生物软组织原位力学测试：核心概念

生物软组织原位力学测试：核心概念

• 为什么需要“原位"测试？

• 避免样本失真：传统测试需将组织从活体取出，但离体后组织状态会改变，无法代表其真实的力学行为。

• 攻克取样难题：像人体足底软组织这类组织，几乎不可能在不影响其功能的前提下取样。

• 实现微观观测：配合高倍显微镜，可以实时观察组织在受力时的微观结构变化，如裂纹萌生、细胞形变等。

• 测试如何实现？
  它就像一台高度精密、能在显微镜下使用的微型“健身器"和“摄像机"的组合：

1. 微型化设计与驱动：设备体积小巧，可以放入SEM、AFM等显微镜的真空腔内。通过滚珠丝杠或电磁力电机驱动夹具，实现精确的拉伸、压缩等动作。

2. 保持样品位置不动：采用两端对称加载的方式，确保测试过程中样品的中心点始终锁定在显微镜的视野中央，便于连续观测。

3. 高精度数据采集与控制：内置高精度传感器，实时记录力的变化和样品形变。同时，通过专业软件精确控制加载波形（如正弦波、三角波），模拟复杂的生理载荷。

4. 模拟生理环境：通常配备水浴系统，可在37℃的模拟体液（如PBS缓冲液）中进行测试，更真实地模拟生物体内环境。

• 主要测试类型

• 单/双轴拉伸/压缩：评估组织在单一或两个垂直方向上的力学性能。

• 疲劳测试：模拟组织在长期、循环载荷（如心跳、关节运动）下的性能退化过程。

• 压痕测试：用微型探针压入组织表面，测量其局部硬度等特性。

• 多载荷耦合测试：同时施加拉伸、压缩、剪切等多种载荷，模拟真实复杂的受力情况。

⚙️ 凯尔测控的原位力学测试方案

公司背景

凯尔测控（CARE）是一家总部位于天津的国家高新技术企业，专注于疲劳试验系统和原位力学测试系统的研发与生产。其核心优势在于自主研发了电磁力电机，打破了国外的技术垄断，并在此基础上开发出原位力学测试系列产品。

主要设备系列与参数

以下是针对生物软组织研究的主力机型。

1. 微型多尺度原位力学试验系统 (IBTC系列)
适用于单轴加载下的微观力学研究。

• 技术特点：微型化设计，可兼容SEM、AFM等设备；采用双螺纹螺杆对称加载，保证样品中心静止；具备力、位移、应变三种闭环控制模式。

• 典型型号 (IBTC-100SL)：

• 最大载荷：100 N

• 载荷精度：优于示值±0.2%

• 位移分辨率：0.1 μm

• 净重：约3.3 kg

• 适用材料：生物材料、水凝胶、高分子薄膜等。

• 可定制液氮低温台、高低温环境箱，实现-196℃~400℃温控。

2. 原位双轴力学试验系统 (IPBF系列)
适用于模拟双轴加载的复杂受力场景。

• 技术特点：保持试样中心不变，便于观测；选配视频引伸计，实现双轴应变非接触测量；自带水浴系统，可模拟生理环境；搭载多轴材料力学测试软件。

• 典型型号 (IPBF-300)：

• 最大载荷：300 N

• 位移分辨率：0.1 μm

• 加载频率范围：0.001 Hz ~ 1 Hz

• 作动行程：30mm~120mm（水浴环境最大100mm）。

• 适用材料：生物软组织、水凝胶薄膜、柔性电子器件等。

3. 配合扫描电镜的原位拉伸台
专为与SEM联用而优化的测试模块。

• 技术特点：可定制尺寸，适配不同SEM载物台；具备真空与电磁兼容性，确保SEM成像质量。

• 典型型号 (IBTC-3000MINI)：具体参数可定制。

• 适用材料：生物骨材料、生物软组织材料、高分子材料等。

• 可定制温控、DIC等功能。

核心优势与技术创新

• 对称加载技术：确保样品中心静止，是实现高质量原位观测的核心。

• 高精度与高分辨率：载荷精度可达0.2%或0.5%，位移分辨率均为0.1μm。

• 多物理场环境模拟：可集成水浴、高低温、腐蚀等多种环境模块，模拟接近生理的测试条件。

• 自主研发的控制软件：提供模块化、可自定义的试验流程，功能灵活。

💡 应用实例与研究佐证

• 活体组织评估：一项2024年的研究利用类似DMA的设备，成功对人足底软组织进行了原位动态力学分析。

• 仿生材料评估：在开发水凝胶韧带仿生材料时，凯尔测控的系统被用于测试和评估其力学性能是否匹配生物组织。

• 微观失效分析：在SEM下，凯尔测控的系统被用于实时观察裂纹在材料中的萌生与扩展过程。

• 模拟生理环境测试：通过水浴系统，研究者可以在37℃的PBS缓冲液中测试生物材料的力学性能，更贴近真实生理环境。

• 客户合作：凯尔测控的合作客户包括浙江大学、北京航空航天大学、北京大学人民医院等顶尖高校和医院。