模擬生理條件下的彈性組織拉伸裝置及其方法
2023-07-03 13:12:26
專利名稱：模擬生理條件下的彈性組織拉伸裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及基礎醫學實驗，特別是提供模擬生理條件的實驗裝置及實驗方法。
背景技術：
在體內進行韌帶或肌腱等彈性組織的生理特性研究花費巨大，並且周期很長，所以在體外模擬生理條件並對彈性組織進行研究是目前基礎醫學實驗亟待解決的難題。目前，對彈性組織的體外研究的設備主要由instron公司和bose公司所生產。但現有的設備只能做一些如牛的背肌腱的較大的韌帶和肌腱組織的拉伸，拉伸一些小的韌帶或肌腱時， 夾持力小時會造成腱或韌帶表面滑落，夾持力大時，會對腱或韌帶造成損傷並出現斷裂，不能很好地完成實驗。並且，現有技術不能模擬體內的生理條件。公開號為CN1987408A的發明專利公開了一種生物軟組織試驗用冷凍拉伸夾頭。 該裝置通過冷凍使生物軟組織與夾具相粘連，從而實現生物力學實驗中對實驗用的組織樣品的夾持。應用該裝置進行實驗時，樣品需送入夾持孔較長的距離且充分冷凍後才能保證夾持的穩定性，從而不能保證樣品具有生物活性。另一方面，做較小尺寸韌帶拉伸實驗時， 實驗樣品尺寸小，粘連點短，不能保證穩定性；做較大尺寸韌帶拉伸實驗時，拉力較大，冷凍粘連點易脫落。該裝置的冷凍部件設置在37°C的水浴中，需要在夾具外安裝性能較好的保溫材料，並且需要防水部件。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種在體外模擬生理條件拉伸彈性組織的裝置以測定關節等部位彈性組織修復術所需的彈性組織最大斷裂應力、最大伸長量以及楊氏模量。本發明夾件部件尺寸可調、夾件冷凍溫度可控，使得不同尺寸的實驗樣品穩定地被夾持，所述樣品的生物活性得到保持；本發明的水浴腔深度可調節，可以在拉伸實驗的過程中使樣品一直處於水浴中，保證其生物活性。本發明的另一目的是提供一種在體外模擬生理條件、拉伸彈性組織的方法。通過所述方法可以在體外模擬生理條件測得關節等部位彈性組織修復術所需的彈性組織的最大斷裂應力和最大伸長量，並且確定所述彈性組織的楊氏模量。為實現本發明目的而採用的技術方案是這樣的，即一種模擬生理條件下的彈性組織拉伸裝置包括連接拉伸機臺面且安裝有下夾件的下固定件和連接升拉伸機升高件且安裝有上夾件的上固定件，所述下夾件和上夾件夾持部位尺寸可調，所述下固定件上安裝的密封套管與所述下夾件之間形成容納生理鹽水的水浴腔，所述上固定件安裝有環繞上夾件的具有活塞的液氮容器，所述下夾件和上夾件具有供彈性組織穿過的通孔，所述水浴腔的深度由通過螺紋與所述下固定件連接的所述下夾件和密封套管調節，所述液氮容器與上固定件通過螺紋可調連接。調節所述上固定件與液氮容器的相對位置，可以控制包埋處的溫度，防止脫落。所述水浴腔的深度可調，可以使樣品儘可能地處於水浴中。所述下夾件和上夾件的夾持部位包括由圓錐銷連接的左夾件和右夾件。將實驗樣品固定在兩個夾件中，可以防止在拉伸的過程中樣品脫落。所述下夾件和上夾件的夾持部位包括由圓錐銷連接的左夾件和右夾件。所述左夾件和右夾件之間具有供溫度傳感器插入的測量槽，可以保證生理條件的模擬。所述下夾件與溫度傳感器相連，保證了水浴溫度在37°C左右。所述上固定件與力學傳感器相連以便於控制並測量拉伸量。所述水浴腔安裝有具有溫度控制功能的加熱器。本發明提供一種模擬生理條件下的彈性組織拉伸方法，包括下步驟
1).提取組織從用作實驗品的剛死亡的動物體上提取一端帶骨的彈性組織作為樣
P
m ；
2).樣品處理剪除彈性組織周圍軟組織，並測量所述彈性組織長、寬、厚；
3).包埋處理採用組織冰凍包埋劑對所述樣品不帶骨的一端進行包埋處理；
4).組裝裝置將所述拉伸裝置的上固定件連接拉伸機的升高件，將所述拉伸裝置的下固定件連接拉伸機的底部固定件；
5).生理條件模擬所述拉伸裝置的下夾件是安裝在下固定件上的，所述下固定件上安裝的密封套管與所述下夾件之間形成容納生理鹽水的水浴腔，所述拉伸裝置的上夾件是安裝在上固定件上的，所述上固定件安裝有環繞上夾件的液氮容器，在水浴腔內加入37°C 的生理鹽水，在帶有活塞的液氮容器內充入液氮；
6).樣品裝載將所述樣品的帶骨的一端固定在拉伸裝置的下夾件，使得樣品在實驗過程中一直處於步驟5所述的生理鹽水中，將所述樣品經過包埋處理的一端固定在拉伸裝置的上夾件，打開所述液氮容器的活塞，使液氮升華以保證包埋部分處於冷凍狀態；
7).啟動加載啟動拉伸機，開始進行加載，測得樣品最大斷裂應力、最大伸長量、楊氏模量。本發明由於上述步驟，其優點是冷凍溫度可控性，通過上下調節液氮容器，使冷凍上夾具溫度改變，以使實驗樣品處於完全冷凍狀態受力時不會發生形變；模擬了關節腔中肌肉和骨作為韌帶/肌腱的直接受力點，克服了直接對韌帶/肌腱作用造成的損害；結果能夠準確反映出生理條件下韌帶/肌腱的力學特性。同時，生理水浴溫度處於37士 1°C， 保持了實驗樣品的生理活性。
本發明的裝置可以通過附圖給出的非限定性實施例進一步說明。圖1為本發明的剖視圖2為本發明的夾件的剖視圖； 圖3為本發明的夾件上的測量槽的主視圖。圖中1 一下固定件，2 —密封套管，3 —下夾件，5 —上夾件，8 —上固定件，6 —液氮容器，12 一樣品，13 一水浴腔，14 一左夾件，15 一右夾件，16 一圓錐銷，17 一測量槽。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作進一步說明實施例1
一種模擬生理條件下的彈性組織拉伸裝置，包括連接拉伸機臺面且安裝有下夾件3的下固定件1和連接升拉伸機升高件且安裝有上夾件5的上固定件8，所述下夾件3和上夾件5夾持部位尺寸可調，所述下固定件1上安裝的密封套管2與所述下夾件3之間形成容納生理鹽水的水浴腔13，所述上固定件8安裝有環繞上夾件5的具有活塞的液氮容器6，所述下夾件3和上夾件5具有供彈性組織穿過的通孔，所述水浴腔13的深度由通過螺紋與所述下固定件1連接的所述下夾件3和密封套管2調節，所述液氮容器6與上固定件8通過螺紋可調連接。所述下夾件3和上夾件5的夾持部位包括由圓錐銷16連接的左夾件14和右夾件 15。所述左夾件14和右夾件15之間具有供溫度傳感器插入的測量槽17。所述下夾件3與溫度傳感器相連。所述上固定件8與力學傳感器通過定位軸相連。所述水浴腔13安裝有恆溫裝置。與拉伸測試機上端力學傳感器相連的上固定件8 ；與上固定件8通過螺紋相連的上夾件5 ；在上夾件5外側通過螺紋上下可活動以調節芯件溫度的液氮容器6，上夾件5夾持有樣品12的肌肉或骨並連接溫度傳感器。水浴中的下夾件3與連接拉伸測試機下端的下固定件1相連；與下固定件1通過螺紋相連的下夾件3;在下夾件外側通過密封螺紋上下可活動以調節液面高度的透明的密
封套管2。下夾件3和上夾件5結構一樣，兩個半圓柱中空，通過圓錐銷連接固定，並在中間有直徑可調節的開口。肌腱一端的肌肉放入中空夾件，肌腱從中間開口處伸出。冷凍時肌腱與肌肉結合處正好與溫度傳感器5接觸，溫度傳感器顯示溫度可以通過上下調節液氮容器和恆溫水浴桶液面改變。這樣不僅使肌肉冷凍模擬了關節腔中韌帶或肌肉的受力位點， 使拉伸得以進行，而且注入了 37 °C生理鹽水的恆溫水浴桶，使肌腱或韌帶保持了生理活性。 更好的模擬了關節腔中肌腱或韌帶生理特性及受力位點。上固定件8和下固定件1直接與拉伸測試機相連，使拉伸測試機上力學傳感器受到的拉力變化更能精確反映韌帶或肌腱的力學特性。液氮容器6外表面的隔熱材料和蓋子，注入液氮後，一方面通過與上夾件件接觸，溫度傳導，使上夾件件和夾件及肌肉迅速冷凍，另一方面隔熱材料防止不必要的能量散失。上夾件5和下夾件3結構相同，通過螺紋與固定件相連，遠離固定件一端中空，用來放夾件，並且中間有一條縫隙，使韌帶或肌腱伸出。上夾件5外面通過深寬螺紋與液氮容器接觸，防止冷凍條件下，螺紋被封，這樣即使在冷凍下也可上下調節液氮容器，從而調節上夾件件溫度。下夾件3外面通過密封螺紋與內表面通體密封螺紋的恆溫水浴桶接觸，密封的螺紋防止漏水，並且上下調節恆溫水浴桶，改變液面高度，使肌腱或韌帶處在37°C生理鹽水中，充分模擬了關節腔中韌帶或肌腱的生理活性和受力特點。使用液氮容器時，打開液氮容器活塞，倒入液氮，蓋上活塞。由於液氮容器外有隔熱材料和活塞中間有一小口，液氮升華時的劇烈沸騰，不會損壞容器。液氮容器裝置環狀包裹上夾件具和已裝有肌肉樣品的夾件，能夠使其迅速、均勻冷凍，防止了局部低溫冷凍現象。雖然金屬一般都具有良好的導熱性和一定的抗拉機械強度，但由於拉伸測試機力學傳感器量程的要求為50士0. 1N、500士 1N、5000士 10N，和需要用到37°C鹽水生理環境。所以裝置要採用質輕和防腐蝕金屬，使得力學傳感器測得的數據更能反映關節腔內韌帶或肌腱的生理條件下的力學特性。溫度傳感器正好與肌腱肌肉結合處接觸，可以準確顯示出結合點溫度，通過上下調節液氮容器和恆溫水浴桶，使結合點溫度維持在一個特定溫度。這個溫度一方面使夾件內肌肉處在冷凍狀態，又可以使拉伸時肌肉不滑動和肌腱斷裂點處在中間並且是在腱或韌帶生理活性下。溫度傳感器15處在上夾件空腔內，主要測出腔內溫度，通過上下調節液氮容器，使腔內一直處於冷凍低溫。溫度傳感器處在恆溫水浴桶內，測量生理鹽水溫度，為了使之一直處於37°C的生理條件，通過恆溫循環泵，保持生理條件。本發明的這種模擬關節腔中韌帶或肌腱生理條件下受力方式的拉伸試驗用裝置， 結構簡單，加工製造比較方便，並且不需要昂貴的製冷設備，因而成本較低。另外還可以模擬關節腔內環境，實驗結果更加接近於關節腔內時的數據，對體外研究韌帶/肌腱的生理特性有一定意義。實施例2
一種模擬生理條件下的彈性組織拉伸方法，包括以下步驟
1).提取組織從用作實驗品的剛死亡的動物體上提取一端帶骨的彈性組織作為樣
P
m ；
2).樣品處理剪除彈性組織周圍軟組織，並測量所述彈性組織長、寬、厚；
3).包埋處理採用組織冰凍包埋劑對所述樣品不帶骨的一端進行包埋處理；
4).組裝裝置將所述拉伸裝置的上固定件連接拉伸機的升高件，將所述拉伸裝置的下固定件連接拉伸機的底部固定件；5).生理條件模擬所述拉伸裝置的下夾件是安裝在下固定件上的，所述下固定件上安裝的密封套管與所述下夾件之間形成容納生理鹽水的水浴腔，所述拉伸裝置的上夾件是安裝在上固定件上的，所述上固定件安裝有環繞上夾件的液氮容器，在水浴腔內加入37°C 的生理鹽水，在帶有活塞的液氮容器內充入液氮；
6).樣品裝載將所述樣品的帶骨的一端固定在拉伸裝置的下夾件，使得樣品在實驗過程中一直處於步驟5所述的生理鹽水中，將所述樣品經過包埋處理的一端固定在拉伸裝置的上夾件，打開所述液氮容器的活塞，使液氮升華以保證包埋部分處於冷凍狀態；
7).啟動加載啟動拉伸機，開始進行加載，測得樣品最大斷裂應力、最大伸長量、楊氏模量。下夾件通過螺紋與下固定件連接，透明的密封套管通過密封螺紋與下夾件連接， 下固定件與力學測試機底座連接通過定位軸。溫度傳感器連接在下夾件上。上夾件通過螺紋與上固定件連接，液氮容器通過深螺紋與上夾件連接，上固定件與力學測試機的力學傳感器通過定位軸相連。測得修剪後的跟腱長6. 50 士 0. 20mm,寬2. 60 士 0. IOmm,厚1. 10 士 0. IOmm.然後使
用組織冰凍介質包埋肌肉一端。樣品裝入夾芯調節韌帶或肌腱出口長度、寬度，使之僅能使韌帶或肌腱通過，而其
6兩端的肌肉或骨不能通過，然後用圓錐銷固定。液氮容器內倒入液氮，恆溫水浴缸內利用循環泵注入37°C生理鹽水。通過上下調節液氮容器和恆溫水浴缸，一方面使溫度傳感器保持低溫冷凍狀態，使肌肉迅速冷凍，另一方面使溫度傳感器讀數保持一定溫度範圍，在拉伸時肌肉不會滑動並且肌腱斷裂點是處在生理鹽水中的腱。當肌肉充分冷凍後，啟動力學測試機進行力學加載實驗。測得鼠跟腱最大斷裂應力144. 5N、最大伸長量30. 78mm、楊氏模量30. 93MPa。
權利要求
1.一種模擬生理條件下的彈性組織拉伸裝置，其特徵在於包括連接拉伸機臺面且安裝有下夾件(3)的下固定件(1)和連接拉伸機升高件且安裝有上夾件(5)的上固定件(8)， 所述下夾件(3 )和上夾件(5 )夾持部位尺寸可調，所述下固定件(1)上安裝的密封套管(2 ) 與所述下夾件(3)之間形成容納生理鹽水的水浴腔(13)，所述上固定件(8)安裝有環繞上夾件(5)的具有活塞的液氮容器(6)，所述下夾件(3)和上夾件(5)具有供彈性組織穿過的通孔，所述水浴腔(13)的深度由通過螺紋與所述下固定件(1)連接的所述下夾件(3)和密封套管(2)調節，所述液氮容器(6)與上固定件(8)通過螺紋可調連接。
2.根據權利要求1所述的一種模擬生理條件下的彈性組織拉伸裝置，其特徵在於所述下夾件(3)和上夾件(5)的夾持部位包括由圓錐銷(16)連接的左夾件(14)和右夾件 (15)。
3.根據權利要求2所述的一種模擬生理條件下的彈性組織拉伸裝置，其特徵在於所述左夾件(14)和右夾件(15)之間具有供溫度傳感器插入的測量槽(17)。
4.根據權利要求1所述的一種模擬生理條件下的彈性組織拉伸裝置，其特徵在於所述下夾件(3)與溫度傳感器相連。
5.根據權利要求1所述的一種模擬生理條件下的彈性組織拉伸裝置，其特徵在於所述上固定件(8)與力學傳感器相連。
6.根據權利要求1所述的一種模擬生理條件下的彈性組織拉伸裝置，其特徵在於所述水浴腔(13)安裝有具有溫度控制功能的加熱器。
7.一種模擬生理條件下的彈性組織拉伸方法，其特徵在於包括以下步驟1).提取組織從用作實驗品的剛死亡的動物體上提取一端帶骨的彈性組織作為樣Pm ；2).樣品處理剪除彈性組織周圍軟組織，並測量所述彈性組織長、寬、厚；3).包埋處理採用組織冰凍包埋劑對所述樣品不帶骨的一端進行包埋處理；4).組裝裝置將所述拉伸裝置的上固定件連接拉伸機的升高件，將所述拉伸裝置的下固定件連接拉伸機的底部固定件；5).生理條件模擬所述拉伸裝置的下夾件是安裝在下固定件上的，所述下固定件上安裝的密封套管與所述下夾件之間形成容納生理鹽水的水浴腔，所述拉伸裝置的上夾件是安裝在上固定件上的，所述上固定件安裝有環繞上夾件的液氮容器，在水浴腔內加入37°C 的生理鹽水，在帶有活塞的液氮容器內充入液氮；6).樣品裝載將所述樣品的帶骨的一端固定在拉伸裝置的下夾件，使得樣品在實驗過程中一直處於步驟5所述的生理鹽水水浴腔中，將所述樣品經過包埋處理的一端固定在拉伸裝置的上夾件，打開所述液氮容器的活塞，使液氮升華以保證包埋部分處於冷凍狀態；7).啟動加載啟動拉伸機，開始進行加載，測得樣品最大斷裂應力、最大伸長量、楊氏模量。
全文摘要
本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種在體外模擬生理條件下拉伸彈性組織的裝置。包括連接拉伸機臺面且安裝有下夾件的下固定件和連接拉伸機升高件且安裝有上夾件的上固定件，所述下固定件上安裝的密封套管與所述下夾件之間形成容納生理鹽水的水浴腔，所述上固定件安裝有環繞上夾件的具有活塞的液氮容器。本發明還提供一種在體外模擬生理條件、拉伸彈性組織的方法,包括提取組織、包埋處理、樣品裝載、生理條件模擬、拉伸等步驟。應用本發明所提供的裝置和方法，可以實現在體外模擬生理條件下拉伸較小的彈性組織。
文檔編號G01N1/28GK102252908SQ20111017795
公開日2011年11月23日 申請日期2011年6月29日 優先權日2011年6月29日
發明者劉二福, 呂永鋼, 彭永金, 徐偉, 楊力, 王業全, 穆罕納德.哈立德.艾哈邁德 申請人:重慶大學