本發(fā)明涉及一種生物軟組織材料滑動摩擦力的測試裝置及方法，屬于材料性能測試領域。

背景技術：

隨著人類社會的發(fā)展，人們對身體的健康愈來愈重視，生物軟組織材料也顯得越來越重要。傳統(tǒng)的無生命的醫(yī)用金屬、高分子、生物陶瓷等常規(guī)材料已經(jīng)不能滿足醫(yī)學發(fā)展的要求，生物軟組織材料面臨著新的機遇與挑戰(zhàn)。摩擦力作為生物軟組織材料性能的一部分，不僅在生物軟組織材料的制備中不可或缺，也在應用過程中發(fā)揮了關鍵的作用。但是由于生物軟組織材料的不規(guī)則性、柔軟性、復雜性、非均勻性，導致生物軟組織材料的摩擦力很難去直接測量。因此，如何測量一種生物軟組織材料的滑動摩擦力，成為了一個難題。因此如何快速簡單測試生物軟組織材料的滑動摩擦力這一問題擺在了各工程領域的面前。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種測試生物軟組織材料滑動摩擦力的裝置及方法。該方法可作為測試生物軟組織材料滑動摩擦力的方法，該測試技術不僅操作簡單，而且測試精度高，在生物材料性能測試工程領域具有潛在的應用價值。

本發(fā)明提供了一種測試生物軟組織材料滑動摩擦力的裝置，包括拉伸試驗機、紅色固定棒、砝碼、游標卡尺、定滑輪，所述定滑輪通過支桿固定在地面上，其中第一、第二定滑輪可以上下移動。中間放置生理液池，紅色圓柱狀固定棒(可由不同的材料組成，如骨或骨的仿生材料，如鈦合金)固定在生理液池的中央，試件包裹在紅色固定棒上，一端通過拉力線經(jīng)過定滑輪懸掛砝碼，一端通過拉力線經(jīng)過定滑輪連接到拉伸試驗機上，拉力大小和位移的數(shù)據(jù)通過拉伸試驗機的傳感器在計算機上顯示。

上述裝置中，所述紅色固定棒可以忽略其變形，其半徑為r。拉力線是鋼絲，在實驗的過程中不會伸長。定滑輪也是剛性光滑的，質量為mp，半徑為r。

上述裝置中，所述試件為一個薄而寬度相同的生物軟組織條帶(軟骨、跟腱、皮膚、血管及人造生物軟組織材料等)試件，質量為ms。

上述裝置中，所述的拉伸試驗機為instron5544，配有5n和50n的力傳感器，精度為1微牛，位移精度為1微米。

本發(fā)明提供了一種測試生物軟組織材料滑動摩擦力的方法，包括以下步驟：

(1)進行“空載”：將紅色固定棒固定在生理液中，將拉力線繞在紅色固定棒上，通過調(diào)節(jié)兩端定滑輪的高度使得拉力線與水平方向呈α角度(范圍15°～75°)；

(2)在拉伸試驗機恒定速度v⁰拉伸下，經(jīng)過時間t⁰后，拉伸試驗機連接的計算機顯示位移和拉力的曲線f⁰(x)(如圖3)；

(3)測量砝碼上升的高度h⁰；

(4)測量試件的原長a；

(5)進行測試：將紅色固定棒固定在生理液中，并將試件包裹在紅色固定棒上，通過調(diào)節(jié)兩端滑輪的高度使得拉力線與水平方向呈α角度(范圍15°～75°)；

(6)m點設置在紅色固定棒與試件接觸處的下邊緣點；

(7)在拉伸試驗機恒定速度v拉伸下，經(jīng)過時間t后，拉伸試驗機連接的計算機顯示位移和拉力的曲線f(x)(如圖4)，m點運動到m′點；

(8)測量砝碼上升的高度h,紅色固定棒中心o到m′點的距離l；

(9)測量彈性勢能et：將試件的下端固定在拉伸實驗機的底部，上端固定在拉伸試驗機的頂部，初始時處于原長狀態(tài)，在拉伸試驗機作用下，使試件伸長至u+s-h(其中s為m點運動到m′點的距離，u為試件在mwg拉力作用下所產(chǎn)生的變形位移)，拉伸試驗機連接的計算機顯示位移和拉力的曲線f⁰(x)(如圖5)。

(10)將實驗所測得數(shù)據(jù)a、v、t、v⁰、t⁰、s、h、h⁰、l代入公式計算得滑動摩擦力f：

公式中為拉伸試驗機連接的計算機顯示f-x圖像的面積，分別代表的含義為et,wf,其中a為試件的原長，s為固定棒與試件相對滑動的距離

進一步地，所述重復n+1次(n為大于0的正整數(shù))。

所述公式推導如下：

根據(jù)能量守恒，拉力f做的功為wf，試件的動能和摩擦阻力做的功分別為為es和ws，砝碼的動能和重力勢能分別為ew和ww，兩個滑輪的轉動動能為ep，試件彈性勢能變化量為et,考慮試件的重力勢能變化ts，有下面的公式成立：

wf＝es+ws+ew+ww+ep+et+ts(1)

其中彈性勢能et可由拉伸試驗機連接的計算機顯示圖像(如圖5)的面積得：

拉力f所做的功wf可由拉伸試驗機連接的計算機顯示圖像(如圖4)的面積得：

進一步可寫成：

s為試件與固定棒滑動的距離，a為試件的原長，j為兩個滑輪的轉動慣量，ω1和ω2分別是轉動角速度。

實驗測試前，可進行一次“空載”，即不上試件，系統(tǒng)運行一次，記錄相關數(shù)據(jù)。這時候有：

拉力f⁰所做的功可由拉伸試驗機連接的計算機顯示圖像(如圖3)的面積得：

那么公式(7)可以寫成：

那么由公式(6)，(9)得到：

其中，s可以看成弧長mn和m'n的長度之和：

式中的積分通過origin軟件進行直接計算。

本發(fā)明的有益效果：

(1)該測試方法操作簡單、精度高、節(jié)約成本；

(2)有望推廣到其他工程生物軟組織材料滑動摩擦力測試，在生物材料測試工程領域具有潛在的應用價值；

(3)能夠推動生物材料的發(fā)展，使其盡快應用于臨床醫(yī)學，造福于人類健康。

附圖說明

圖1為發(fā)明裝置的結構示意圖。

圖2為圖1中紅色固定棒放大的部分。

圖3為拉伸試驗機輸出的圖像

圖4為拉伸試驗機輸出的圖像wf。

圖5為拉伸試驗機輸出的圖像et。

圖中1為拉伸試驗機，2為紅色固定棒，3為第一定滑輪，4為生理液池，5為試件，6為砝碼，7為計算機，8為拉力線，9為第二定滑輪，10為支架。

具體實施方式

下面通過實施例來進一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實施例。

如圖1和2所示，一種生物軟組織材料滑動摩擦力的測試裝置，包括拉伸試驗機1、滑輪、紅色固定棒2、砝碼6、游標卡尺，以及儲存生理液的生理液池4，試件5與紅色固定棒2共同浸在生理液中，試件5包裹在紅色固定棒2上，試件5一端通過拉力線8繞過第一定滑輪3懸掛砝碼6，另一端通過拉力線8繞過第二定滑輪9與拉伸試驗機1相連接，拉伸試驗機1上設有傳感器；第一定滑輪3和第二定滑輪9固定在支架10上方，支架10高度能調(diào)節(jié)，使第一定滑輪3和第二定滑輪9的位置發(fā)生上下移動，拉伸試驗機的傳感器與計算機連接，滑輪上升的距離、時間、拉力大小的變化數(shù)據(jù)通過計算機顯示。

上述裝置中，所述紅色固定棒2為圓柱狀結構，水平放置于生理液池的中部，試件固定在紅色固定棒的底部，試件與紅色固定棒能發(fā)生相對滑動。

所述試件5為一個形狀規(guī)則的生物軟組織條帶。所述生物軟組織條帶為軟骨、跟腱、皮膚、血管或人造生物軟組織材料。

所述紅色固定棒2為骨結構或骨的仿生材料鈦合金材料。

左右拉力線8與水平方向呈α角度，α的范圍為15°～75°，紅色固定棒2的半徑為r,試件質量為ms，砝碼質量為mw，滑輪質量為mp，兩個滑輪質量相等，滑輪半徑為r。所述的材料試驗機1為instron5544，配有5n和50n的力傳感器，精度為1微牛，位移精度為1微米。

下面通過具體實施例來說明本發(fā)明的測試過程：

實施例1：

(1)將由軟骨制成的試件包裹在固定棒上，通過調(diào)節(jié)第一第二定滑輪使得拉力線與水平方向呈45°角。砝碼質量為1.00kg，試件質量0.25kg，原長0.30m，定滑輪質量為0.50kg，定滑輪半徑為0.02m，固定棒半徑為0.02m。并在測試軟組織上標記m點(固定棒圓心正下邊緣點)，然后啟動拉伸試驗機，設定速度v＝0.0010m/s，時間為120s，記錄砝碼上升的高度，測量紅色固定棒中心點o到m′點的距離l，空載一次，記錄砝碼上升的高度h⁰。重復5次實驗，每次實驗速度增加0.0005m/s,記錄數(shù)據(jù)如下表中：

表1：實施例1——軟骨組織與骨之間摩擦力的測試數(shù)據(jù)表格

根據(jù)origin軟件計算積分面積為：

可得，軟骨組織與骨之間的摩擦力為1.48n。

實施例2：

(1)將由皮膚制成的試件包裹在固定棒上，通過調(diào)節(jié)第一第二定滑輪使得拉力線與水平方向呈60°角。砝碼質量為1.00kg，試件質量0.20kg，原長0.40m，定滑輪質量為1.00kg，定滑輪半徑為0.03m，固定棒半徑為0.03m。并在測試軟組織上標記m點(固定棒圓心正下邊緣點)，然后啟動拉伸試驗機，設定速度v＝0.0020m/s，時間為90s，記錄砝碼上升的高度，測量紅色固定棒中心點o到m′點的距離l，空載一次，記錄砝碼上升的高度h⁰。重復5次實驗，每次實驗速度增加0.0004m/s,記錄數(shù)據(jù)如下表中：

表2：實施例2——皮膚組織與骨之間摩擦力的測試數(shù)據(jù)表格

根據(jù)origin軟件計算積分面積為：

可得，皮膚組織與骨之間的摩擦力為2.07n。

實施例3：

(2)將由跟腱制成的試件包裹在固定棒上，通過調(diào)節(jié)第一第二定滑輪使得拉力線與水平方向呈30°角。砝碼質量為0.50kg，試件質量0.25kg，原長0.10m，定滑輪質量為0.50kg，定滑輪半徑為0.02m，固定棒半徑為0.02m。并在測試軟組織上標記m點(固定棒圓心正下邊緣點)，然后啟動拉伸試驗機，設定速度v＝0.0010m/s，時間為200s，記錄砝碼上升的高度，測量紅色固定棒中心點o到m′點的距離l，空載一次，記錄砝碼上升的高度h⁰。重復5次實驗，每次實驗速度增加0.0005m/s,記錄數(shù)據(jù)如下表中：

表1：實施例1——跟腱組織與骨之間摩擦力的測試數(shù)據(jù)表格

根據(jù)origin軟件計算積分面積為：

可得，跟腱組織與骨之間的摩擦力為5.53n。