模拟生物材料在力化学耦合环境下的矿化疲劳同步实验装置及方法

本发明涉及生物材料力学测试及仿生矿化实验设备，具体涉及一种模拟生物材料在力化学耦合环境下的矿化疲劳同步实验装置及方法。

背景技术：

1、矿化（或称钙化）是自然界中广泛存在的一种生物学现象。在健康状态下，其多发生于牙齿、骨骼和贝壳等生物硬组织中；然而，在病理状态下，矿化也普遍发生于动脉血管、关节软骨以及心脏瓣膜等生物软组织中。以心脏瓣膜为例，这种病理性矿化会剧烈改变生物软组织的力学性能，导致瓣膜组织增厚、变硬、变形，进而引发瓣膜狭窄和瓣叶运动受限，严重损害跨瓣膜血流动力学，在临床上极易诱发心力衰竭甚至猝死。

2、瓣膜在遭受矿化外还会受到疲劳损伤。作为心脏瓣膜最主要的两种失效模式，矿化损伤与疲劳损伤并非独立存在，而是呈现出极其复杂的相互交织、互为因果的力化学耦合动态反馈关系。现有的零散研究表明：一方面，长期的循环力学疲劳会使胶原纤维产生微观损伤，这些微观损伤区域往往会成为矿物质初始形核与沉积的活性位点，即高机械应力、应变区域通常伴随着更高水平的矿化；另一方面，一旦局部发生矿物质沉积，钙化区域在疲劳载荷下又会加剧胶原分子的解离与剥离，严重破坏胶原基质的结构完整性，从而进一步加速疲劳损伤。

3、尽管学术界和工业界已经意识到了矿化与疲劳之间存在互为因果的互作机制，但现有的实验设备、测试装置和研究方法普遍存在解耦的缺陷。目前的体外研究手段通常只能采用先疲劳加载、后进行矿化处理，或者先人工矿化、再进行疲劳拉伸的割裂式分步方法。这种解耦的测试模式存在以下严重的局限性：

4、1. 无法捕获瞬态协同效应：由于矿化反应与疲劳损伤在时间尺度和空间尺度上是同时发生并实时相互影响的，分步实验完全忽略了力化学耦合环境下两者实时互相影响的动态、协同过程；

5、2.实验结论受限甚至相互矛盾：由于缺乏能够进行同步测试的环境与装置，导致不同研究者在离散实验条件下得出的结论往往存在局限性，甚至在疲劳与矿化是否为独立的失效机制这一核心问题上存在争议。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供了一种模拟生物材料在力化学耦合环境下的矿化疲劳同步实验装置及方法，能够建立原位矿化体系、实现疲劳加载与高效矿化全过程动态同步、并能进行实时原位光学观测的综合实验装置及方法具有重要意义。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、其特征在于，所述装置包括：

4、卧式加载主机，用于输出水平方向的轴向周期疲劳载荷；

5、传力悬臂，其固定连接于所述卧式加载主机的移动作动端，并向所述卧式加载主机的前侧水平延伸；

6、开放溶液槽，独立设置于所述卧式加载主机的前侧，用于盛放矿化溶液以完全浸没生物材料样品；所述传力悬臂的延伸端由上至下跨越进入所述开放溶液槽内；

7、双端悬空夹持组件，悬空设置于所述开放溶液槽内部，且与所述开放溶液槽的内壁及底面均不接触，用于水平夹持所述生物材料样品；

8、原位光学显微观测系统，设置于所述开放溶液槽的外侧上方，用以实时不间断采集所述生物材料样品的裂尖局部区域图像；

9、力传感器，设置于所述开放溶液槽外部，且与所述双端悬空夹持夹具组件连接，用于实时采集所述生物材料样品在力化学耦合过程中的动态载荷数据；

10、位移传感器，与所述卧式加载主机的移动作动端或所述传力悬臂连接，用于实时采集所述生物材料样品在疲劳加载过程中的位移数据。

11、作为优选，所述双端悬空夹持夹具组件包括相对设置的第一夹具和第二夹具；所述第一夹具与所述传力悬臂的延伸端固定连接，作为动态加载端；所述第二夹具与所述力传感器固定连接，作为静态测力端；所述力传感器固定在所述开放溶液槽外或独立于槽体的固定基座上。

12、作为优选，所述原位光学显微观测系统包括多自由度调节支架、安装于所述多自由度调节支架上的数字显微镜头，以及与所述数字显微镜头连接的高分辨率数字相机；所述数字显微镜头的轴线由上至下聚焦于所述生物材料样品的整体或局部区域。

13、本发明还提供了一种基于所述装置的模拟生物材料在力化学耦合环境下的矿化疲劳同步实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

14、步骤一，原位矿化体系液体的配制：采用聚合物诱导液体前体法配制体外矿化溶液，通过向体外矿化溶液加入聚丙烯酸大分子，诱导形成的液体前体进入胶原纤维内部并脱水完成胶原纤维体外矿化。

15、步骤二，样品安装与环境构筑：将待测的生物材料样品两端分别固定在位于开放溶液槽内部的第一夹具与第二夹具上，使生物材料样品保持悬空；向所述开放溶液槽内注入步骤一配制的体外矿化溶液，直至其体外矿化溶液完全浸没所述生物材料样品；

16、步骤三，原位光学对焦：调节原位光学显微观测系统的多自由度调节支架，使数字显微镜头的焦距由上至下精准对准并聚焦于所述生物材料样品整体或局部区域；

17、步骤四，力化学耦合测试与原位同步观测：启动所述卧式加载主机，通过所述传力悬臂对所述生物材料样品施加设定参数的轴向疲劳载荷；在疲劳载荷加载进行的同时，生物材料样品在体外矿化溶液中进行原位矿化反应；在此过程中，利用所述原位光学显微观测系统实时、连续地拍摄并记录所述生物材料样品形貌变化与矿物质沉积状态。

18、作为优选，所述步骤一中体外矿化溶液的配制过程具体为：

19、配制体积相等的溶液a与溶液b；其中，所述溶液a由氯化锶、hepes缓冲液以及聚丙烯酸溶液混合组成；所述溶液b由碳酸钠和氯化钠混合组成；

20、所述矿化溶液由溶液a与溶液b按体积比1:1混合而成；所述溶液a为含有阳离子源、缓冲剂和聚丙烯酸的水溶液，其中阳离子源的浓度与溶液b中阴离子源的浓度之比为1:15，聚丙烯酸的用量为每毫摩尔阳离子对应0.5-2 ml质量分数为25%的聚丙烯酸溶液；所述溶液b为含有阴离子源和氯化钠的水溶液，其中氯化钠的浓度与溶液a中缓冲剂的浓度相同；所述混合过程为：将溶液b以受控速率缓慢加入溶液a中，混合完成后调节ph至碱性范围。

21、本发明相比于现有技术，具有如下显著的有益效果：

22、（1）本发明实现了极其贴合真实体内环境的力化学耦合体外模拟：本发明方法将聚合物诱导液体前体法（pilp）的高效矿化体系与同步疲劳加载装置深度融合。pilp法能够驱动矿物质前体迅速脱水并进入胶原纤维内部，在较短的疲劳周期内即可达到足量的矿化效果。这使得机械疲劳损伤加速矿化形核与矿物沉积加剧胶原纤维解离这两个动态过程能够在同一时空下真正耦合发生，为精准阐明体内生物材料的动态失效机制提供了全新的平台。

23、（2）消除了底面摩擦与振动，实现了高分辨率原位光学对焦：通过将双端悬空夹持组件及生物材料样品悬空设置在溶液槽内，避免了样品或夹具在往复拉伸时与槽底发生接触摩擦。这不仅消除了摩擦阻力，更彻底解决了因摩擦引起的样品微小垂直跳动和振动，确保了上方的原位光学显微观测系统能够始终精准对焦在生物材料样品的目标观察区域，实现了高分辨率的原位微观图像采集。

24、（3）本发明消除了动态密封摩擦力的干扰，保障了微小力值的测量精度：本发明实验装置打破了传统封闭式环境箱的局限，采用卧式加载主机旁置、通过传力悬臂从上方跨越伸入开放式溶液槽的设计，取消了作动轴穿过箱体壁面时所需的动态密封圈。配合力传感器，消除了额外摩擦力对力学传感器的杂波干扰，能够精准、真实地捕捉生物软组织在矿化疲劳测试中微小的载荷演变。