新型生物軟組織冷凍夾具系統(tǒng)的研制與初步應(yīng)用.pdf

1、生物力學(xué)是醫(yī)學(xué)科學(xué)研究的重要途徑之一，在對(duì)生物組織進(jìn)行力學(xué)分析的過程中，應(yīng)力不均和材料損傷是普通軟組織央持固定方法一直以來無法回避的難題。為了克服這一難題，20世紀(jì)80年代冷凍夾持技術(shù)被首次運(yùn)用到生物力學(xué)領(lǐng)域，其獨(dú)特的夾持固定方式明顯降低了應(yīng)力不均和材料損傷發(fā)生的可能性。但是，由于冷凍夾持技術(shù)具有較高技術(shù)含量?jī)H被應(yīng)用于航空航天、精密儀器和國(guó)防等高端產(chǎn)業(yè)，推廣應(yīng)用比較困難，相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)也很少公開報(bào)道。目前有少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)制造用于軟組織材

2、料測(cè)試的冷凍央具，但其用途有限且價(jià)格昂貴。人體膝關(guān)節(jié)交叉韌帶纖維束的生物力學(xué)性能測(cè)試中，韌帶游離端的夾持固定一直是阻礙研究進(jìn)展的技術(shù)瓶頸。 目的： 針對(duì)現(xiàn)有生物軟組織冷凍夾具功能上存在的不足，以及因技術(shù)含量較高和售價(jià)昂貴導(dǎo)致該類設(shè)備推廣應(yīng)用困難的現(xiàn)狀。研制一種造價(jià)低廉，能在空氣和水浴兩種環(huán)境下穩(wěn)固夾持肌腱和韌帶纖維束的新型軟組織冷凍夾具。同時(shí)為人膝關(guān)節(jié)交叉韌帶纖維束生物力學(xué)的進(jìn)一步研究創(chuàng)造條件。 方法：

3、1．冷凍央具的設(shè)計(jì)與制造：對(duì)金屬銅管進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，將管狀蒸發(fā)器改造為具有冷凍夾持功能的軟組織央頭；在夾頭上設(shè)計(jì)防水保溫絕熱套使之能夠在水浴環(huán)境中保持穩(wěn)定的冷凍夾持功能；用制冷劑輸入、輸出管將制冷劑壓縮機(jī)與夾頭蒸發(fā)器連接，保持夾具內(nèi)制冷劑循環(huán)流動(dòng)，使其具備持續(xù)制冷功能；用透明塑料桶、發(fā)熱管及溫度自動(dòng)控制器制作與夾具相匹配的能夠模擬生理環(huán)境的恒溫鹽水浴缸；設(shè)計(jì)制作冷凍夾具與成品材料試驗(yàn)機(jī)相組裝的連接配件；冷凍央具、恒溫水浴缸與材料試驗(yàn)機(jī)組裝

4、。 2．冷凍夾具在水浴條件下的性能測(cè)試：通過制冷速度、制冷維持時(shí)間、夾持的穩(wěn)定性、夾持力大小等指標(biāo)對(duì)其制冷效能和夾持的穩(wěn)定性進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。 3．冷凍夾具在動(dòng)物組織上的應(yīng)用：應(yīng)用該夾具對(duì)雞屈趾肌腱和豬膝關(guān)節(jié)韌帶纖維束在37℃鹽水浴條件下進(jìn)行單軸反復(fù)拉伸測(cè)試，進(jìn)一步檢測(cè)夾具的可靠性；另外根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出試件的應(yīng)力應(yīng)變方程，并對(duì)方程有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)。 結(jié)果： 1．夾具制冷效能評(píng)價(jià)，夾具在啟動(dòng)制冷后的5～10 mi

5、n內(nèi)其內(nèi)部溫度從室溫10℃降到-20℃以下，其降溫速度為3±l℃/min。并在整個(gè)加載卸載的120 min過程中持續(xù)保持在-20+1℃。 2．央具央持穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，對(duì)直徑3 mm柔軟尼龍絲線進(jìn)行20次加載卸載實(shí)驗(yàn)，除首次加載過程中絲線在夾具內(nèi)有細(xì)微滑動(dòng)外其余19次無滑動(dòng)或滑脫發(fā)生。 3．夾具央持力評(píng)價(jià)，該冷凍夾頭能夠牢固央持直徑3 mm的尼龍絲線，在20次的反復(fù)加載卸載過程中每次力值均接近或超過50 kg傳感器的上限，最大

6、夾持力達(dá)到499.14±1.05 N。 4．應(yīng)用該夾具分別對(duì)雞屈趾肌腱和豬膝關(guān)節(jié)外側(cè)副韌帶纖維束進(jìn)行模擬生理?xiàng)l件下10次反復(fù)加載卸載，試件無1次滑脫或斷裂發(fā)生；所導(dǎo)出的豬膝韌帶試件的應(yīng)力應(yīng)變方程有效。 結(jié)論： 這種對(duì)管狀蒸發(fā)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)性創(chuàng)新，并增加了制冷劑循環(huán)設(shè)備和夾頭防水絕熱設(shè)計(jì)的生物軟組織冷凍夾具能穩(wěn)固夾持直徑0.5～3.0 mm之間的軟組織材料，其最大夾持力在500 N以上；該夾具系統(tǒng)能夠在空氣和水浴兩種條