[發明專利]基于納米壓痕和納米劃痕的鈣化骨力學性能實驗方法

有效

• 申請號: 201711132251.5
• 申請日: 2017-11-15
• 公開（公告）號: CN107941588B
• 公開（公告）日: 2020-07-31
• 發明（設計）人: 楊慶生;劉志遠;郭志明;劉扶慶
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01N1/32
• 分類號: G01N1/32;G01N3/02;G01N3/42
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了基于納米壓痕和納米劃痕的鈣化骨力學性能實驗方法，屬于生物材料微納米力學測試方法。將關節軟骨置于金屬試樣杯中，通過接觸力學判斷準則，獲得每條劃痕過渡區的起始點和結束點位置。以矩形區域左下角頂點為零點，建立包括全部劃痕路徑的直角坐標系，并將過渡區的起始點和結束點依次連接成線。將計算得到的結構柔度與儀器框架的結構柔度相加得到修正后的框架柔度，重新計算骨與鈣化骨彈性模量，獲得修正后的骨與鈣化骨彈性模量。通過本發明可以有效的判斷一定深度下的骨?鈣化骨界面影響區，當壓入深度小于劃痕深度時，可以有效避免壓痕壓入在骨?鈣化骨復合相，獲得鈣化骨的納米壓痕力學性能。

技術領域

本發明屬于生物材料微納米力學測試方法，特別是通過納米壓痕和納米劃痕進行實驗的方法。

背景技術

成熟的關節軟骨自關節面向深部可分為淺表層、過渡層、輻射層和鈣化骨4層結構。未成熟的關節軟骨僅具軟骨細胞增殖區，以滿足生長。其中，關節面的淺表層增殖區擴大了關節軟骨的范圍，而深層增殖區則以成骨方式形成軟骨下骨，此時軟骨鈣鹽沉積與吸收處于平衡，使骨骼繼續長粗、長長。骨骼發育成熟后，即17歲以后，軟骨內骨化生長隨之停止，此時基質沉積的鈣鹽不再被吸收，形成鈣化骨結構。

鈣化骨位于潮線與黏合線之間，結構致密，內有少量軟骨細胞。潮線結構是關節軟骨成熟的標志，是鈣化骨與未鈣化軟骨之間分界線，利用特異性染色方法可以清晰顯示潮線結構。關節軟骨的非鈣化骨與鈣化骨之間存在間隙，骨刀垂直關節表面，通過骨錘敲擊后，可使軟骨的非鈣化骨從潮線處與鈣化骨分開。掃描電鏡觀察界面結果顯示，非鈣化骨呈現溝壑狀結構，溝面為分布均勻的絮狀突起；鈣化骨表面為分布均勻的沙碩狀突起。將界面相互鉚合的溝壑狀結構為一種界面之間的連接方式――“溝壑鉚合”，非鈣化骨的細小絮狀突起與鈣化骨的沙碩狀突起之間形成另外一種連接方式――“沙碩鑲嵌”。雖然兩種連接方式均以突起與凹陷鉚合，但兩者存在明顯不同。“溝壑鉚合”連接方式中，非鈣化骨主要呈現壑狀凸起，鈣化骨主要呈現溝狀凹陷；在“沙碩鑲嵌”連接方式中，鈣化骨表面的沙碩狀突起被鑲嵌在非鈣化骨表面的絮狀突起之間。這不但增加了界面之間的連接面積，也增加了連接強度。盡管如此，潮線結構依然是關節最脆弱的地方，在外傷或病變導致軟骨分離時，剝離的位置往往在潮線結構。由于骨-鈣化骨之間是交錯鉚合的，所報道文獻在鈣化骨上的測試點均是隨機選擇，使得在鈣化骨上的測試結果常常受到基底效應和周邊效應的影響，需要設計一種方法來避免這些影響。通常采用組織形態學相關技術與方法，可以對骨組織的形態結構進行有效的研究。可以取骨包埋塊連續切片，染色后在顯微鏡下獲得組織的染色圖像，通過圖像處理軟件采集界面輪廓，再通過建模軟件進行三維重建。也可以將組織固定后選用CT、micro-CT、X-ray等對骨組織進行逐層掃描，將掃描得到的圖片拼接重建。前一種方法分辨力高，理論上可以將通過納米壓痕法測試完的試樣通過此方法篩選不受基底效應和周邊效應的影響的點，然而由于生物材料性能分散度高，常常需要大量實驗，此方法顯然不適于批量實驗研究。后一種方法較易完成，依然需要后期建模研究，而且十微米左右的精度也難于滿足選擇的要求。納米壓痕儀和原子力顯微鏡的原位掃描模式提供了一種接觸掃描的方法，施加微小的力使得壓頭與試樣表面接觸，通過往復的接觸掃描使得壓頭以一定的力同試樣保持接觸，進而輸出試樣的形貌、接觸剛度、相位角和簡諧位移等一系列材料性能，可以用來描述材料表面形貌、表面剛度的變化，然而這些都是材料表面性能，依然難于描述當壓頭壓入一定深度后基底效應和周邊效應的影響。