CN218331045U - 动态压剪耦合加载装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种动态压剪耦合加载装置，其中所述装置包括：摆锤、导轨、活塞、平板腔、活细胞、耗散箱；其中，所述导轨和所述平板腔相对设置，所述导轨内设置有子弹；所述活塞设置在所述平板腔的第一端；所述耗散箱的底部固定有活细胞；所述平板腔的第二端与所述耗散箱的内部相连通，使得所述平板腔和所述耗散箱内的溶液能够相互流动；其中，所述摆锤撞击所述子弹，所述子弹在所述导轨内前进并撞击所述活塞产生弱激波，所述弱激波在所述平板腔中传播至所述耗散箱中耗散，所述弱激波在所述平板腔传播时对所述活细胞施加动态压缩和剪切力。通过本申请能够获取到包括活细胞在内的微米级超软材料在动态下的应力应变力学行为关系。
Description
技术领域
本实用新型涉及力学性能测试技术，尤其涉及一种动态压剪耦合加载装置。
背景技术
在发育、分化、生理和疾病过程中，细胞不仅接收化学信号，还接收来自细胞外基质和周围环境的机械信号。机械力是有经验的，可能被解释为在细胞中产生生物反应。细胞中的这些表型和功能变化包括一系列途径，如基因表达级联、蛋白质合成、增殖和运动，这些途径暂时甚至永久改变细胞状态。从力学的角度来看，细胞是一种特殊的材料，尽管细胞比金属和玻璃等普通材料复杂得多。在大多数病理过程中，细胞的力学性质并不稳定，如转移、哮喘、镰状细胞贫血和凋亡。因此，了解细胞的力学行为可以提供一个独特的视角来描述疾病的机制和生物材料的基本机制，因为细胞是生命的基本单位。
在探索细胞力学和建立细胞的应力-应变关系时，面临的挑战是如何在组织/单层/细胞上适当施加可控力，并在单细胞尺度下捕获其实时应变场。基于这些追求，提出了各种合理的假设，主要基于研究规模视角，以及相应的机械方法，包括机械方法和生物方法。
借助图像处理算法，原子力显微镜(AFM)、微吸管抽吸(MA)和微流控平台是向细胞施加压缩/拉伸或剪切应力的最常用和有效的机械工具。此外，为了提高准确性和收集更多信息，还设计了一些改进的技术和方法，如磁扭转细胞仪(MTC)、单轴拉伸流变仪(USR)等。通过这些静态或准静态力学实验，可以认为细胞的力学行为可能是粘弹性材料。然而，那些探索分离活细胞的应力-应变关系的实验还没有达到动态条件或更高的应变率。通常，材料(包括活细胞)的动态加载过程与静态或准静态情况有很大不同。一个生动的例子是，准静态变形情况是一系列平衡状态，其中材料力学方程是生效的。相反，动态加载过程可以被视为应力波以声速在物体中传播。一旦外部以很高的速率传递变形，导致物体的一部分受到应力，其他部分还没有受到影响。因为细胞具有感知机械行为的能力，并能快速反应以适应这种机械环境。受动态加载过程影响的细胞可能表现出不同的力学行为，而不是粘弹性材料。此外，动态过程下的应力应变关系是单细胞本构方程的重要组成部分。因此，开发在细胞上施加动态应力的方法将对细胞力学研究领域做出重大贡献。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于提供一种动态压剪耦合加载装置，以解决现有技术存在的无法测定细胞动态范围的应力应变的问题。
根据本实用新型实施例提出一种动态压剪耦合加载装置，用于测定微米级超软材料在动态压剪耦合加载下的应力应变本构力学行为，所述装置包括：摆锤、导轨、活塞、平板腔、活细胞、耗散箱；其中，所述导轨和所述平板腔相对设置，所述导轨内设置有子弹；所述活塞设置在所述平板腔的第一端；所述耗散箱的底部固定有活细胞；所述平板腔的第二端与所述耗散箱的内部相连通，使得所述平板腔和所述耗散箱内的溶液能够相互流动；其中，所述摆锤撞击所述子弹，所述子弹在所述导轨内前进并撞击所述活塞产生弱激波，所述弱激波在所述平板腔中传播至所述耗散箱中耗散，所述弱激波在所述平板腔传播时对所述活细胞施加动态压缩和剪切力。
其中，所述装置还包括：高频压力传感器和高频数据采集系统，所述高频压力传感器设置在靠近所述活细胞的位置且所述高频压力传感器与所述高频数据采集系统连接。
其中，所述装置还包括：拍摄装置，用于采集活细胞在侧面和底面两个视角下的形变场数据。
其中，所述子弹的口径小于所述活塞的口径。
其中，所述平板腔内充满溶液。
根据本实用新型的技术方案，通过压力传感器获取实时的应力数据，通过高速摄像机获取了两个视角下的形变数据可用于重构三维形变模型，并计算获取到包括活细胞在内的微米级超软材料在动态下的应力应变力学行为关系。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1是根据本实用新型一个装置实施例的示意图；
图2是根据本实用新型另一个装置实施例的示意图；
图3是根据本实用新型一个方法实施例的流程图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型具体实施例及相应的附图对本实用新型技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
以下结合附图，详细说明本实用新型各实施例提供的技术方案。
对于包括活细胞在内的微米级超软材料，在目前的工作中，申请人提出了一种在正常条件下对包括活细胞在内的微米级超软材料施加动态压剪耦合载荷的新方法，并将该材料刚度张量的分段函数范围扩展到更高的应变率(应变率大于1)。这种新方法的基础是瞬变流理论，或者更详细地说，是弱激波理论(“弱”表示冲击压缩产生的热能与粘性流体中传播的流体的总内能相比很小，这将在边界层内突然产生压缩应力和剪切应力)。该方法可用于探索动态过程下的应力-应变关系，有助于理解包括活细胞在内的微米级超软材料在动态载荷下的应力应变本构行为。
此外，水锤理论还保证了通过改变弹丸的速度可以精确控制微弱冲击波的振幅来重复输入扰动。简而言之，该方法包括两个部分，应力加载部分负责加速弹丸撞击充满流体的微通道，在该微通道底部植入活细胞，而应变采集部分配备有高速摄像机，并借助图像处理算法。实际上，一旦遵循这些假设和要求，设计的细节是可以具体调整的。
根据本实用新型实施例提供了一种动态压剪耦合加载装置，用于测定微米级超软材料在动态压剪耦合加载下的应力应变本构力学行为。
参考图1，所述动态压剪耦合加载装置包括有轴向设置的：摆锤1、导轨3、平板腔5和耗散箱9。其中，导轨3内设置有子弹2，子弹2位于导轨3的第一端；导轨3的第二端与平板腔5的第一端相对，平板腔5的第一端设置有活塞4，活塞4封闭平板腔5的第一端。平板腔5的第二端与耗散箱9相对，平板腔5的第二端与耗散箱9的内部相连通，耗散箱9的上部为开放的，使得平板腔5和耗散箱9内的溶液8能够相互流动。由于耗散箱9的高度高于平板腔5的高度，因此溶液8能够充满整个平板腔5且平板腔5内无气泡。在本申请实施例中，摆锤1的锤头、子弹2和活塞4呈同轴心线设置，并且摆锤1的锤头略小于子弹2的口径，子弹2的口径略小于活塞4的口径，以保证撞击不会出现偏差。其中，子弹2和活塞4的截面可为矩形。
继续参考图1，耗散箱9的底部固定有活细胞6，在活细胞6略靠前的位置设置有高频压力传感器7，高频压力传感器7用于记录动态压缩应力的实时数据，并将实时数据发送至高频数据采集系统10。需要说明，平板腔5和耗散箱9的制造材料可以是高透光率且较硬的材料，以允许拍照透光和无形变影响细胞，例如有机玻璃是最佳的材料选择。
在进行加载时，摆锤1的锤头撞击子弹2，子弹2在导轨3内向前移动并撞击活塞4在溶液8中产生弱激波，该弱激波通过溶液8在平板腔5中传播，弱激波通过溶液8传播至耗散箱9中后被耗散且无发射。弱激波在平板腔5中的溶液传播时对活细胞施加动态压缩和剪切力。加载的压缩应力数据通过压力传感器获取，剪切数据通过CFD计算获取，具体获取方法为：参考水锤模型的CFD仿真方法，在ANSYS/FLUENT中建立与平板腔5内径同等大小的液体模型，该液体模型的物理属性与实际液体属性相同，边界条件的设置为：入口压力设置为高频压力传感器7实际测得的压力数据，边界设置为无滑移的固支边界，出口设置为一个大气压的压力数值，使用SIMPLE求解器，最终计算得到剪切应力数据。
参考图2，根据本申请实施例的动态压剪耦合加载装置还包括有拍摄装置，拍摄装置具体包括：具有高精度显微镜头12的第一高速摄像机11、具有高精度显微镜头14的第二高速摄像机13和图像数据采集系统15。其中，第一高速摄像机11用于采集活细胞6在底面视角下的形变场数据，第二高速摄像机13用于采集活细胞在侧面视角下的形变场数据。在实际应用时，高速摄像机11和13通过高频压力传感器7的数据信号来延时触发获取活活细胞6在动态压剪耦合作用下的形变场数据，该数据由图像数据采集系统13实时记录。
图3是根据本申请实施例的动态压剪耦合加载方法，用于测定微米级超软材料在动态压剪耦合加载下的应力应变本构力学特性。参考图3，该方法包括以下步骤：
步骤S302，相对设置导轨和平板腔，在所述导轨内设置子弹；
步骤S304，在所述平板腔的第一端设置活塞，将所述平板腔的第二端与耗散箱的内部相连通，使得所述平板腔和所述耗散箱内的溶液相互流动；其中所述耗散箱的底部固定有活细胞；在进行实验时，在耗散箱的底部壁面种植活细胞，贴壁细胞会在约一小时左右静置后自己贴附在壁面。
步骤S306，使所述子弹在所述导轨内前进并撞击所述活塞产生弱激波，所述弱激波在所述平板腔中传播至所述耗散箱中耗散，所述弱激波在所述平板腔传播时对所述活细胞施加动态压缩和剪切力。
其中，所述方法还包括：在靠近所述活细胞的位置设置高频压力传感器；通过所述高频压力传感器采集压缩应力的实时数据，并发送至高频数据采集系统，所述高频数据采集系统可为现有技术中的高频数据采集系统，不再赘述。
其中，所述方法还包括：在活细胞的侧面和底面分别设置高速摄像机，采集活细胞在侧面和底面两个视角下的形变场数据。
本实用新型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。
本实用新型利用弱激波在粘性液体中传播会对壁面施加动态的压缩和剪切应力的理论特性，同时，液体加载可以规避包括活细胞在内的微米级超软材料的尺寸过小、波阻抗过低和难夹持等的困难点。摆锤的加载方法简易且方便改变初始动能，便于模拟更多的压力场景。在保证溶液和活细胞在内的微米级超软材料可以正常共存的要求下，可以通过直接更换粘性不同的溶液来单独调节动态剪切应力的数据。此外，通过压力传感器获取了实时的应力数据，通过高速摄像机获取了两个视角下的形变数据可用于重构三维形变模型等，最后计算获取到包括活细胞在内的微米级超软材料在动态下的应力应变力学行为关系。
尽管已经参考本申请的特定实施例详细地描述本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离实施例的精神和范围的情况下可以在其中进行各种改变和修改。因此，本申请旨在覆盖本申请的修改和变化，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求以及其等效物的范围之内。
此外，在以上描述或权利要求书或附图中公开、以其特定形式或根据用于执行所公开功能的方式或用于获得所公开结果的方法或过程表达的特征视情况可以单独地或以这些特征的任何组合来用于以它们的不同形式实现本申请。具体来说，本申请所描述的任一个实施例的一个或多个特征可以与本申请所描述的任何其它实施例的一个或多个特征组合。
还可以为结合本申请引用和/或通过引用合并的任何一个或多个公开文件中公开的任何特征寻求保护。
Claims (5)
1.一种动态压剪耦合加载装置，用于测定微米级超软材料在动态压剪耦合加载下的应力应变本构力学行为，其特征在于，所述装置包括：
摆锤、导轨、活塞、平板腔、活细胞、耗散箱；其中，所述导轨和所述平板腔相对设置，所述导轨内设置有子弹；所述活塞设置在所述平板腔的第一端；所述耗散箱的底部固定有活细胞；所述平板腔的第二端与所述耗散箱的内部相连通，使得所述平板腔和所述耗散箱内的溶液能够相互流动；
其中，所述摆锤撞击所述子弹，所述子弹在所述导轨内前进并撞击所述活塞产生弱激波，所述弱激波在所述平板腔中传播至所述耗散箱中耗散，所述弱激波在所述平板腔传播时对所述活细胞施加动态压缩和剪切力。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：高频压力传感器和高频数据采集系统，所述高频压力传感器设置在靠近所述活细胞的位置且所述高频压力传感器与所述高频数据采集系统连接。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：拍摄装置，用于采集活细胞在侧面和底面两个视角下的形变场数据。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述子弹的口径小于所述活塞的口径。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平板腔内充满溶液。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202221462955.5U CN218331045U (zh) | 2022-06-13 | 2022-06-13 | 动态压剪耦合加载装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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| CN218331045U true CN218331045U (zh) | 2023-01-17 |
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| CN202221462955.5U Active CN218331045U (zh) | 2022-06-13 | 2022-06-13 | 动态压剪耦合加载装置 |
Country Status (1)
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2022
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