仿生肌肉亦附着于仿生骨外层，其外层包裹人造皮肤，制作成模拟完整生物肢体结构的仿生骨骼样品。将薄膜式压力传感器嵌入仿生骨骼样品各组成部分，对仿生骨骼样品各组成部分所受冲击力值进行全方位、多层次、立体式检测。可替代天然骨进行冲击性能实验并能集成多种新型检测方式，不仅为生物材料冲击性能测试提供一种有效的工具，而且为仿生肢体、植入式仿生骨骼等仿生材料器具的冲击破坏机理的研究提供一种新的研究手段。
Description
技术领域
本发明涉及生物力学测试领域，特别涉及一种用于太赫兹原位冲击测试的仿生骨骼样品及制备方法。本发明可用于模拟天然生物材料的力学性能并代替其进行太赫兹实时原位检测下的冲击测试，为仿生材料样品冲击性能测试提供一种重复性强、可大量制备的多功能样品，该样品弥补了天然骨制成样品后在结构和成分有较大差异性的缺点，减少天然骨差异带来的不必要的实验变量，为天然骨冲击性能测试提供制备简单且力学性能重复性高的标准化样品，也为仿生材料、医用生物材料等材料的力学性能测试提供一种新的研究手段。
背景技术
在日常生活中，生物体经常会遭受各种各样的冲击载荷的影响，由于冲击载荷瞬间的产生破坏力较大，往往会对生物体带来巨大的伤害，尤其是骨骼，在受到较大冲击载荷时往往会产生骨裂、骨折等较为严重的后果。因此我们需要对生物体的骨的在冲击力作用下的失效、破坏机理进行研究，由于天然骨是比较复杂，不同部位、不同作用的骨的形状、结构、密度、硬度都存在着明显的差异，对骨骼进行冲击实验往往会因为样品的制作、天然骨的获取来源有限而使实验结果差异性大，甚至有些实验骨（如人体骨）本身就难以获取，因此寻找在力学性能上接近天然骨且能大量制取的替代样品成为了天然骨冲击性能测试亟需解决的一个难题。
生物医用材料具有以下特性：良好的生物相容性、安全性、一定的机械强度、可控制的生物降解性，这些特性也是天然的生物材料所拥有的，由于拥有这些其它材料不可比拟的优势，使得其在为研究天然生物材料冲击性能测试提供了一条崭新的途径。天然骨是天然有机物和无机物的复合材料，主要由有机物、无机物和水等组成，有机物成分约占骨的总质量的35%，其中胶原纤维约占95%，其余为无定形基质。胶原纤维中I型胶原纤维占90%。无定形基质主要是蛋白质和多糖的复合物，如硫酸软骨素、透明质酸等。无机物占了骨的总质量的60%~70%，其主要成分是羟基磷灰石。针对骨的仿生开始主要以成分和结构为主，但由于这种仿生材料制作的仿生骨具有脆性大、力学性能较之天然骨差等缺点，促使人们必须对其进行改进。目前仿生骨的主要材料分为以下三类：HA/有机复合材料，有机相为胶原、聚乙烯、聚甲基丙烯酯甲酯等；HA/无机复合材料，其无机相主要是CaO、Al2O3、CaSO4等；HA薄膜，基底主要是金属，包括Ti、Co-Cr-Mo合金和不锈钢等。为使仿生骨结构在力学性能上接近天然骨生物材料和处于集成太赫兹成像技术进行原位检测的需要，在制造时选择HA/有机复合材料。较之后两种材料这种材料在组成方面与天然骨的成分更为接近，利用这种材料制作的样品在冲击性能方面更接近天然骨，实验数据的可靠性更高，差异性更小。“3D打印技术”也叫“增材制造技术”，是一种使用粉末状金属或塑料等可粘合材料逐层快速成型技术。3D打印技术可以制作结构和形状很复杂的实体，并且不需要制造生产所需的磨具。相对于传统的减材制造方式是基于切除多余的材料加工出所需的形状，3D打印技术可根据加工的结构、尺寸要求合理地使用、分配材料，使得材料的利用率有了显著的提高，极大地节省了材料和加工成本。如今随着3D打印技术和设备的发展和成熟，它的使用范围越来越广，打印材料的种类也逐渐增多。目前，3D打印技术已经应用到生物医疗领域，尤其是在仿生骨等领域，通过对所要制作的骨骼解剖模型进行结构分析，研究骨骼的内部微细结构、外形轮廓以及力学性能，然后将得到的数据转化为3D打印的制造参数，通过控制3D打印工艺参数、基本材料成分和材料的尺寸、形状，由此制造的仿生模具就具备了天然骨的密质骨和松质骨的结构特征，并且拥有和天然骨非常接近的力学性能，仿生骨可从结构、力学性能、外形、制造精度及表面粗糙度等方面实现对骨骼的仿造。通过3D打印技术制造的样品不仅满足结构和力学性能方面对天然骨的模拟，而且具有较高的加工精度和加工效率。因此选用此加工方式完成对样品的制造。太赫兹是一种波长在0.03mm~3mm之间的电磁波，对应的频率为10THZ~0.1THZ，由于超快激光技术的发展，使得太赫兹技术日趋成熟，太赫兹技术在通信、国防、医学、航天方面蕴藏着巨大的应用前景和无可比拟的优势，因而受到了发达国家的广泛重视。在生命医学领域，太赫兹具有以下独特的应用优势和特性。1）太赫兹的光子能量很低，约是X射线的1/106，这个能量不会电离生物体内的分子。2）多数生物大分子的震动和旋转频率都在太赫兹范围内，因而在太赫兹波段表现出很强的吸收和谐振。3)太赫兹能以很小的衰减穿透非金属物质如脂肪、纤维、塑料等。基于太赫兹的生物无害性、高穿透性等独特优势，将其运用到生物材料的冲击性能测试上，可为研究骨骼结构变形、内部裂纹、破坏机理提供一种新型检测手段和研究角度。
利用天然骨做冲击性能测试主要面临以下两个难题：1、实验用天然骨的资源有限使得样品不能大量制备，甚至有些实验材料（如人体骨骼）难以获取，因而造成实验重复性差而无法获取充足的实验数据。2、天然骨由于其位置、作用不同导致骨骼的形态、微结构、力学性能、密度之间差异较大，生长环境、饮食习惯、健康状况的不同也会导致骨骼具有差异性，导致因样品本身固有的力学、结构差异而给实验带来不必要的变量因素、误差，使实验数据不能清楚地反映天然骨的冲击性能，亟待解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于太赫兹原位冲击测试的仿生骨骼样品及制备方法，解决现有技术存在的上述问题。本发明可替代天然骨进行冲击性能实验并能集成多种新型检测方式，该样品不仅可以为生物材料冲击性能测试提供一种有效的工具，而且可为仿生肢体、植入式仿生骨骼等仿生材料器具的冲击破坏机理的研究提供一种新的研究手段。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
样品整体为长方体状，包括仿密质骨1、传感器阵列2、仿生肌肉3、人造皮肤4、主传感器5、仿松质骨6、水凝胶7。所述仿松质骨6、仿密质骨1和水凝胶7构成仿生骨结构，仿生骨结构是样品的主体结构和冲击性能实验的测试对象。仿松质骨6为内部分布具有函数规律的圆柱孔阵列的长方体结构，正视仿松质骨6左视图时，从垂直竖直对称轴方向向两侧圆柱孔孔隙率呈抛物线规律递减，沿竖直对称轴方向孔隙率保持不变；正视俯视图时，从垂直水平对称轴方向向两侧圆柱孔孔隙率呈抛物线规律递减，沿水平对称轴方向孔隙率保持不变，两个方向上的圆柱孔阵列结构遵循相同的抛物线函数规律。仿松质骨6与仿密质骨1实为一体；仿松质骨6的孔隙中填充水凝胶7模拟骨髓；采用医用硅胶作为仿生肌肉3的制作材料，通过3D打印技术将其附着并固定在仿密质骨1表面以模拟肌肉；人造皮肤4包裹在仿生肌肉3外层。在仿生骨骼样品受冲击过程中，利用太赫兹原位检测技术对样品的变形行为、缺陷演化机理和层间剥离机制实时分析。
传感器阵列2、主传感器5均选用薄膜式压力传感器，将传感器阵列2、主传感器5组成的传感器群嵌入到样品各结构层中检测结构所受冲击力以及力在各个方向的延伸规律。主传感器5、传感器阵列2构成的传感器群由内而外布置三层，第一层传感器群布置在仿松质骨6外表面和仿密质骨1内表面结合处以检测仿松质骨冲击力数值；第二层传感器群嵌入仿密质骨1外表面，使传感器感应区两侧分别贴合在仿生肌肉3内表面和仿密质骨1外表面检测仿密质骨1冲击力数值；第三层传感器群嵌入仿生肌肉3外表面，使传感器圆形感应区两侧分别贴合在人造皮肤4内表面及仿生肌肉3外表面测量仿生肌肉3冲击力数值，忽略人造皮肤4的影响设定本层所测冲击力为冲击杆的初始冲击力数值。各结构层处嵌入的传感器群采用相同的布置方式，在冲击作用点上布置主传感器2测量主冲击力数值，三层传感器阵列2结构呈米字型布置在以冲击点为中心的冲击区域，每层传感器阵列2包含八枚传感器，传感器的圆形感应区的圆心分布在以冲击点为中心的圆上且相邻传感器之间的角度均为45°，第一层传感器阵列2与主传感器5相切，第一层圆形阵列的圆形感应区的圆心与第二层的圆心间隔距离和第二层的圆心的与第三层的圆心间隔距离之比为1:1.5。第一层圆形阵列的圆形感应区的圆心与第二层的圆心间隔距离和第二层的圆心的与第三层的圆心间隔距离分可别为8mm、12mm。
本发明的另一目的在于提供一种用于太赫兹原位冲击测试的仿生骨骼样品的制备方法，采用3D打印的方式，由内而外逐层打印。
1）对仿松质骨6进行简化模型设计，对仿松质骨6的孔隙率提出一种抛物线规律的拟合公式：
y2=2px (0≤x≤D/2, 0≤y )
其中p为待定参数，通过天然骨的孔隙率数据规律拟合确定；D为样品的松质骨6中心线到仿密质骨1内表面到的垂直距离，D为对应仿松质骨6的相应边的一半，y为函数曲线拟合后仿松质骨1的孔隙率数值，x表示设定仿密质骨1各内表面为零点、从仿密质骨1内表面向中心线方向距与之平行的直线之间的垂直距离。确定仿松质骨6孔隙率的参数后按如下制造方法进行加工：
(1) 将仿密质骨1内表面至仿松质骨6中心线之间的距离平均分成若干小区间[0，d1]、[d1，d2]…...[di-1，di]…..[dn-1，D/2]。区间划分越小，制作越细致，对孔隙率的还原精度越高，但也会增大加工的难度和成本。
(2) 选取小区间的中点位置的坐标值x,求得相应的孔隙率值y，然后用区间的面积乘孔隙率得到该区间孔隙总面积，然后在区间上确定圆柱孔的数量及分配为每个圆柱孔的面积，将每个区间设计为带有若干个圆柱孔的长方体结构。
(3) 制作过程中以小区间为层制作单元进行逐层打印，直至全部仿松质骨6制作完成。完成仿松质骨的制作成后将传感器阵列2、主传感器5等组成的传感器群固定嵌入到仿松质骨外表面。制作完成后在孔隙中填充水凝胶7模拟骨髓。
2) 依照设计的仿密质骨结构模型利用3D打印制作，仿密质骨1的力学性能、微结构与天然骨力学性能相似，将传感器阵列2、主传感器5组成的传感器群嵌入到检测位置后完成全部仿生骨制作。
3）使用医用硅胶作为仿生肌肉3的制作材料，依照设计的仿生肌肉结构模型利用3D打印制作，采用同样的布置方式将传感器阵列2、主传感器5组成的传感器群嵌到仿生肌肉3的外表面。
4）在仿生肌肉3表面包裹层人造皮肤4，将样品制作成模拟完整生物肢体结构的仿生骨骼样品。
本发明的有益效果在于：提供一种规范化、可标准化的仿生骨骼样品。本发明用于代替天然骨进行冲击性能测试的仿生骨骼样品，对天然骨进行力学性能和结构分析，简化天然骨的细微结构，利用仿生材料将设计的仿生骨骼模型制作出来，调节仿生骨骼的加工参数使其具有接近天然骨的力学性能，对松质骨的孔隙率规律应用抛物线函数进行拟合，利用3D打印技术进行制造，利用仿生骨骼样品代替天然骨进行冲击性能实验。此外，在仿生骨结构外表面粘附由生物材料、仿生材料等制成的仿生肌肉和人造皮肤，制作成模拟真实冲击环境下的生物肢体结构，可利用仿生骨骼样品研究皮肤和肌肉对冲击力的影响规律和对骨的保护功能。在仿生骨骼样品的各结构层嵌入薄膜式压力传感器群，通过多层传感器群实现对仿生骨骼样品全方位、多层次、立体式的冲击力值检测。在仿生骨骼样品受冲击过程中，利用太赫兹原位检测技术用于实时分析试件的变形行为、缺陷演化机理和层间剥离机制。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的结构示意图；
图2为仿生骨结构的局部半剖图；
图3为本发明的样品结构面上的主传感器、传感器阵列分布图；
图4为太赫兹成像仪器观测样品位置图。
图中：1、仿密质骨；2、传感器阵列；3、仿生肌肉；4、人造皮肤；5、主传感器；6、仿松质骨；7、水凝胶；8、太赫兹源 A；9、太赫兹源B；10、太赫兹源C；11、太赫兹相机A；12、太赫兹相机B；13、太赫兹相机C。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图4所示，本发明的用于太赫兹原位冲击测试的仿生骨骼样品，可用于代替天然骨材料进行太赫兹实时原位检测下的冲击测试。包括仿密质骨1、传感器阵列2、仿生肌肉3、人造皮肤4、主传感器5、仿松质骨6、水凝胶7，所述仿松质骨6、仿密质骨1和水凝胶7构成仿生骨结构。
仿生骨结构是样品的主体结构和冲击性能实验的测试对象，先对天然骨的结构和力学性能进行分析，将仿松质骨6的孔隙率规律用抛物线函数进行拟合，建立简洁、规范化的仿生骨结构模型并确定3D打印参数。使仿生骨在具有和天然骨相似力学性能，减少其结构的复杂性和多样性。仿生骨结构的制作材料是羟基磷灰石和胶原纤维复合物，利用3D打印技术按设计好的仿生骨结构模型制造出来，用人工制作的仿生骨模拟并匹配实验天然骨材料。在仿松质骨6的孔隙中填充水凝胶7模拟骨髓。对天然骨处的肌肉进行力学测试，测出肌肉对冲击力数值衰减的影响，采用医用硅胶作为仿生肌肉3的材料，通过3D打印技术将其附着并固定在仿密质骨6表面以模拟肌肉，仿生肌肉3的厚度根据实验用天然骨处的肌肉对骨的力学影响来确定。对实验骨附近的皮肤进行力学测试，分析皮肤对冲击性能的影响规律，通过调节人造皮肤4的厚度，使其具有和天然皮肤相似的力学性能并包裹在仿生肌肉3外层。通过以上设计，将样品制作成模拟完整生物肢体结构的仿生骨骼样品。
将传感器阵列2、主传感器5组成的传感器群嵌入到样品各结构层中检测结构所受冲击力以及力在各个方向的延伸规律。主传感器5、传感器阵列2构成的传感器群由内而外布置三层，第一层传感器群布置在仿松质骨6外侧和仿密质骨1内侧测量仿松质骨6所受冲击力数值；第二层传感器群嵌入仿密质骨1外表面，将传感器感应区两侧分别贴合在仿生肌肉3内表面和仿密质骨1外表面测量仿密质骨1冲击力数值；第三层将传感器群嵌入仿生肌肉3外表面，并使传感器圆形感应区两侧分别贴合在人造皮肤4内表面及仿生肌肉3外表现，设定第三层的冲击力为冲击杆的初始冲击力数值。各结构层处嵌入的传感器群采用相同的布置方式，在冲击作用点上布置主传感器2测量主冲击力，将三层传感器阵列2结构呈米字型布置在以冲击点为中心的冲击区域，每层传感器阵列2包含八枚传感器，传感器的圆形感应区的圆心布置在以冲击点为中心的圆上且相邻传感器之间的角度均为45°，第一层传感器阵列5与主传感器2相切，第一层传感器阵列的感应区的圆心与第二层的圆心间隔距离和第二层的圆心的与第三层的圆心间隔距离分别为10mm、15mm。
本发明的用于太赫兹原位冲击测试的仿生骨骼样品的制备方法如下：
采用3D打印的加工方式，样品由内而外逐层打印。
1）对仿松质骨6进行简化模型设计，对仿松质骨6的孔隙率提出一种抛物线规律的拟合公式：
y2=2px (0≤x≤D/2, 0≤y )
其中p为待定参数，通过天然骨的孔隙率数据规律拟合确定；D为样品的松质骨6结构中心线到仿密质骨1内表面到的垂直距离，最大值为仿松质骨6的各边长的一半，y为函数曲线拟合后仿松质骨6的孔隙率数值，x表示设定仿密质骨1各内表面为零点、从仿密质骨1内表面向中心线方向距与之平行的直线之间的垂直距离。确定仿松质骨6孔隙率的参数后按如下制造方法进行加工：
(1) 将仿密质骨1内表面至仿松质骨6中心线之间的距离平均分成若干小区间[0，d1]、[d1，d2]…...[di-1，di]…..[dn-1，D/2]。
(2) 选取小区间的中点位置的坐标值x,求得相应的孔隙率值y，然后用区间的面积乘孔隙率得到该区间孔隙总面积，然后在区间上确定圆柱孔的数量及分配为每个圆柱孔的面积，将每个区间设计为带有若干个圆柱孔的长方体结构。
(3) 制作过程中以小区间为层制作单元进行逐层打印，直至全部仿松质骨6结构制作完成。完成仿松质骨6的制作成后将传感器阵列2、主传感器5等组成的传感器群固定嵌入到仿松质骨6外表面。制作完成后在孔隙中填充水凝胶7模拟骨髓。
2）依照设计的仿密质骨结构模型利用3D打印制作，确保仿密质骨1的力学性能、微结构与天然骨力学性能相似，将传感器阵列2、主传感器5组成的传感器群嵌入到检测位置后完成全部仿生骨制作过程。
3）使用医用硅胶作为仿生肌肉3的制作材料，依照设计的仿生肌肉结构模型利用3D打印制作，采用同样的布置方式将传感器阵列2、主传感器5组成的传感器群嵌到仿生肌肉3的外表面。
4）在仿生肌肉3表面包裹层人造皮肤4，将样品制作成模拟完整生物肢体结构的仿生骨骼样品。
本发明的用于太赫兹原位冲击测试的仿生骨骼样品的检测方法如下：
在仿生骨骼样品的冲击性能实验中使用太赫兹成像系统作检测模块进行原位检测，通过调节太赫兹成像仪器与样品间的相对位置，实现对样品的进行多角度、立体式观测。本发明中样品观测角度设计为三个，实验前将太赫兹源A8、B9、C10和太赫兹波相机A11、B12、C13布置在设计观测位置，在样品侧面与冲击点作用方向垂直的位置布置太赫兹源C10，在另一侧等高位置布置太赫兹相机C13主要检测内部仿松质骨的变形行为、缺陷演化机理和层间剥离机制，在样品正面布置太赫兹源A8和太赫兹源B9，两个太赫兹源A8、B9与冲击作用点组成的平面保持水平且太赫兹源A8、B9和冲击作用点之间的连线与冲击力作用线的夹角相同，太赫兹相机A11和太赫兹相机B12布置在样品斜后方且发射源、作用点和太赫兹相机保持三点一线，利用前后向布置的太赫兹成像系统检测样品正面受到冲击时的变形、裂纹等现象。通过把三个方向上观测的信息进行对比、组合分析，得到仿生骨内部三维立体式的变形、断裂图像信息。
实施例：
参考图1至图4所示，本发明所涉及用于太赫兹原位冲击测试的仿生骨骼样品，样品的主体尺寸为120mm ×60 mm ×10mm，适用于中大型冲击性能测试设备。
本发明的样品利用3D打印技术采用由内而外、逐层打印的制造方式。根据相关论文数据天然松质骨具有以下规律：沿柱状骨的中心线水平向外直至密质骨，松质骨的孔隙率逐渐减小；在与柱状骨中心线的平行方向的等高截面上，孔隙率的数值基本保持不变。对仿松质骨的孔隙率提出一种抛物线规律的拟合，分析实验研究的天然骨的细微结构、物理性能和力学性能，简化骨结构除去其复杂性和多样性重新设计仿生骨结构模型，利用实验数据设置3D打印参数，通过调节制造仿密质骨的参数使其具有和天然骨相似的力学性能。仿生骨结构使用的材料是HA/有机复合材料，有机相为胶原、聚乙烯、聚甲基丙烯酯甲酯等，这种材料在组成成分上与天然骨的组成成分接近，因而差异性小，使样品和冲击实验更具有说服力。在松质骨结构中填充水凝胶模拟骨髓。对天然骨处的肌肉进行力学测试并分析肌肉对冲击力数值衰减影响，分析肌肉的细微结构并确定所需的3D打印参数，使用医用硅胶作材料制作将其附着并固定在仿生骨表面，医用硅胶的厚度根据天然肌肉的力学性能进行调整。样品中的仿生肌肉选用硅橡胶，它具有无色、无毒、耐氧化、生物相容性好等优点，并具有软触感等与天然肌肉相似的特性。对天然骨处的皮肤进行力学性能分析，调节人造皮肤的厚度使其接近天然皮肤对冲击性能的影响并将人造皮肤粘附在仿生肌肉表面。通过以上设计，将样品制作成模拟完整生物肢体结构的仿生骨骼样品。
使用薄膜式压力传感器检对冲击实验中各结构所受冲击力值进行多层次、立体式检测。本发明的样品选用RX-D1016柔性薄膜压力传感器，RX-1016是一款标准的压阻式柔性传感器，主传感器由圆形感应区和数据输出线组成，其感应直径为10mm，外径为16mm，选用的量程为10~25kg厚度为0.2mm，其数据输出线选用长度为200mm。RX-1016的静态电阻为1~200MΩ，迟滞性小于5%，漂移率小于6%，工作电压在3~5V，响应时间小于10ms。三层圆形阵列中的薄膜式式压力传感器主要分布在冲击力作用边缘区或影响区，故选用得压力量程较小，本发明中选用RFP电阻式薄膜压力传感器，选用量程为0~10kg、0~5kg两种，其中距离冲击区近的选用大程。感应区的直径为6mm，厚度为0.1mm，传输线总长为200mm。利用这种传感器体积小、测试精度高等优点，实现对样品内各组成部分所受冲击力精准检测。
通过太赫兹成像系统对仿生骨骼样品的变形行为、缺陷演化机理和层间剥离机制现象进行实时检测，太赫兹成像系统选用美国TeraSense公司的太赫兹照相机系统，选用型号为Tera-4096，具有4096像素阵列（64X64），太赫兹成像设备的尺寸为16.5cmX16.5cmX4.5cm。太赫兹源的频率为0.05~0.7THz，这种范围的太赫兹波可穿透大部分的物体，实验时可将太赫兹仪器安装在支撑架或位置驱动平台上进行位置的移动和固定，该成像系统具有响应速度快、成像清晰等优点，使用方便简单。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种用于太赫兹原位冲击测试的仿生骨骼样品，其特征在于：样品整体为长方体状，包括仿密质骨（1）、传感器阵列（2）、仿生肌肉（3）、人造皮肤（4）、主传感器（5）、仿松质骨（6）、水凝胶（7），所述仿松质骨（6）、仿密质骨（1）和水凝胶（7）构成仿生骨结构，仿生骨结构是样品的主体结构和冲击性能实验的测试对象；仿松质骨（6）为内部分布具有函数规律的圆柱孔阵列的长方体结构，仿松质骨（6）与仿密质骨（1）结构实为一体；仿松质骨（6）的孔隙中填充水凝胶（7）模拟骨髓；采用医用硅胶作为仿生肌肉（3）的制作材料，通过3D打印技术将其附着并固定在仿密质骨（1）表面以模拟肌肉；人造皮肤（4）包裹在仿生肌肉（3）外层。
2.根据权利要求1所述的用于太赫兹原位冲击测试的仿生骨骼样品，其特征在于：所述的传感器阵列（2）、主传感器（5）均为薄膜式压力传感器，将传感器阵列（2）、主传感器（5）组成的传感器群嵌入到样品各结构层中检测结构所受冲击力以及力在各个方向的延伸规律；主传感器（5）、传感器阵列（2）构成的传感器群由内而外布置三层，第一层传感器群布置在仿松质骨（6）外表面和仿密质骨（1）内表面结合处以测量仿松质骨（6）所受冲击力；第二层传感器群嵌入仿密质骨外表面，使传感器感应区两侧分别贴合在仿生肌肉（3）表面和仿密质骨（1）外表面以测量仿密质骨所受冲击力；第三层传感器群嵌入仿生肌肉（3）外表面，使传感器圆形感应区两侧分别贴合在人造皮肤（4）内表面及仿生肌肉（3）外表面上测量仿生肌肉所受冲击力，设定本层所测冲击力为冲击杆的初始冲击力数值；各结构层处嵌入的传感器群采用相同的布置方式，在冲击作用点上布置主传感器（2）测量主冲击力，将三层传感器阵列（2）结构呈米字型布置在以冲击点为中心的冲击区域，每层传感器阵列2包含八枚传感器，传感器的圆形感应区的圆心分布在以冲击点为中心的圆上且相邻传感器之间的角度均为45°，第一层传感器阵列与主传感器（2）相切，第一层圆形阵列的圆形感应区的圆心与第二层的圆心间隔距离和第二层的圆心的与第三层的圆心间隔距离分别为8mm、12mm。
3.根据权利要求1或2所述的用于太赫兹原位冲击测试的仿生骨骼样品，其特征在于：制备方法如下：采用3D打印的方式，由内而外逐层打印;
1）对仿松质骨（6）进行简化模型设计，对仿松质骨的孔隙率提出一种抛物线规律的拟合公式：
y2=2px (0≤x≤D/2, 0≤y )
其中p为待定参数，通过天然骨的孔隙率数据规律拟合确定；D为样品的仿松质骨（6）结构中心线到仿密质骨内表面到的垂直距离，D为对应仿松质骨的相应边的一半，y为函数曲线拟合后仿松质骨的孔隙率数值，x表示设定仿密质骨各内表面为零点、从仿密质骨内表面向中心线方向距与之平行的直线之间的垂直距离；确定仿松质骨孔隙率的参数后按如下制作方法进行加工：
(1) 将仿密质骨1内表面至仿松质骨6中心线之间的距离平均分成若干小区间[0，d1]、[d1，d2]…...[di-1，di]…..[dn-1，D/2]；
(2) 选取小区间的中点位置的坐标值x，求得相应的孔隙率值y，然后用区间的面积乘孔隙率得到该区间孔隙总面积，然后在区间上确定圆柱孔的数量及分配为每个圆柱孔的面积，将每个区间设计为带有若干个圆柱孔的长方体结构；
(3) 制作过程中以小区间为层制作单元进行逐层打印，直至全部仿松质骨（6）结构制作完成；完成仿松质骨的制作成后将传感器阵列（2）、主传感器（5）组成的传感器群固定嵌入到仿松质骨（6）外表面；制作完成后在孔隙中填充水凝胶（7）模拟骨髓；
2) 依照设计的仿密质骨结构模型利用3D打印制作，保证仿密质骨的力学性能、微结构与天然骨力学性能相似度，制作完成后将传感器阵列（2）、主传感器（5）组成的传感器群嵌入到仿密质骨外表面的检测位置；
3）使用医用硅胶作为仿生肌肉（3）的制作材料，依照设计的仿生肌肉结构模型利用3D打印制作，采用同样的布置方式将传感器阵列（2）、主传感器（5）组成的传感器群嵌到仿生肌肉（3）的外表面;
4）在仿生肌肉（3）表面包裹层人造皮肤（4），将样品制作成模拟完整生物肢体结构的仿生骨骼样品。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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