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CN109297815B - 一种微观尺度下生物组织力学特性测试平台 - Google Patents

一种微观尺度下生物组织力学特性测试平台 Download PDF

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CN109297815B
CN109297815B CN201811347669.2A CN201811347669A CN109297815B CN 109297815 B CN109297815 B CN 109297815B CN 201811347669 A CN201811347669 A CN 201811347669A CN 109297815 B CN109297815 B CN 109297815B
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Abstract

本发明提供了一种在微观尺度下生物组织力学特性测试平台，包括：共聚焦显微镜单元，直线位移单元，拉力检测单元，拉力导向单元，切片夹具单元、观测池单元、固定底座，本发明通过直线电机对生物组织切片施加一个给定的微小拉伸量，同时利用拉力传感器测量生物组织切片所承受的拉力大小，在共聚焦显微镜下拍摄生物组织切片的特定区域中的被染色的点的位置变化，通过PIV算法对直线电机不同位移量对应的照片进行分析，计算出特定区域的应变分布情况。本发明所述生物组织力学特性测试平台结构合理，操作方便。使用本发明可高精度的揭示生物组织特定区域的微观结构特性，以此解释某些生物组织的特殊生物力学特性。

Description

一种微观尺度下生物组织力学特性测试平台
技术领域
本发明涉及离体生物组织的生物力学实验领域，尤其涉及一种微观尺度下生物组织力学特性测试平台。
背景技术
动物中的一些生物组织拥有独特的生物力学特性，尤其是肌腱/韧带和骨组织之间的连接部，需要承受很大的载荷及应力传递。生物组织是怎么做到牢固连接肌腱和骨组织这两种弹性模量差异巨大的材料特征始终没有被揭示出来。
中国实用新型专利专利号201610890055.3的专利公开了一种生物软组织微观力学特性测试仪。该发明提供了一种可以测量微小型力与微位移的生物软组织微观力学特性测试仪，包括支座、样本测试台、朝向样本测试台的压力测试头、驱动压力测试头朝向/背向样本测试台移动的驱动机构、微型力测试组件。该测试仪通过驱动压力测试头朝向/背向样本测试台移动的驱动机构拉伸生物组织，同时朝向样本测试台的压力测试头能够测量生物组织在形变后的拉力。液压原理对微小力进行放大，通过杠杆原理对微位移进行放大，以此对生物软组织的微小变形和力进行测量。然而该测试仪所测试的依然是在宏观上的生物组织生物力学特性，不能在微观尺度下观察生物组织的微观结构和结构受拉时的应变分布。实际上，到目前为止，国内还没有能够实现在微观尺度下观察生物组织在受拉时的微观结构和应变分布。
微观尺度下生物组力学特性测试平台能够进一步提高人们对于某些生物组织的高抗拉特性的机理认识。相关机理的揭示，对于未来研究修复断裂的生物组织和仿生设计高强度黏结材料具有指导意义。
发明内容
本发明的目的在于满足断裂生物组织修复的研究需要，公开了一种结构合理，使用方便且精度高的微观尺度下生物组织生物力学特性测试平台。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种微观尺度下生物组织力学特性测试平台，包括:
共聚焦显微镜单元，所述共聚焦显微单元包括共聚焦显微镜载物台、激光发射器、物镜，所述激光发射器设置在所述共聚焦显微镜载物台的上部,所述物镜设置在所述共聚焦显微镜载物台的下部，
所述共聚焦显微镜载物台的上部设置有固定底座；
所述共聚焦显微镜单元用于观察拍荧色摄染色后的所述生物组织切片在受拉时的照片；
直线位移单元，所述直线位移单元包括直线电机、直线电机支架，所述直线电机固定设置在所述直线电机支架的上部，所述直线电机通过所述直线电机支架竖直设置在所述固定底座的上面，所述直线电机支架与所述固定底座通过螺栓紧固连接，所述直线位移单元用于给所述生物组织切片提供宏观上的拉伸位移，所述直线电机位移的最小步距为0.25um；
拉力测量单元，所述拉力测量单元包括拉力传感器支架、拉力传感器，所述拉力传感器通过所述拉力传感器支架与所述直线电机固定连接，所述拉力测量单元用于测量在拉伸方向的拉力大小；
拉力导向单元，所述的拉力导向单元包括一个钢绳、一个滑轮和一滑轮支架，所述滑轮支架的第一端活动设有一个转轴，一个所述滑轮固定设置在所述转轴上，所述转轴与所述滑轮支架旋转连接，所述钢绳的第一端绕过所述滑轮与所述拉力传感器的一端固定连接，所述拉力导向单元将竖直方向的直线位移转换成水平方向；
观测池单元，所述观测池单元包括观测池和设置在所述观测池上的切片夹具，所述观测池通过螺栓与所述固定底座紧固连接。
优选地，所述共聚焦显微镜载物台上设有多个螺纹孔，所述共聚焦显微镜载物台位置可调节移动，通过调节移动所述共聚焦显微镜载物台的相对位置以便对准标本，拼接共聚焦显微镜拍摄的照片。
优选地，所述固定底座为一平板，所述固定底座的中部贯穿设有一方槽，所述固定底座上分别设有多个与所述共聚焦显微镜载物台上的多个所述螺纹孔相匹配第一螺纹孔、用于固定所述滑轮支架的第二螺纹孔和用于固定所述直线电机支架的第三螺纹孔，所述固定底座与所述共聚焦显微镜载物台大小相匹配。
优选地，所述观测池安装在所述固定底座上的所述方槽内，所述观测池的内部水平设置有一个滑槽。
优选地，还包括切片夹具单元，所述切片夹具单元包括切片活动端夹具、切片固定端压板，所述切片活动端夹具放置在所述观测池内与所述切片活动端夹具相匹配的所述滑槽中，
所述切片活动端夹具的一端与所述钢绳的第二端固定连接，所述切片活动端夹具通过螺丝锁紧并将所述生物组织切片牢固夹住，所述切片固定端压板通过螺栓与所述观测池旋转连接，
所述切片固定端压板通过螺栓将组织切片的另一端固定在观测池上，，所述滑槽用于所述切片活动端夹具在钢绳牵引下滑动。
优选地，所述滑轮支架第二端设有多个与所述固定底座上的第二螺纹孔相匹配的沉头孔，所述滑轮支架通过螺栓与所述固定底座紧固连接。
优选地，所述拉力传感器支架为“L”型，所述拉力传感器支架的上部中间位置设有一个圆孔，所述拉力传感器支架通过一个所述圆孔与所述拉力传感器的一端通过螺栓紧固连接。
优选地，所述直线电机支架上设有与所述固定底座上的所述第三螺纹孔相匹配的沉头孔。
优选地，所述观测池设有观测窗口，所述观测窗口通过设置的透光载玻片用玻璃胶黏贴在所述观测池的底部形成，所述观测窗口和所述滑槽连成一片凹腔用于盛放PBS溶液浸润所述生物组织切片。
优选地，还包括一控制器，所述控制器与所述直线电机、所述拉力传感器、所述激光发射器和外部人机交互装置电性连接。
本发明具的优点在于：
本发明提供了一种微观尺度下测量生物组织应变分布的新方法。通过连续多次拍摄，受拉下的荧光染色后的生物组织照片，通过PIV算法分析照片上的染色点位置变化，计算应变分布。
本发明提供了一种在共聚焦显微镜载物台上进行的微小组织切片拉伸试验实验方法。不同于传统生物组织拉伸试验机，体积大，拉力大，位移大的特点。本发明使用的组织切片的厚度是7um-200um之间的超薄切片，一端固定在观测池边缘，另一端通过小型直线电机拉伸指定位移。位移小，拉力小，结构紧凑，精度高。
本发明装置通过直线电机对生物组织切片施加给定的宏观拉伸位移量，拉力传感器记录生物组织切片所承受的拉力载荷大小。以此构成一个结构紧凑，拉力小，位移小，精度高的微型生物组织切片拉伸试验机。同时利用共聚焦显微镜拍摄荧光染色后的切片在受拉时特定区域的照片，对比分析，利用PIV算法获得应变分布。本发明检测到的参数包括：
1)生物组织切片的宏观拉伸位移量。
2)生物组织切片所承受的拉力大小。
3)生物组织切片被观测区域的应变分布。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明一种微观尺度下生物组织力学特性测试平台实施例的结构示意图；
图2是本发明一种在微观尺度下生物组织力学特性测试平台实施例中测试平台右视图；
图3是本发明一种在微观尺度下生物组织力学特性测试平台实施例中测试平台俯视图。
上述说明书中附图标记表示说明：
1、激光发射器；2、共聚焦显微镜载物台；3、滑轮；4、观测池；5、固定底座；6、切片固定端压板；7、物镜；8、切片活动端夹具；9、滑轮支架；10、直线电机支架；11、钢绳；12、拉力传感器；13、拉力传感器支架；14、直线电机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1所示，本发明较佳的实施例中，根据现有技术存在的问题，现提供本发明的目的在于满足断裂生物组织修复的研究需要，公开了一种能工作结构合理，使用方便且精度高的微观尺度下生物组织生物力学特性测试平台。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种微观尺度下生物组织力学特性测试平台，包括:
共聚焦显微镜单元，共聚焦显微单元包括共聚焦显微镜载物台2、激光发射器1、物镜7，激光发射器1设置在共聚焦显微镜载物台2的上部,物镜7设置在共聚焦显微镜载物台2的下部，
共聚焦显微镜载物台2的上部设置有固定底座5，
共聚焦显微镜单元用于观察拍摄荧色染色后的生物组织切片在受拉时的照片；
直线位移单元，直线位移单元包括直线电机、直线电机支架10，直线电机14固定设置在直线电机支架10的上部，直线电机14通过直线电机支架10竖直设置在固定底座5的上面，直线电机支架10与固定底座5通过螺栓紧固连接，直线位移单元用于给生物组织切片提供宏观上的拉伸位移，直线电机14位移的最小步距为0.25um；
拉力测量单元，拉力测量单元包括拉力传感器支架13、拉力传感器12，拉力传感器12通过拉力传感器支架13与直线电机14固定连接，拉力测量单元用于测量在拉伸方向的拉力大小；
拉力导向单元，拉力导向单元包括一个钢绳11、一个滑轮3和一滑轮支架9，滑轮支架9的第一端活动设有一个转轴，一个滑轮3固定设置在转轴上，转轴与滑轮支架9旋转连接，钢绳11的第一端绕过滑轮3与拉力传感器12的一端固定连接，拉力导向单元将竖直方向的直线位移转换成水平方向；
观测池单元，观测池单元包括观测池4和设置在观测池4上的切片夹具，观测池4通过螺栓与固定底座5紧固连接。
本发明较佳的实施例中，共聚焦显微镜载物台2上设有多个螺纹孔，共聚焦显微镜载物台2位置可调节移动，通过调节移动共聚焦显微镜载物台2的相对位置以便对准标本，拼接共聚焦显微镜拍摄的照片。
本发明较佳的实施例中，固定底座5为一平板，固定底座5的中部贯穿设有一方槽，固定底座5上分别设有多个与共聚焦显微镜载物台2上的多个螺纹孔相匹配第一螺纹孔、用于固定滑轮支架9的第二螺纹孔和用于固定直线电机支架10的第三螺纹孔，固定底座5与共聚焦显微镜载物台2大小相匹配。
本发明较佳的实施例中，观测池4安装在固定底座5上的方槽内，观测池4的内部水平设置有一个滑槽。
本发明较佳的实施例中，还包括切片夹具单元，切片夹具单元包括切片活动端夹具8、切片固定端压板6，切片活动端夹具8放置在观测池4内与切片活动端夹具8相匹配的滑槽中，
切片活动端夹具8的一端与钢绳11的第二端固定连接，切片活动端夹具8通过螺丝锁紧并将生物组织切片牢固夹住，切片固定端压板6通过螺栓与观测池4旋转连接，
切片固定端压板6通过螺栓将组织切片的另一端固定在观测池4上，滑槽用于切片活动端夹具8在钢绳11牵引下滑动。
本发明较佳的实施例中，滑轮支架9第二端设有多个与固定底座5上的第二螺纹孔相匹配的沉头孔，滑轮支架9通过螺栓与固定底座5紧固连接。
本发明较佳的实施例中，拉力传感器支架13为“L”型，拉力传感器支架13的上部中间位置设有一个圆孔，拉力传感器支架13通过一个圆孔与拉力传感器12的一端通过螺栓紧固连接。
本发明较佳的实施例中，直线电机支架10上设有与固定底座5上的第三螺纹孔相匹配的沉头孔。
本发明较佳的实施例中，观测池4设有观测窗口，观测窗口通过设置的透光载玻片用玻璃胶黏贴在观测池4的底部形成，观测窗口和滑槽连成一片凹腔用于盛放PBS溶液浸润生物组织切片。
本发明较佳的实施例中，还包括一控制器，控制器与直线电机14、拉力传感器12、激光发射器1和外部人机交互装置电性连接。
具体地，本实施例中，如图2、图3所示，生物组织切片的一端通过切片固定端压板6固定在观测池的一边上，生物组织切片的另一端通过切片活动端夹具8夹紧。切片活动端夹具8放置在观测池4内加工出来的凹槽中。实验前需要将生物组织切片染色，同时在观测池4内添加PBS溶液保持测试中的生物组织切片活性。切片活动端夹具8通过钢绳11绕过滑轮3与拉力传感器连接12，滑轮3通过滑轮支架9固定在固定底座5上，拉力传感器12通过拉力传感器支架13固定在直线电机14上，直线电机14通过直线电机支架10固定在固定底座5上。观测池4通过螺钉与固定底座5连接，观测池4的底部镶嵌有载玻片。
具体地，本实施例中，如图1所示，在计算机上可以采集拉力传感器12所测到的拉力值，通过交互界面控制直线电机14移动，直线电机14带动拉力传感器12向上运动，与拉力传感器12连接的钢绳11通过滑轮3将直线电机14竖直向上的运动改变为水平方向对生物组织切片的拉伸运动。因此，直线电机14移动的长度等于生物组织切片被拉伸的长度。同时拉力传感器12能够实时记录下生物组织切片所承受的拉力载荷。在观测池4中的载玻片区域，共聚焦显微镜的激光发射器1和物镜7对准了生物组织切片的被观测区域，共聚焦显微镜载物台2可以在共聚焦显微镜下移动整个测试平台，实现拍摄图片的拼接。直线电机每移动一个设定的步距值，就通过共聚焦显微镜拍摄对应的被观测区域的照片。拍摄的照片汇总以后通过PIV算法的处理分析直线电机不同位移量对应的照片中染色点位置变化，计算出被观测区域的应变分布情况。
本发明具的有益效果在于：
本发明提供了一种微观尺度下测量生物组织应变分布的新方法。通过连续多次拍摄，受拉下的荧光染色后的生物组织照片，通过PIV算法分析照片上的染色点位置变化，计算应变分布。
本发明提供了一种在共聚焦显微镜载物台上进行的微小组织切片拉伸试验实验方法。不同于传统生物组织拉伸试验机，体积大，拉力大，位移大的特点。本发明使用的组织切片的厚度是7um-200um之间的超薄切片，一端固定在观测池边缘，另一端通过小型直线电机拉伸指定位移。位移小，拉力小，结构紧凑，精度高。
本发明装置通过直线电机对生物组织切片施加给定的宏观拉伸位移量，拉力传感器记录生物组织切片所承受的拉力载荷大小。以此构成一个结构紧凑，拉力小，位移小，精度高的微型生物组织切片拉伸试验机。同时利用共聚焦显微镜拍摄荧光染色后的切片在受拉时特定区域的照片，对比分析，利用PIV算法获得应变分布。本发明检测到的参数包括：
2)生物组织切片的宏观拉伸位移量。
2)生物组织切片所承受的拉力大小。
3)生物组织切片被观测区域的应变分布。
述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种微观尺度下生物组织力学特性测试平台，其特征在于，包括:
共聚焦显微镜单元，所述共聚焦显微镜单元包括共聚焦显微镜载物台、激光发射器、物镜，所述激光发射器设置在所述共聚焦显微镜载物台的上部,所述物镜设置在所述共聚焦显微镜载物台的下部，
所述共聚焦显微镜载物台的上部设置有固定底座；
直线位移单元，所述直线位移单元包括直线电机、直线电机支架，所述直线电机固定设置在所述直线电机支架的上部，所述直线电机通过所述直线电机支架竖直设置在所述固定底座的上面，所述直线电机支架与所述固定底座通过螺栓紧固连接，所述直线电机位移的最小步距为0.25um；
拉力测量单元，所述拉力测量单元包括拉力传感器支架、拉力传感器，所述拉力传感器通过所述拉力传感器支架与所述直线电机固定连接，所述拉力测量单元用于测量在拉伸方向的拉力大小；
拉力导向单元，所述的拉力导向单元包括一个钢绳、一个滑轮和一滑轮支架，所述滑轮支架的第一端活动设有一个转轴，一个所述滑轮固定设置在所述转轴上，所述转轴与所述滑轮支架旋转连接，所述钢绳的第一端绕过所述滑轮与所述拉力传感器的一端固定连接，所述拉力导向单元将竖直方向的直线位移转换成水平方向；
观测池单元，所述观测池单元包括观测池和设置在所述观测池上的切片夹具，所述观测池通过螺栓与所述固定底座紧固连接。
2.根据权利要求1所述的一种微观尺度下生物组织力学特性测试平台，其特征在于，所述共聚焦显微镜载物台上设有多个螺纹孔，所述共聚焦显微镜载物台位置可调节移动，通过调节移动所述共聚焦显微镜载物台的相对位置以便对准标本，拼接共聚焦显微镜拍摄的照片。
3.根据权利要求2所述的一种微观尺度下生物组织力学特性测试平台，其特征在于，所述固定底座为一平板，所述固定底座的中部贯穿设有一方槽，所述固定底座上分别设有多个与所述共聚焦显微镜载物台上的多个所述螺纹孔相匹配第一螺纹孔、固定所述滑轮支架的第二螺纹孔和固定所述直线电机支架的第三螺纹孔，所述固定底座与所述共聚焦显微镜载物台大小相匹配。
4.根据权利要求1所述的一种微观尺度下生物组织力学特性测试平台，其特征在于，所述观测池安装在所述固定底座上的方槽内，所述观测池的内部水平设置有一滑槽。
5.根据权利要求4所述的一种微观尺度下生物组织力学特性测试平台，其特征在于，还包括切片夹具单元，所述切片夹具单元包括切片活动端夹具、切片固定端压板，所述切片活动端夹具放置在所述观测池内与所述切片活动端夹具相匹配的所述滑槽中，
所述切片活动端夹具的一端与所述钢绳的第二端固定连接，所述切片活动端夹具通过螺丝锁紧并将生物组织切片牢固夹住，所述切片固定端压板通过螺栓与所述观测池旋转连接，
所述切片固定端压板通过螺栓将组织切片的另一端固定在观测池上，所述切片活动端夹具在钢绳牵引下滑动。
6.根据权利要求1所述的一种微观尺度下生物组织力学特性测试平台，其特征在于，所述滑轮支架第二端设有多个与所述固定底座上的第二螺纹孔相匹配的沉头孔，所述滑轮支架通过螺栓与所述固定底座紧固连接。
7.根据权利要求1所述的一种微观尺度下生物组织力学特性测试平台，其特征在于，所述拉力传感器支架为“L”型，所述拉力传感器支架的上部中间位置设有一个圆孔，所述拉力传感器支架通过一个所述圆孔与所述拉力传感器的一端通过螺栓紧固连接。
8.根据权利要求3所述的一种微观尺度下生物组织力学特性测试平台，其特征在于，所述直线电机支架上设有与所述固定底座上的所述第三螺纹孔相匹配的沉头孔。
9.根据权利要求4所述的一种微观尺度下生物组织力学特性测试平台，其特征在于，所述观测池设有观测窗口，所述观测窗口通过设置的透光载玻片用玻璃胶黏贴在所述观测池的底部形成，所述观测窗口和所述滑槽连成一片凹腔。
10.根据权利要求1所述的一种微观尺度下生物组织力学特性测试平台，其特征在于，还包括一控制器，所述控制器与所述直线电机、所述拉力传感器、所述激光发射器和外部人机交互装置电性连接。
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