生物軟組織原位力學測試：核心概念

• 為什么需要“原位"測試？

• 避免樣本失真：傳統測試需將組織從活體取出，但離體后組織狀態會改變，無法代表其真實的力學行為。

• 攻克取樣難題：像人體足底軟組織這類組織，幾乎不可能在不影響其功能的前提下取樣。

• 實現微觀觀測：配合高倍顯微鏡，可以實時觀察組織在受力時的微觀結構變化，如裂紋萌生、細胞形變等。

• 測試如何實現？
  它就像一臺高度精密、能在顯微鏡下使用的微型“健身器"和“攝像機"的組合：

1. 微型化設計與驅動：設備體積小巧，可以放入SEM、AFM等顯微鏡的真空腔內。通過滾珠絲杠或電磁力電機驅動夾具，實現精確的拉伸、壓縮等動作。

2. 保持樣品位置不動：采用兩端對稱加載的方式，確保測試過程中樣品的中心點始終鎖定在顯微鏡的視野中央，便于連續觀測。

3. 高精度數據采集與控制：內置高精度傳感器，實時記錄力的變化和樣品形變。同時，通過專業軟件精確控制加載波形（如正弦波、三角波），模擬復雜的生理載荷。

4. 模擬生理環境：通常配備水浴系統，可在37℃的模擬體液（如PBS緩沖液）中進行測試，更真實地模擬生物體內環境。

• 主要測試類型

• 單/雙軸拉伸/壓縮：評估組織在單一或兩個垂直方向上的力學性能。

• 疲勞測試：模擬組織在長期、循環載荷（如心跳、關節運動）下的性能退化過程。

• 壓痕測試：用微型探針壓入組織表面，測量其局部硬度等特性。

• 多載荷耦合測試：同時施加拉伸、壓縮、剪切等多種載荷，模擬真實復雜的受力情況。

?? 凱爾測控的原位力學測試方案

公司背景

凱爾測控（CARE）是一家總部位于天津的國家高新技術企業，專注于疲勞試驗系統和原位力學測試系統的研發與生產。其核心優勢在于自主研發了電磁力電機，打破了國外的技術壟斷，并在此基礎上開發出原位力學測試系列產品。

主要設備系列與參數

以下是針對生物軟組織研究的主力機型。

1. 微型多尺度原位力學試驗系統 (IBTC系列)
適用于單軸加載下的微觀力學研究。

• 技術特點：微型化設計，可兼容SEM、AFM等設備；采用雙螺紋螺桿對稱加載，保證樣品中心靜止；具備力、位移、應變三種閉環控制模式。

• 典型型號 (IBTC-100SL)：

• 最大載荷：100 N

• 載荷精度：優于示值±0.2%

• 位移分辨率：0.1 μm

• 凈重：約3.3 kg

• 適用材料：生物材料、水凝膠、高分子薄膜等。

• 可定制液氮低溫臺、高低溫環境箱，實現-196℃~400℃溫控。

2. 原位雙軸力學試驗系統 (IPBF系列)
適用于模擬雙軸加載的復雜受力場景。

• 技術特點：保持試樣中心不變，便于觀測；選配視頻引伸計，實現雙軸應變非接觸測量；自帶水浴系統，可模擬生理環境；搭載多軸材料力學測試軟件。

• 典型型號 (IPBF-300)：

• 最大載荷：300 N

• 位移分辨率：0.1 μm

• 加載頻率范圍：0.001 Hz ~ 1 Hz

• 作動行程：30mm~120mm（水浴環境最大100mm）。

• 適用材料：生物軟組織、水凝膠薄膜、柔性電子器件等。

3. 配合掃描電鏡的原位拉伸臺
專為與SEM聯用而優化的測試模塊。

• 技術特點：可定制尺寸，適配不同SEM載物臺；具備真空與電磁兼容性，確保SEM成像質量。

• 典型型號 (IBTC-3000MINI)：具體參數可定制。

• 適用材料：生物骨材料、生物軟組織材料、高分子材料等。

• 可定制溫控、DIC等功能。

核心優勢與技術創新

• 對稱加載技術：確保樣品中心靜止，是實現高質量原位觀測的核心。

• 高精度與高分辨率：載荷精度可達0.2%或0.5%，位移分辨率均為0.1μm。

• 多物理場環境模擬：可集成水浴、高低溫、腐蝕等多種環境模塊，模擬接近生理的測試條件。

• 自主研發的控制軟件：提供模塊化、可自定義的試驗流程，功能靈活。

?? 應用實例與研究佐證

• 活體組織評估：一項2024年的研究利用類似DMA的設備，成功對人足底軟組織進行了原位動態力學分析。

• 仿生材料評估：在開發水凝膠韌帶仿生材料時，凱爾測控的系統被用于測試和評估其力學性能是否匹配生物組織。

• 微觀失效分析：在SEM下，凱爾測控的系統被用于實時觀察裂紋在材料中的萌生與擴展過程。

• 模擬生理環境測試：通過水浴系統，研究者可以在37℃的PBS緩沖液中測試生物材料的力學性能，更貼近真實生理環境。

• 客戶合作：凱爾測控的合作客戶包括浙江大學、北京航空航天大學、北京大學人民醫院等頂尖高校和醫院。