[實用新型]用于太赫茲原位沖擊測試的仿生骨骼樣品

有效

• 申請號: 201820798782.1
• 申請日: 2018-05-28
• 公開（公告）號: CN208313736U
• 公開（公告）日: 2019-01-01
• 發明（設計）人: 馬志超;張紅詔;趙宏偉;任露泉;強振峰;蔣東穎;嚴家琪;杜希杰;馬筱溪
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N3/30
• 分類號: G01N3/30;G01N21/3586;G01N1/28
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 王怡敏

本實用新型涉及一種用于太赫茲原位沖擊測試的仿生骨骼樣品，屬于生物力學測試領域。通過由表及里的拓撲結構構建由仿生皮膚?肌肉?骨組成的仿生骨骼樣品。制備具有多孔梯度特性的仿生骨，與天然生物肌肉力學性能相近的仿生肌肉亦附著于仿生骨外層，其外層包裹人造皮膚，制作成模擬完整生物肢體結構的仿生骨骼樣品。將薄膜式壓力傳感器嵌入仿生骨骼樣品各組成部分，對仿生骨骼樣品各組成部分所受沖擊力值進行全方位、多層次、立體式檢測。可替代天然骨進行沖擊性能實驗并能集成多種新型檢測方式，不僅為生物材料沖擊性能測試提供一種有效的工具，而且為仿生肢體、植入式仿生骨骼等仿生材料器具的沖擊破壞機理的研究提供一種新的研究手段。

技術領域

本實用新型涉及生物力學測試領域，特別涉及一種用于太赫茲原位沖擊測試的仿生骨骼樣品。本實用新型可用于模擬天然生物材料的力學性能并代替其進行太赫茲實時原位檢測下的沖擊測試，為仿生材料樣品沖擊性能測試提供一種重復性強、可大量制備的多功能樣品，該樣品彌補了天然骨制成樣品后在結構和成分有較大差異性的缺點，減少天然骨差異帶來的不必要的實驗變量，為天然骨沖擊性能測試提供制備簡單且力學性能重復性高的標準化樣品，也為仿生材料、醫用生物材料等材料的力學性能測試提供一種新的研究手段。

背景技術

在日常生活中，生物體經常會遭受各種各樣的沖擊載荷的影響，由于沖擊載荷瞬間的產生破壞力較大，往往會對生物體帶來巨大的傷害，尤其是骨骼，在受到較大沖擊載荷時往往會產生骨裂、骨折等較為嚴重的后果。因此我們需要對生物體的骨的在沖擊力作用下的失效、破壞機理進行研究，由于天然骨是比較復雜，不同部位、不同作用的骨的形狀、結構、密度、硬度都存在著明顯的差異，對骨骼進行沖擊實驗往往會因為樣品的制作、天然骨的獲取來源有限而使實驗結果差異性大，甚至有些實驗骨（如人體骨）本身就難以獲取，因此尋找在力學性能上接近天然骨且能大量制取的替代樣品成為了天然骨沖擊性能測試亟需解決的一個難題。

生物醫用材料具有以下特性：良好的生物相容性、安全性、一定的機械強度、可控制的生物降解性，這些特性也是天然的生物材料所擁有的，由于擁有這些其它材料不可比擬的優勢，使得其在為研究天然生物材料沖擊性能測試提供了一條嶄新的途徑。天然骨是天然有機物和無機物的復合材料，主要由有機物、無機物和水等組成，有機物成分約占骨的總質量的35%，其中膠原纖維約占95%，其余為無定形基質。膠原纖維中I型膠原纖維占90%。無定形基質主要是蛋白質和多糖的復合物，如硫酸軟骨素、透明質酸等。無機物占了骨的總質量的60%~70%，其主要成分是羥基磷灰石。針對骨的仿生開始主要以成分和結構為主，但由于這種仿生材料制作的仿生骨具有脆性大、力學性能較之天然骨差等缺點，促使人們必須對其進行改進。目前仿生骨的主要材料分為以下三類：HA/有機復合材料，有機相為膠原、聚乙烯、聚甲基丙烯酯甲酯等；HA/無機復合材料，其無機相主要是CaO、Al₂O₃、CaSO₄等；HA薄膜，基底主要是金屬，包括Ti、Co-Cr-Mo合金和不銹鋼等。為使仿生骨結構在力學性能上接近天然骨生物材料和處于集成太赫茲成像技術進行原位檢測的需要，在制造時選擇HA/有機復合材料。較之后兩種材料這種材料在組成方面與天然骨的成分更為接近，利用這種材料制作的樣品在沖擊性能方面更接近天然骨，實驗數據的可靠性更高，差異性更小。“3D打印技術”也叫“增材制造技術”，是一種使用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料逐層快速成型技術。3D打印技術可以制作結構和形狀很復雜的實體，并且不需要制造生產所需的磨具。相對于傳統的減材制造方式是基于切除多余的材料加工出所需的形狀，3D打印技術可根據加工的結構、尺寸要求合理地使用、分配材料，使得材料的利用率有了顯著的提高，極大地節省了材料和加工成本。如今隨著3D打印技術和設備的發展和成熟，它的使用范圍越來越廣，打印材料的種類也逐漸增多。目前，3D打印技術已經應用到生物醫療領域，尤其是在仿生骨等領域，通過對所要制作的骨骼解剖模型進行結構分析，研究骨骼的內部微細結構、外形輪廓以及力學性能，然后將得到的數據轉化為3D打印的制造參數，通過控制3D打印工藝參數、基本材料成分和材料的尺寸、形狀，由此制造的仿生模具就具備了天然骨的密質骨和松質骨的結構特征，并且擁有和天然骨非常接近的力學性能，仿生骨可從結構、力學性能、外形、制造精度及表面粗糙度等方面實現對骨骼的仿造。通過3D打印技術制造的樣品不僅滿足結構和力學性能方面對天然骨的模擬，而且具有較高的加工精度和加工效率。因此選用此加工方式完成對樣品的制造。太赫茲是一種波長在0.03mm~3mm之間的電磁波，對應的頻率為10THZ~0.1THZ，由于超快激光技術的發展，使得太赫茲技術日趨成熟，太赫茲技術在通信、國防、醫學、航天方面蘊藏著巨大的應用前景和無可比擬的優勢，因而受到了發達國家的廣泛重視。在生命醫學領域，太赫茲具有以下獨特的應用優勢和特性。1）太赫茲的光子能量很低，約是X射線的1/10⁶，這個能量不會電離生物體內的分子。2）多數生物大分子的震動和旋轉頻率都在太赫茲范圍內，因而在太赫茲波段表現出很強的吸收和諧振。3)太赫茲能以很小的衰減穿透非金屬物質如脂肪、纖維、塑料等。基于太赫茲的生物無害性、高穿透性等獨特優勢，將其運用到生物材料的沖擊性能測試上，可為研究骨骼結構變形、內部裂紋、破壞機理提供一種新型檢測手段和研究角度。