生物軟組織原位力學(xué)測試：核心概念

• 為什么需要“原位"測試？

• 避免樣本失真：傳統(tǒng)測試需將組織從活體取出，但離體后組織狀態(tài)會(huì)改變，無法代表其真實(shí)的力學(xué)行為。

• 攻克取樣難題：像人體足底軟組織這類組織，幾乎不可能在不影響其功能的前提下取樣。

• 實(shí)現(xiàn)微觀觀測：配合高倍顯微鏡，可以實(shí)時(shí)觀察組織在受力時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)變化，如裂紋萌生、細(xì)胞形變等。

• 測試如何實(shí)現(xiàn)？
  它就像一臺(tái)高度精密、能在顯微鏡下使用的微型“健身器"和“攝像機(jī)"的組合：

1. 微型化設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)：設(shè)備體積小巧，可以放入SEM、AFM等顯微鏡的真空腔內(nèi)。通過滾珠絲杠或電磁力電機(jī)驅(qū)動(dòng)夾具，實(shí)現(xiàn)精確的拉伸、壓縮等動(dòng)作。

2. 保持樣品位置不動(dòng)：采用兩端對(duì)稱加載的方式，確保測試過程中樣品的中心點(diǎn)始終鎖定在顯微鏡的視野中央，便于連續(xù)觀測。

3. 高精度數(shù)據(jù)采集與控制：內(nèi)置高精度傳感器，實(shí)時(shí)記錄力的變化和樣品形變。同時(shí)，通過專業(yè)軟件精確控制加載波形（如正弦波、三角波），模擬復(fù)雜的生理載荷。

4. 模擬生理環(huán)境：通常配備水浴系統(tǒng)，可在37℃的模擬體液（如PBS緩沖液）中進(jìn)行測試，更真實(shí)地模擬生物體內(nèi)環(huán)境。

• 主要測試類型

• 單/雙軸拉伸/壓縮：評(píng)估組織在單一或兩個(gè)垂直方向上的力學(xué)性能。

• 疲勞測試：模擬組織在長期、循環(huán)載荷（如心跳、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)）下的性能退化過程。

• 壓痕測試：用微型探針壓入組織表面，測量其局部硬度等特性。

• 多載荷耦合測試：同時(shí)施加拉伸、壓縮、剪切等多種載荷，模擬真實(shí)復(fù)雜的受力情況。

?? 凱爾測控的原位力學(xué)測試方案

公司背景

凱爾測控（CARE）是一家總部位于天津的國家高新技術(shù)企業(yè)，專注于疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)和原位力學(xué)測試系統(tǒng)的研發(fā)與生產(chǎn)。其核心優(yōu)勢在于自主研發(fā)了電磁力電機(jī)，打破了國外的技術(shù)壟斷，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出原位力學(xué)測試系列產(chǎn)品。

主要設(shè)備系列與參數(shù)

以下是針對(duì)生物軟組織研究的主力機(jī)型。

1. 微型多尺度原位力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng) (IBTC系列)
適用于單軸加載下的微觀力學(xué)研究。

• 技術(shù)特點(diǎn)：微型化設(shè)計(jì)，可兼容SEM、AFM等設(shè)備；采用雙螺紋螺桿對(duì)稱加載，保證樣品中心靜止；具備力、位移、應(yīng)變?nèi)N閉環(huán)控制模式。

• 典型型號(hào) (IBTC-100SL)：

• 最大載荷：100 N

• 載荷精度：優(yōu)于示值±0.2%

• 位移分辨率：0.1 μm

• 凈重：約3.3 kg

• 適用材料：生物材料、水凝膠、高分子薄膜等。

• 可定制液氮低溫臺(tái)、高低溫環(huán)境箱，實(shí)現(xiàn)-196℃~400℃溫控。

2. 原位雙軸力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng) (IPBF系列)
適用于模擬雙軸加載的復(fù)雜受力場景。

• 技術(shù)特點(diǎn)：保持試樣中心不變，便于觀測；選配視頻引伸計(jì)，實(shí)現(xiàn)雙軸應(yīng)變非接觸測量；自帶水浴系統(tǒng)，可模擬生理環(huán)境；搭載多軸材料力學(xué)測試軟件。

• 典型型號(hào) (IPBF-300)：

• 最大載荷：300 N

• 位移分辨率：0.1 μm

• 加載頻率范圍：0.001 Hz ~ 1 Hz

• 作動(dòng)行程：30mm~120mm（水浴環(huán)境最大100mm）。

• 適用材料：生物軟組織、水凝膠薄膜、柔性電子器件等。

3. 配合掃描電鏡的原位拉伸臺(tái)
專為與SEM聯(lián)用而優(yōu)化的測試模塊。

• 技術(shù)特點(diǎn)：可定制尺寸，適配不同SEM載物臺(tái)；具備真空與電磁兼容性，確保SEM成像質(zhì)量。

• 典型型號(hào) (IBTC-3000MINI)：具體參數(shù)可定制。

• 適用材料：生物骨材料、生物軟組織材料、高分子材料等。

• 可定制溫控、DIC等功能。

核心優(yōu)勢與技術(shù)創(chuàng)新

• 對(duì)稱加載技術(shù)：確保樣品中心靜止，是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量原位觀測的核心。

• 高精度與高分辨率：載荷精度可達(dá)0.2%或0.5%，位移分辨率均為0.1μm。

• 多物理場環(huán)境模擬：可集成水浴、高低溫、腐蝕等多種環(huán)境模塊，模擬接近生理的測試條件。

• 自主研發(fā)的控制軟件：提供模塊化、可自定義的試驗(yàn)流程，功能靈活。

?? 應(yīng)用實(shí)例與研究佐證

• 活體組織評(píng)估：一項(xiàng)2024年的研究利用類似DMA的設(shè)備，成功對(duì)人足底軟組織進(jìn)行了原位動(dòng)態(tài)力學(xué)分析。

• 仿生材料評(píng)估：在開發(fā)水凝膠韌帶仿生材料時(shí)，凱爾測控的系統(tǒng)被用于測試和評(píng)估其力學(xué)性能是否匹配生物組織。

• 微觀失效分析：在SEM下，凱爾測控的系統(tǒng)被用于實(shí)時(shí)觀察裂紋在材料中的萌生與擴(kuò)展過程。

• 模擬生理環(huán)境測試：通過水浴系統(tǒng)，研究者可以在37℃的PBS緩沖液中測試生物材料的力學(xué)性能，更貼近真實(shí)生理環(huán)境。

• 客戶合作：凱爾測控的合作客戶包括浙江大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京大學(xué)人民醫(yī)院等頂尖高校和醫(yī)院。