CN1987408B - 生物软组织拉伸试验用冷冻夹头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物软组织拉伸试验用冷冻夹头，包括一个金属管，金属管外有夹套，金属管与夹套之间构成密封的腔室形成蒸发管用于通入制冷剂，夹套上连接有制冷剂入口管和制冷剂出口管与所述的腔室相通。本发明的这种生物软组织拉伸试验用冷冻夹头结构简单，成本低，且不会在软组织的被夹持部分产生应力集中问题。

Description

生物软组织拉伸试验用冷冻夹头

技术领域

本发明用途涉及一种工具，应用于生物力学测试，具体来说是一种在生物力学测试中夹持生物软组织的夹具，能够牢固抓持软组织而又不破坏软组织本身，是理想的生物力学测试用夹具。

背景技术

在生物力学试验中经常会碰到生物软组织夹持固定的问题，普通的夹具与软组织接触后容易产生应力集中而破坏组织，影响力学测试的准确度。在获取微小软组织生物力学数据的实验过程中，软组织柔软的粘弹特性给夹持固定带来很大困难。传统的夹持方法都是采用坚硬的金属夹具对组织块进行钳夹，对于硬度高的组织如骨还可行，但对于软组织如肌肉、肌腱、韧带、皮肤等等就很难。夹持的过程中样品容易损伤和滑脱，即使能够夹住，但会在软组织块与夹具接触面上形成应力集中，对材料造成损伤，影响测试数据的准确性。如何能够牢固稳定的抓住试件而又不破试件本身一直是生物力学试验中的难题。

运用冷冻技术提高软组织硬度使之与夹具牢固结合成一体是一种有效的方法。冷冻夹持技术在上个世纪中后期在工业领域有一定范围的运用，但生物力学领域运用较少。上世纪90年代以来，欧美发达国家为此研制了几种冷冻夹持的装置，采用的是电子冷冻技术，能够迅速使被夹持软组织冷冻，但只是用于软组织的抓取，因作用力较小未应用到生物力学测试中。近年美国的BOSE公司生产的一种冷冻夹具(Tissue Grips-Thermal-Electrically Cooled)可以夹持33mm×19mm(宽、厚)的大块软组织，最大夹持力可到2250牛顿。而国内少数几家有实力的单位只能依赖从发达国家进口这种设备来完成实验，价钱非常昂贵。另外，这种夹具只能用于常温环境下夹持加载，不能用于模拟生理条件的37℃水浴环境中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的生物软组织拉伸试验用冷冻夹头，这种冷冻夹头在抓持生物软组织时不会对软组织产生应力集中，因而不会由于夹持而对软组织造成破坏，并且结构很简单，成本低廉。

本发明采用如下技术方案：一种生物软组织拉伸试验用冷冻夹头，包括一个金属管，金属管外套有夹套，金属管与夹套之间构成密封的腔室形成蒸发管用于通入制冷剂，夹套上连接有制冷剂入口管和制冷剂出口管与所述的腔室相通。

为了使其能够用于37℃水浴环境中，本发明还对这种冷冻夹头做了进一步的改进，即还包括一个防水隔热外套，所述的夹套被封装在该防水隔热外套内，所述的金属管一端位于防水隔热外套内且该端管口与防水隔热外套端部的通孔相对，管口与防水隔热外套之间有密封圈，所述金属管另一端以及制冷剂入口管和制冷剂出口管穿出于该隔热外套之外，在所述的防水隔热外套与所述的夹套之间填充有保温材料或形成真空。

本发明的这种生物软组织拉伸试验用冷冻夹头，包括一个金属管以及金属管外的夹套形成的蒸发管，使用时将该蒸发管的制冷剂进、出口管与制冷机组连接，使金属管及夹套之间的空腔作为致冷机组的蒸发器，将软组织拖入金属管内利用制冷剂在该蒸发器内的蒸发带走热量，使软组织及金属管温度降至零度以下，含水的软组织会与金属管冻结粘合在一起，达到实现抓持软组织的目的，这种固定方式未对软组织施加夹紧压力，因此解冻后也能保证试件的完好无损，克服了现有技术造成软组织应力集中的不足。而作为进一步的改进，由于增加了防水隔热外套并形成了保温隔热层，因此这种夹具还可以用于37℃水浴环境中，能够在模拟生理条件下进行实验，是现有技术所不可比拟的。

附图说明

图1为本发明的一种生物软组织拉伸试验用冷冻夹头的结构示意图。

图2是本发明的一种生物软组织拉伸试验用冷冻夹头的另一种实施方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的生物软组织拉伸试验用冷冻夹头作进一步说明。

如图1和图2所示，是本发明的生物软组织拉伸试验用冷冻夹头，包括一个金属管4构成的冷冻夹持管，金属管4外套有一个夹套5，夹套5两端与金属管外壁连接在一起，或者通过堵塞结构将夹套两端与金属管之间密封住，在金属管4与夹套5之间构成密封的腔室，形成蒸发管用于通入制冷剂，夹套5上连接有制冷剂入口管3和制冷剂出口管8与腔室相通，用于与外围的制冷设备连接向金属管4与夹套5之间构成的蒸发管内通入制冷制。金属管4的前端形成软组织夹持孔1用于插入软组织。为便于将软组织用细丝、线等方便地引入金属管4内，金属管4另一端可以开放以形成引导孔14。

使用时将软组织引入金属管4一端的软组织夹持孔1内，通过制冷剂入口管3通入制冷剂，并使制冷剂充盈夹套5与金属管4之间的腔室，利用液态制冷剂在该腔室内减压汽化迅速带走蒸发管的热量并使之温度降低，并沿制冷剂出口管8回收入制冷设备的压缩机内进行下次循环。利用该制冷过程使金属管4的温度降低至零度以下，例如降低至-10℃，最低可达-20℃(温度降低的程度取决于蒸发管的容积大小和制冷剂的性能)。由于作为软组织夹持管的金属管4的内壁并非是一个绝对光滑面，所以当其与含水的软物接触后软物就会与铜管内壁镶嵌对合。当金属管4的温度降到零度以下后，软组织与金属管4内壁的粘合面会凝固成一个坚硬的实体，金属管4构成的软组织夹持管就是靠低温下形成的粘合来实现抓持软组织块的。这种方法能够将应力均匀的传递到整个试件，没有夹持压力造成的应力集中，解冻后也能保证试件的完好无损，是一种理想的夹持方法。

由于很多试验是在37℃的水中进行的，以在一定程度上模拟生理条件下生物组织的受力情况，提高试验水平。作为本发明进一步的改进，还包括一个防水隔热外套7，夹套5被封在该防水隔热外套7内，金属管4一端位于防水隔热外套7内且在防水隔热外套端部有通孔与金属管4该端的软组织夹持孔1的管口相对。为了防止水进入防水隔热外套7与蒸发管之间的空间内，在金属管4端部套有一个密封圈2，以对两者之间的间隙进行密封。为了加工方便，隔热外套7为筒状，其开口一端通过防水隔热外套盖9进行封闭。金属管4另一端以及制冷剂入口管3和制冷剂出口管8穿出于该防水隔热外套盖9之外。在防水隔热外套7与夹套5之间填充有保温材料6或形成真空，构成保温隔热层，使其能够应用于水浴环境中。

力学传感器可以方便地与这种夹头的金属管连接在一起，用于测试拉力和位移的变化。为便于快速和方便地连接，如图1和图2所示，在金属管4穿出于防水隔热外套盖9之外的一端焊接一个连接转换件10，连接转换件10可以无孔，也可以如图1和图2所示设置中孔与金属管4相通以方便引入软组织，连接转换件10另一端设置有内螺纹孔。一个由良好隔热材料例如尼龙或其他树脂材料制成的双头螺丝11，其一个螺纹端12通过外螺纹连接在连接转换件10的内螺纹孔一端，另一个螺纹端13如图2所示裸露，可以用于方便地连接力学传感器，此时这种夹头可以作为上夹头使用。通过连接转换件10巧妙地将金属管4与隔热材料制成的双头螺丝11连接起来，且利用隔热双头螺丝实现的金属管与拉力传感器等其他设备之间的隔热。

作为下夹头使用时，也可以如图1所示，还可以设置一个下夹头底座16，下夹头底座16有一个上圆盘通过多颗螺钉固定在防水隔热外套盖9上，或直接固定在防水隔热外套7上。双头螺丝11的螺纹端13是连接在下夹头底座16及下夹头底座下圆盘19上，下夹头底座16端部的下圆盘19上设置穿过固定螺栓用的通孔20，而通过下夹头底座下圆盘19可以方便地固定于力学测试机平台上，保证了冷冻夹持管轴向稳定性，同时通过旋转双头螺丝11可以调节金属管4与防水隔热外套7之间的密封性。双头螺丝11同样可以设置轴心孔以方便引入软组织，当然也可以不设置轴心孔用其它方式将软组织夹持孔内。

如图1所示，还可以根据需要设置与双头螺丝11相对的通孔以用工具引入软组织到软组织夹持孔1内。下夹头底座16套装在连接转换件10及双头螺丝之外，且在下夹头底座16设置孔用于将制冷剂入口管3和制冷剂出口管8引出。

双头螺丝11的螺纹端12为反牙，螺纹端13为正牙，以便于在不转动夹头、传感器和底座的情况下进行连接。

金属一般都具有良好的导热性，能够用作金属管4，本发明的金属管4采用紫铜管，其外径为Φ4mm、内为Φ3mm。夹套5采用外径为Φ20mm紫铜管。这种采用紫铜构成的蒸发管，传热效果好，其金属管4的内径能够满足大部分试验对软组织夹持的要求。对应地防水隔热外套端部为Φ3mm与金属管4内径一致。

制冷剂入口管和制冷剂出口管分别连接在夹套的两端，这种方式相对于其他连接方式来说，能够保证制冷剂流经和充盈整个腔室。本发明的这种生物软组织拉伸试验用冷冻夹头，结构简单，加工制造也比较方便，因而成本较低。另外还可以用于37℃水浴环境中，可以在模拟生理条件进行实验，提高了实验水平，增加了科学研究的意义。

Claims (9)

1.一种生物软组织拉伸试验用冷冻夹头，包括一个金属管，金属管外套有夹套，金属管与夹套之间构成密封的腔室，形成蒸发管用于通入制冷剂，夹套上连接有制冷剂入口管和制冷剂出口管与所述的腔室相通，其特征在于：还包括一个防水隔热外套，所述的夹套被封装在该防水隔热外套内，所述的金属管一端位于防水隔热外套内且在防水隔热外套端部有通孔与金属管该端的管口相对，且该端在金属管与防水隔热外套之间有密封圈，所述金属管另一端以及制冷剂入口管和制冷剂出口管穿出于该隔热外套之外，在所述的防水隔热外套与所述的夹套之间填充有保温材料或形成真空。

2.如权利要求1所述的生物软组织拉伸试验用冷冻夹头，其特征在于：所述的防水隔热外套为筒状，其开口一端用防水隔热外套盖将该开口端密闭，所述的金属管及制冷剂入口管和制冷剂出口管从该防水隔热外套盖穿出。

3.如权利要求1至2中之一所述的生物软组织拉伸试验用冷冻夹头，其特征在于：在所述的金属管穿出于防水隔热外套之外的一端焊接一个连接转换件，连接转换件无孔或设置中孔与金属管相通，连接转换件另一端设置有内螺纹孔，一个由隔热材料制成的双头螺丝一端通过外螺纹结构装配在所述连接转换件的内螺纹孔内。

4.如权利要求3所述的生物软组织拉伸试验用冷冻夹头，其特征在于：所述的双头螺丝设置有轴心孔。

5.如权利要求3所述的生物软组织拉伸试验用冷冻夹头，其特征在于：所述的双头螺丝与所述连接转换件连接的一端为反牙，另一端为正牙。

6.如权利要求3所述的生物软组织拉伸试验用冷冻夹头，其特征在于：还设置有一个下夹头底座，下夹头底座有一个上圆盘通过多颗螺钉固定在防水隔热外套上，下夹头底座另一端的一个下圆盘上设置穿过固定螺栓用的通孔，在下夹头底座设置孔用于将制冷剂入口管和制冷剂出口管引出。

7.如权利要求6所述的生物软组织拉伸试验用冷冻夹头，其特征在于：所述的双头螺丝的一个螺纹端连接在所述的下夹头底座上。

8.如权利要求6所述的生物软组织拉伸试验用冷冻夹头，其特征在于：所述的下夹头底座的下圆盘有通孔与所述的金属管的管口轴向相对。

9.如权利要求1至2中之一所述的生物软组织拉伸试验用冷冻夹头，其特征在于：所述的金属管采用紫铜管，其外径为Φ4mm、内径为Φ3mm；所述的夹套采用外径为Φ20mm紫铜管，所述的制冷剂入口管和制冷剂出口管分别连接在所述夹套的两端。