【技术实现步骤摘要】
基于纳米压痕和纳米划痕的钙化骨力学性能实验方法
本专利技术属于生物材料微纳米力学测试方法,特别是通过纳米压痕和纳米划痕进行实验的方法。
技术介绍
成熟的关节软骨自关节面向深部可分为浅表层、过渡层、辐射层和钙化骨4层结构。未成熟的关节软骨仅具软骨细胞增殖区,以满足生长。其中,关节面的浅表层增殖区扩大了关节软骨的范围,而深层增殖区则以成骨方式形成软骨下骨,此时软骨钙盐沉积与吸收处于平衡,使骨骼继续长粗、长长。骨骼发育成熟后,即17岁以后,软骨内骨化生长随之停止,此时基质沉积的钙盐不再被吸收,形成钙化骨结构。钙化骨位于潮线与黏合线之间,结构致密,内有少量软骨细胞。潮线结构是关节软骨成熟的标志,是钙化骨与未钙化软骨之间分界线,利用特异性染色方法可以清晰显示潮线结构。关节软骨的非钙化骨与钙化骨之间存在间隙,骨刀垂直关节表面,通过骨锤敲击后,可使软骨的非钙化骨从潮线处与钙化骨分开。扫描电镜观察界面结果显示,非钙化骨呈现沟壑状结构,沟面为分布均匀的絮状突起;钙化骨表面为分布均匀的沙硕状突起。将界面相互铆合的沟壑状结构为一种界面之间的连接方式――“沟壑铆合”,非钙化骨的细小絮状突起与钙化骨的沙硕状突起之间形成另外一种连接方式――“沙硕镶嵌”。虽然两种连接方式均以突起与凹陷铆合,但两者存在明显不同。“沟壑铆合”连接方式中,非钙化骨主要呈现壑状凸起,钙化骨主要呈现沟状凹陷;在“沙硕镶嵌”连接方式中,钙化骨表面的沙硕状突起被镶嵌在非钙化骨表面的絮状突起之间。这不但增加了界面之间的连接面积,也增加了连接强度。尽管如此,潮线结构依然是关节最脆弱的地方,在外伤或病变导致软骨分离时,剥 ...
【技术保护点】
基于纳米压痕和纳米划痕的钙化骨力学性能实验方法,其特征在于:该方法的具体步骤如下:首先,将关节软骨置于金属试样杯中,提动关节韧带,保证被测关节软骨表面高于试样杯口0.5毫米‑1毫米;对高于试样杯口的关节表面通过生物材料研磨、抛光方法,制成用于纳米压痕实验的试样;通过纳米压痕仪自带光学显微镜定位一定范围骨‑钙化骨的矩形区域;划痕起始位置为矩形区域的左边界,划痕开始之前在起始点进行预压入五次;通过反馈调节方法,使得压头保持恒定划入深度,慢速划过骨、界面和钙化骨,接下来按照平行、等间距、等深度进行划痕操作;通过接触力学判断准则,获得每条划痕过渡区的起始点和结束点位置;以矩形区域左下角顶点为零点,建立包括全部划痕路径的直角坐标系,将划痕路径上采集点的坐标导入origin,并将过渡区的起始点和结束点依次连接成线;在起始点连线左侧相邻划痕间中心位置进行压入深度小于划痕深度的压痕实验,即测得未修正的骨弹性模量;在结束点连线右侧相邻划痕间中心位置进行压入深度小于划痕深度的压痕实验,即测得未修正的钙化骨弹性模量;将测得弹性模量带入修正公式,计算获得划痕引起的结构柔度;将计算得到的结构柔度与仪器框架的结构 ...
【技术特征摘要】
1.基于纳米压痕和纳米划痕的钙化骨力学性能实验方法,其特征在于:该方法的具体步骤如下:首先,将关节软骨置于金属试样杯中,提动关节韧带,保证被测关节软骨表面高于试样杯口0.5毫米-1毫米;对高于试样杯口的关节表面通过生物材料研磨、抛光方法,制成用于纳米压痕实验的试样;通过纳米压痕仪自带光学显微镜定位一定范围骨-钙化骨的矩形区域;划痕起始位置为矩形区域的左边界,划痕开始之前在起始点进行预压入五次;通过反馈调节方法,使得压头保持恒定划入深度,慢速划过骨、界面和钙化骨,接下来按照平行、等间距、等深度进行划痕操作;通过接触力学判断准则,获得每条划痕过渡区的起始点和结束点位置;以矩形区域左下角顶点为零点,建立包括全部划痕路径的直角坐标系,将划痕路径上采集点的坐标导入origin,并将过渡区的起始点和结束点依次连接成线;在起始点连线左侧相邻划痕间中心位置进行压入深度小于划痕深度的压痕实验,即测得未修正的骨弹性模量;在结束点连线右侧相邻划痕间中心位置进行压入深度小于划痕深度的压痕实验,即测得未修正的钙化骨弹性模量;将测得弹性模量带入修正公式,计算获得划痕引起的结构柔度;将计算得到的结构柔度与仪器框架的结构柔度相加得到修正后的框架柔度,重新计算骨与钙化骨弹性模量,获得修正后的骨与钙化骨弹性模量。2.根据权利要求1所述基于纳米压痕和纳米划痕的钙化骨力学性能实验方法,其特征在于:矩形区域延划痕方向的长度为100微米-200微米。3.根据权利要求1所述基于纳米压痕和纳米划痕的钙化骨力学性能实验方法,其特征在于:反馈调节方法,对PID控制器进行调解时,P值为10000至1000000,I值为100至500,D值为1000至10000,调节时力的变化速度是±0.1毫牛/秒至±1毫牛/秒。4.根据权利要求1所述基于纳米压痕和纳米划痕的钙化骨力学性能实验方法,其特征在于:接触力学判断准则,实验用Berkovich压头是三棱锥压头,在划痕过程中通过棱划开试样,为分析方便简化为二维模型的一个边,叫做前边;由于划痕过程中后侧面不与被测材料接触,将后侧面简化为二维模型的一个边,叫做后边;由于当划入深度为数微米时,压头在划痕过程中不会划到骨与钙化骨多相交叉在一起的情况,因此将划入过程中骨与钙化骨间的边界简化成一条直线。5.根据权利要求1所述基于纳米压痕和纳米划痕的钙化骨力学性能实验方法,其特征在于:前边与划痕方向的夹角α1同边界与划痕方向的夹角α2会有三种关系,即:(1).α1>α2;(2).α1<α2;(3)....
【专利技术属性】
技术研发人员:杨庆生,刘志远,郭志明,刘扶庆,
申请(专利权)人:北京工业大学,
类型:发明
国别省市:北京,11
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