CN112113861A - 基于霍普金森杆的细胞冲击加载装置及其方法 - Google Patents

基于霍普金森杆的细胞冲击加载装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开一种基于霍普金森杆的细胞冲击加载装置及其方法，其中所述装置包括：细胞装载装置、落锤式霍普金森杆；所述落锤式霍普金森杆由近端至远端依次包括：限位块、入射杆、子弹和摆锤；所述入射杆的近端包括一凸台部，所述限位块具有一圆孔，所述凸台部穿过所述限位块的圆孔并与所述细胞装载装置相对；所述摆锤以预定角度下落并撞击所述子弹，所述子弹被撞击后进而撞击所述入射杆，所述入射杆被撞击后进而撞击所述细胞装载装置，从而对所述细胞装载装置进行应力波加载；其中，所述入射杆的近端与所述限位块之间具有一限位距离，所述限位距离与所述摆锤的下落角度相对应。通过本申请能够实现对离体细胞进行有效稳定的单次应力波加载。

Description

基于霍普金森杆的细胞冲击加载装置及其方法
技术领域
本发明涉及生物力学的冲击损伤技术，尤其涉及一种基于霍普金森杆的细胞冲击加载装置及其方法。
背景技术
在生物力学领域，冲击损伤是一种特色损伤类型，它是一系列复杂的物理损伤效应的叠加表现。多尺度模型是研究冲击损伤机制的必备条件，体外模型可以在极少干扰因素下进行机制机理研究，能够稳定、准确有效的对冲击物理环境进行模拟是整个体外模型的基石。故而开发建立细胞适用的冲击平台是至关重要的。
目前有两种有效可控的物理环境模拟方式：
(1)脉冲加载(Impulse Loading)：采用激波管、开放式爆炸场等可控有效的物理环境模拟方式来建立稳定的动物整体损伤模型和活体组织切片模型；
(2)局部加载(Localized Loading)，也称为液压冲击(Fluid Percussion)：基于霍普金森杆来对物体施加可控稳定的冲击力，以建立可测稳定的体外模型和动物脑损伤模型。液压冲击是将脉冲加载的原理应用到体外等小尺度模型上，两者是对冲击损伤模型的不同尺度模拟，实现对多尺度模型的连接作用。霍普金森杆是目前最有效最广泛使用的冲击力学应力加载平台，它可以便捷有效的对脉宽、幅值、冲量及加速度等物理参数进行调控，以建立符合各种冲击情况的体外细胞模型。
但是，对离体细胞的单次应力波加载的问题，现有技术中尚未提供有效的解决方案。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于霍普金森杆的细胞冲击加载装置及其方法，以解决现有技术存在的无法对离体细胞的进行单次应力波加载的问题。
根据本发明的一个方面，提出一种基于霍普金森杆的细胞冲击加载装置，其包括：细胞装载装置、落锤式霍普金森杆；所述落锤式霍普金森杆由近端至远端依次包括：限位块、入射杆、子弹和摆锤；所述入射杆的近端包括一凸台部，所述限位块具有一圆孔，所述凸台部穿过所述限位块的圆孔并与所述细胞装载装置相对；所述摆锤以预定角度下落并撞击所述子弹，所述子弹被撞击后进而撞击所述入射杆，所述入射杆被撞击后进而撞击所述细胞装载装置，从而对所述细胞装载装置进行应力波加载；其中，所述入射杆的近端与所述限位块之间具有一限位距离，所述限位距离与所述摆锤的下落角度相对应。
其中，所述入射杆的近端与所述限位块之间的限位距离小于1.5mm，所述摆锤撞击所述子弹的预定角度范围介于20-80度之间。
其中，所述入射杆、所述子弹和所述摆锤同轴设置。
其中，所述限位块的圆孔的直径大于所述凸台部的直径但小于入射杆的本体的直径。
其中，所述细胞冲击加载装置还包括：流体压力传感器和数据采集器；所述流体压力传感器与所述细胞装载装置的压力输出端连接，所述流体压力传感器用于测量所述细胞装载装置内液体的压力数据，并将所述压力数据发送至所述数据采集器；所述数据采集器接收所述应变片测量的入射波信号；所述数据采集器将所述流体压力传感器测量的压力数据转换为反射波信号，并根据所述入射波信号和所述反射波信号确定所述细胞装载装置的透射波信号。
根据本发明的另一个方面，提出一种基于霍普金森杆的细胞冲击加载方法，其包括：提供落锤式霍普金森杆，所述落锤式霍普金森杆由近端至远端依次包括：限位块、入射杆、子弹和摆锤；所述入射杆的近端包括一凸台部，所述限位块具有一圆孔；将所述入射杆的凸台部穿过所述限位块的圆孔并与一细胞装载装置的压力输入端相对；使所述摆锤以预定角度下落并撞击所述子弹，所述子弹被撞击后进而撞击所述入射杆，所述入射杆被撞击后进而撞击所述细胞装载装置，从而对所述细胞装载装置进行应力波加载；其中，所述入射杆的近端与所述限位块之间具有一限位距离，所述限位距离与所述摆锤的下落角度相对应。
其中，所述入射杆的近端与所述限位块之间的限位距离小于1.5mm，所述摆锤撞击所述子弹的预定角度范围介于20-80度之间。
其中，所述入射杆、所述子弹和所述摆锤同轴设置。
其中，所述限位块的圆孔的直径大于所述凸台部的直径但小于入射杆的本体的直径。
根据本发明的技术方案，通过落锤驱动子弹撞击入射杆以直接产生应力波，然后通过限位块对入射杆做一次位移限位以实现仅有单脉冲应力波从入射杆输入到细胞装载装置，以实现对细胞装载装置的液体内的细胞的单次加载，通过限位块对入射杆做限位使入射杆仅有一次完整脉冲的应力波信号透射到细胞装载装置，实现对离体细胞进行有效稳定的单次应力波加载。
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，本发明的示意性实施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。在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的加载装置的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的入射杆与限位块的示意图；
图3是根据本发明实施例的限位块的示意图；
图4根据本发明实施例的细胞装载装置的示意图；
图5是根据本发明另一个实施例的加载装置的结构示意图；
图6是根据本发明实施例的加载方法的流程图；
图7是撞击所产生的并在入射杆上传播的和最后传播到液体内的应力波曲线的示意图；
图8是透射波的压力值与液体内压力值的标准曲线的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
根据本发明实施例提供了一种基于霍普金森杆的细胞冲击加载装置，其包括：细胞装载装置、落锤式霍普金森杆。在本申请实施例中，落锤式霍普金森杆以落锤撞击的方式产生应力波，该应力波传播至细胞装载装置。应力波由细胞装载装置的压力输入端传导至装置内的液体，实现对液体内的细胞的单次应力波加载。其中，应力波幅值可以通过调整摆锤撞击的幅度以进行控制，应力波宽度可以通过调整子弹的长度以进行控制。
参考图1，根据本申请实施例的加载装置包括：细胞装载装置2和落锤式霍普金森杆，其中落锤式霍普金森杆由近端至远端依次包括：限位块3、入射杆6、子弹7、摆锤8。
在本申请实施例中，入射杆6、子弹7同轴水平设置，子弹7的近端与入射杆6的远端相对，入射杆6的远端与子弹7的近端之间保持一个间距，例如可以是5cm、4cm或其他数值。在本申请的某些实施例中，所述摆锤8包括撞击部以及支撑部，支撑部与撞击部之间垂直固定，支撑部将摆锤固定，撞击部用于撞击子弹7。在初始状态下，支撑部与水平垂直，撞击部与水平平行，在本文的描述中，除非特殊说明的情况下，所述摆锤都是指摆锤的撞击部。在初始状态下(即未开始细胞冲击加载之前)，摆锤8与子弹7的远端同轴接触，此处的接触是指接触的面没有压力产生。
在入射杆6的近端设置有限位块3，限位块3具有一定质量，将限位块3进行固定设置，也就是说，限位块3相对落锤式霍普金森杆的其他部件来说是固定的。在进行细胞冲击加载时，入射杆6、子弹7和摆锤8都是运动的，但限位块3是固定不动的。
图2示出入射杆穿过限位块的侧视图。如图所示，入射杆6包括入射杆本体61和设置在本体61近端处的凸台部62，在实际应用中，入射杆本体61和凸台部62可以一体成型为入射杆6。凸台部62为一圆柱凸台，凸台部61的直径小于入射杆本体61的直径，例如，凸台部的62的直径介于8-10mm之间；并且，凸台部62的长度大于限位块3的厚度，例如，凸台部的62长度介于18-25mm之间。图3示出限位块的正面的示意图，如图所示，在限位块3靠上的中部位置具有一圆孔31，该圆孔31的直径大于凸台部62的直径但小于入射杆本体61的直径，以使凸台部62能够穿过圆孔31但入射杆本体61不能够穿过。所述凸台部62穿过所述限位块3的圆孔31，使凸台部62的近端与细胞装载装置2的压力输入端(远端)接触，此处的充分接触是指接触的面没有压力产生。例如，凸台部的62的直径介于8-10mm之间，长度介于18-25mm之间。
在本申请的某些实施例中，入射杆本体61的直径可略大于或等于子弹7的直径，例如两者的直径可以介于12mm-20mm之间；而入射杆本体61的长度可大于三倍子弹7的长度，例如子弹7的长度可以介于40-80cm之间。入射杆6实际产生的应力波宽度可以通过子弹的长度进行控制。
继续参考图2，在所述入射杆本体61的近端与所述限位块3之间具有一距离D。具体来说，在入射杆6的凸台部62穿过圆孔31并与细胞装载装置2充分接触的情况下，入射杆本体61的近端与限位块3的相对入射杆6的一端，具有一较小的间隙距离D，该距离D称为限位距离，例如限位距离D小于1.5mm。限位距离使得仅有一次完整脉冲的应力波信号从入射杆6透射到细胞装载装置2。在进行细胞冲击加载时，入射杆6被子弹7撞击后进而撞击细胞装载装置2，而由于限位块3的作用，使得入射杆6运动的距离为距离D。也就是说，通过限位块3对入射杆6进行限位，使入射杆6仅有一次完整脉冲的应力波信号透射到细胞装载装置2，确保了对细胞装载装置2进行单次应力波加载。
在本申请的某些实施例中，限位块3、入射杆6、子弹7和摆锤8可采用相同的材料制造，例如钛合金。在本申请的另一些实施例中，限位块3也可采用与入射杆6、子弹7和摆锤8不同的材料制造。
参考图4，细胞装载装置2包括压力输入端22和压力输出端21，细胞装载装置2内储存有包括细胞的液体，本申请对于细胞类型不进行限定。压力输入端22与入射杆6相接触，压力输入端22的直径略小于，压力输入端22用于接收从入射杆6传导的应力波并将应力波传入到细胞装载装置2内的液体。需要说明，在进行细胞冲击加载时需要将细胞装载装置2的压力输出端21密封以防止污染细胞。在实际应用中，细胞装载装置2可使用医用注射器实施，压力输入端22即为注射器的推头，在本申请的一些实施例中，推头的直径略小于入射杆6的凸台部62的直径。
参考图5，在图1所示实施例的基础上，所述加载装置包括：流体压力传感器1、应变片5、数据采集器4。
其中，应变片5设置在入射杆6上，应变片5可轴向粘贴于入射杆6的中间段上。应变片5通过数据线与数据采集器4的信号输入端连接，应变片5用于测量入射杆6上产生的入射波的大小。
流体压力传感器1用于测量细胞装载装置2内的液体的压力值。在对细胞装载装置2内的液体进行压力标定时，流体压力传感器1与细胞装载装置2的压力输出端连接，通过数据线流体压力传感器1与数据采集器4的信号输入端连接，在进行细胞冲击加载时需要将注射器2的针头端密封以防止污染细胞。
在进行撞击加载时，需要设置摆锤8的撞击角度。摆锤8与垂直方向之间的角度被称为撞击角度。撞击角度与限位距离相对应，这样能成功实现对入射杆6进行单次位移限位，从而保证仅有单次应力波从入射杆6透射到注射器2中。实际产生的应力波幅值可以通过调整落锤摆动的幅度以进行控制。在本申请的某些实施例中，摆锤8的撞击角度范围介于20-80度之间，入射杆6的近端与限位块3之间的限位距离范围为0.5mm-1.2mm；优选地，摆锤8的撞击角度是60度，入射杆6的近端与限位块3之间的限位距离是0.9mm。在实际应用中，入射杆6的近端与限位块3之间的限位距离可使用卡尺测量调整。
在进行加载时，摆锤8在撞击角度被释放，摆锤8自由下落并撞击子弹7，接着子弹7撞击入射杆6，入射杆6被撞击后继续撞击细胞装载装置2。其中入射杆6被撞击后产生应力波，入射杆6在将第一个完整压缩波输入到细胞装载装置2的推头后即被限位块3所阻挡限制位移，并不再对细胞装载装置2作用，细胞装载装置2的推头再将该压缩波输入到细胞装载装置2的液体内，这样就实现了对细胞装载装置2内液体的单次应力波加载。数据采集器4通过粘贴在入射杆6上的应变片5和与细胞装载装置2相连接的流体压力传感器1将入射波和液体中压力信号转换成电压信号记录下来。
数据采集器4将记录的电压信号换算成压力信号，通过应力波传播基础理论计算透射波信号，即入射杆2上的入射波信号减去反射波信号，透射波即是对针筒2的应力波输入量，将透射波信号与液压信号做成标准曲线，以在细胞冲击实验时对细胞液内压力做直接计算。
参考图6，根据本申请实施例的加载方法包括：
步骤S602，提供落锤式霍普金森杆，所述落锤式霍普金森杆由近端至远端依次包括：限位块、入射杆、子弹和摆锤；其中，所述入射杆的近端包括一凸台部，所述限位块具有一圆孔；
其中，所述入射杆、所述子弹和所述摆锤同轴设置。
步骤S604，将所述入射杆的凸台部穿过所述限位块的圆孔并与细胞装载装置的压力输入端相对；
其中，所述限位块的圆孔的直径大于所述凸台部的直径但小于入射杆的本体的直径。
步骤S606，使所述摆锤以预定角度下落并撞击所述子弹，所述子弹被撞击后进而撞击所述入射杆，所述入射杆被撞击后进而撞击所述细胞装载装置，从而对所述细胞装载装置进行应力波加载。其中，所述入射杆的近端与所述限位块之间具有一限位距离，所述限位距离与所述摆锤的下落角度相对应。
在一个或多个实施例中，所述加载方法还包括：提供流体压力传感器和数据采集器，所述流体压力传感器与所述细胞装载装置的压力输出端连接，所述流体压力传感器用于测量所述细胞装载装置内液体的压力数据，并将所述压力数据发送至所述数据采集器；在所述入射杆上设置应变片，该应变片用于测量入射杆上的入射波信号，所述数据采集器接收所述应变片测量的入射波信号，并将将所述流体压力传感器测量的压力数据转换为反射波信号，并根据所述入射波信号和所述反射波信号确定所述细胞装载装置的透射波信号。
下面结合图7和图8说明本发明实施例。图7是摆锤驱动子弹撞击入射杆一端所产生并在入射杆上传播的和最后传播到液体内的应力波曲线，其中，横坐标表示时间，单位为s，纵坐标表示压力，单位为KPa；其中，深色表示入射杆上的压力信号，对应左纵坐标轴压力值；浅色表示流体压力传感器上的液体压力信号，对应右边纵坐标轴压力值。通过入射杆上粘贴的应变片测出入射杆上的应力波，通过流体压力传感器测出液体内的应力波信号，入射杆上的第二个压缩波在端面反射后依然是一个压缩波信号，这说明此刻入射杆与针筒接触的一端被限位块完全限制位移为固支面，说明仅有第一个压缩波信号被输入到针筒中；液压传感器的信号仅有一个波峰，这说明针筒内液体中应力波为单次应力波，实现了对针筒内液体的单次应力波加载。
图8是透射波的压力值与液体内压力值的标准曲线，其中，横坐标表示透射波的压力值，单位为KPa，纵坐标表示液压传感器的压力值，单位为KPa，线性拟合曲线为标准曲线，公式为y＝1.22x-365。入射杆上的入射信号减去反射信号就是透射到针筒的透射信号，这是对针筒内压力的真实输入量，它与液压传感器的压力信号呈线性关系，公式为y＝1.22x-365，这说明本发明装置和方法的可行性和高稳定性，可以直接通过入射杆上信号对针筒内液体中压力进行计算。
本发明的方法的操作步骤与装置的结构特征对应，可以相互参照，不再一一赘述。
本发明通过限位块对入射杆做限位使其仅有一次完整脉冲的应力波信号透射到针筒，确保了对针筒做单次应力波加载。其次，通过入射杆应变信号与液体传感器压力即液体内压力进行对应，即直接将入射杆的应力波信号与透射到液体中的应力波信号进行对应，提高了实验的准确性和重复性。最后，采用医用针筒装载细胞液，并直接与入射杆连接，使整个细胞冲击装置简洁降低应力波传播过程复杂度易于做理论分析和标定，且有效减少了整个实验时间。由于以上优点，本发明可以实现对离体细胞进行有效稳定的单次应力波加载。
本领域技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上所述仅为本发明的实施例而已，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于霍普金森杆的细胞冲击加载装置，其特征在于，包括：细胞装载装置、落锤式霍普金森杆；
所述落锤式霍普金森杆由近端至远端依次包括：限位块、入射杆、子弹和摆锤；所述入射杆的近端包括一凸台部，所述限位块具有一圆孔，所述凸台部穿过所述限位块的圆孔并与所述细胞装载装置相对；
所述摆锤以预定角度下落并撞击所述子弹，所述子弹被撞击后进而撞击所述入射杆，所述入射杆被撞击后进而撞击所述细胞装载装置，从而对所述细胞装载装置进行应力波加载；
其中，所述入射杆的近端与所述限位块之间具有一限位距离，所述限位距离与所述摆锤的下落角度相对应。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述入射杆的近端与所述限位块之间的限位距离小于1.5mm，所述摆锤撞击所述子弹的预定角度范围介于20-80度之间。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述入射杆、所述子弹和所述摆锤同轴设置。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述限位块的圆孔的直径大于所述凸台部的直径但小于入射杆的本体的直径。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：设置在所述入射杆上的应变片，所述应变片用于测量入射杆上的入射波信号。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：流体压力传感器和数据采集器；
所述流体压力传感器与所述细胞装载装置的压力输出端连接，所述流体压力传感器用于测量所述细胞装载装置内液体的压力数据，并将所述压力数据发送至所述数据采集器；所述数据采集器接收所述应变片测量的入射波信号；
所述数据采集器将所述流体压力传感器测量的压力数据转换为反射波信号，并根据所述入射波信号和所述反射波信号确定所述细胞装载装置的透射波信号。
7.一种基于霍普金森杆的细胞冲击加载方法，其特征在于，包括：
提供落锤式霍普金森杆，所述落锤式霍普金森杆由近端至远端依次包括：限位块、入射杆、子弹和摆锤；所述入射杆的近端包括一凸台部，所述限位块具有一圆孔；
将所述入射杆的凸台部穿过所述限位块的圆孔并与一细胞装载装置的压力输入端相对；
使所述摆锤以预定角度下落并撞击所述子弹，所述子弹被撞击后进而撞击所述入射杆，所述入射杆被撞击后进而撞击所述细胞装载装置，从而对所述细胞装载装置进行应力波加载；
其中，所述入射杆的近端与所述限位块之间具有一限位距离，所述限位距离与所述摆锤的下落角度相对应。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述入射杆的近端与所述限位块之间的限位距离小于1.5mm，所述摆锤撞击所述子弹的预定角度范围介于20-80度之间。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述入射杆、所述子弹和所述摆锤同轴设置。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述限位块的圆孔的直径大于所述凸台部的直径但小于入射杆的本体的直径。
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