新型生物軟組織冷凍夾具系統(tǒng)的研制與初步應用.pdf

1、生物力學是醫(yī)學科學研究的重要途徑之一，在對生物組織進行力學分析的過程中，應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80年代冷凍夾持技術被首次運用到生物力學領域，其獨特的夾持固定方式明顯降低了應力不均和材料損傷發(fā)生的可能性。但是，由于冷凍夾持技術具有較高技術含量僅被應用于航空航天、精密儀器和國防等高端產業(yè)，推廣應用比較困難，相關技術細節(jié)也很少公開報道。目前有少數(shù)發(fā)達國家生產制造用于軟組織材

2、料測試的冷凍央具，但其用途有限且價格昂貴。人體膝關節(jié)交叉韌帶纖維束的生物力學性能測試中，韌帶游離端的夾持固定一直是阻礙研究進展的技術瓶頸。 目的： 針對現(xiàn)有生物軟組織冷凍夾具功能上存在的不足，以及因技術含量較高和售價昂貴導致該類設備推廣應用困難的現(xiàn)狀。研制一種造價低廉，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。同時為人膝關節(jié)交叉韌帶纖維束生物力學的進一步研究創(chuàng)造條件。 方法：

3、1．冷凍央具的設計與制造：對金屬銅管進行結構創(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；在夾頭上設計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與夾頭蒸發(fā)器連接，保持夾具內制冷劑循環(huán)流動，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；設計制作冷凍夾具與成品材料試驗機相組裝的連接配件；冷凍央具、恒溫水浴缸與材料試驗機組裝

4、。 2．冷凍夾具在水浴條件下的性能測試：通過制冷速度、制冷維持時間、夾持的穩(wěn)定性、夾持力大小等指標對其制冷效能和夾持的穩(wěn)定性進行初步評價。 3．冷凍夾具在動物組織上的應用：應用該夾具對雞屈趾肌腱和豬膝關節(jié)韌帶纖維束在37℃鹽水浴條件下進行單軸反復拉伸測試，進一步檢測夾具的可靠性；另外根據實驗數(shù)據導出試件的應力應變方程，并對方程有效性進行評價。 結果： 1．夾具制冷效能評價，夾具在啟動制冷后的5～10 mi

5、n內其內部溫度從室溫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)定性評價，對直徑3 mm柔軟尼龍絲線進行20次加載卸載實驗，除首次加載過程中絲線在夾具內有細微滑動外其余19次無滑動或滑脫發(fā)生。 3．夾具央持力評價，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、夾持力達到499.14±1.05 N。 4．應用該夾具分別對雞屈趾肌腱和豬膝關節(jié)外側副韌帶纖維束進行模擬生理條件下10次反復加載卸載，試件無1次滑脫或斷裂發(fā)生；所導出的豬膝韌帶試件的應力應變方程有效。 結論： 這種對管狀蒸發(fā)器進行結構性創(chuàng)新，并增加了制冷劑循環(huán)設備和夾頭防水絕熱設計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