骨组织-金属植体复合体原位力学性能测试装置及方法制造方法及图纸

提供一种骨组织‑金属植体复合体原位力学性能测试装置，包括原位扫描电子显微镜，原位扫描电子显微镜上设试验平台，试验平台上设有将骨组织‑金属植体复合体夹持的固定夹紧夹具，试验平台上还设有模拟加载装置，骨组织‑金属植体复合体包括骨组织和金属植体，骨组织和金属植体各自外表面以及两者结合界面处均装有应变片传感器，模拟加载装置模拟外加载荷并施加于骨组织‑金属植体复合体上，通过原位扫描电子显微镜精准观测骨组织‑金属植体复合体在外加载荷过程中的微观结构变形及损伤机理演变过程，通过应变片传感器采集骨组织、金属植体及二者结合界面处的生物力学性能参数，为金属植入物的生物力学相容性评价以及揭示异种材料之间的应力传导机制提供理论指导。

In-situ mechanical properties testing device and method of bone tissue-metal implant composite

A device for testing in-situ mechanical properties of bone tissue and metal implant complex is provided, including in-situ scanning electron microscopy, in-situ scanning electron microscopy with test platform, fixed clamping fixture for clamping bone tissue and metal implant complex on test platform, and simulation loading device on test platform. Bone tissue and metal implant complex includes bone tissue and gold. A strain gauge sensor is installed on the outer surface of bone tissue and metal implant and the interface between them. The loading device simulates the external loading and applies it to the bone tissue and metal implant complex. In situ scanning electron microscopy is used to precisely observe the evolution process of the microstructure deformation and damage mechanism of the bone tissue and metal implant complex during the external loading process. The biomechanical properties of bone tissue, metal implants and their interface were collected by strain gauge sensor, which provided theoretical guidance for the biomechanical compatibility evaluation of metal implants and revealing the stress conduction mechanism between heterogeneous materials.

【技术实现步骤摘要】
骨组织-金属植体复合体原位力学性能测试装置及方法
本专利技术属人体植体检测
，具体涉及一种骨组织-金属植体复合体原位力学性能测试装置及方法。
技术介绍
近年来，临床对长期服役的外科植入物需求逐年递增。预期到2030年，全髋关节置换术增幅将达174％(约57.2万例)，膝关节置换术增幅达673％(约348万例)。临床统计数据表明，部分患者在术后10年左右时，由于植入人工关节、牙种植体等金属植入假体与机体骨组织之间的生物力学匹配不佳，开始陆续出现假体松动、下沉或折断等“远期服役失效”现象，占翻修手术的80％，给病人及家属经济和生活带来了沉重的负担。种植体的生物力学相容性主要包括3方面：(1)种植体在承受一定载荷时，保证不发生严重变形或断裂失效等现象；(2)种植体在体内长期服役期间，对周围骨组织可产生充分的应力传递，避免出现骨萎缩、植体松动；(3)种植体对周围骨组织传递的应力值极限不能超过人体生理限度，避免出现骨组织二次创伤或骨吸收。金属植体植入骨组织后，形成骨整合界面，在承受载荷时，植体、骨组织及其界面上存在三种应力方式：压应力、张应力和剪切应力。其中，张应力和剪切应力过大是造成结合界面破坏失效的主要因素。由于金属种植体长期服役于人体复杂生理环境，植体材料的可靠性、安全性和寿命预测显得十分重要。通过力学试验机测试材料本身的性能参数(强度、弹性模量、硬度)，是对材料力学性能进行评价的重要手段。但是，传统设备绝大多数是单一载荷检测，无法满足处于复杂服役环境下材料的力学性能测试与安全可靠性评价。因此有必要提出改进。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题：提供一种骨组织-金属植体复合体原位力学性能测试装置及方法，本专利技术能够原位精准观测骨组织-金属植体复合体试样在模拟外加载荷过程中的微观结构变形及损伤机理演变过程，同时，能自动实时采集相关力学性能数据，为金属植入物与人体骨组织间的生物力学相容性评价以及揭示异种材料之间的应力传导机制提供理论指导。本专利技术采用的技术方案：骨组织-金属植体复合体原位力学性能测试装置，包括原位扫描电子显微镜，所述原位扫描电子显微镜上水平设有试验平台，所述试验平台上端面一边固定设有将骨组织-金属植体复合体进行水平夹持的固定夹紧夹具，所述试验平台上端面另一边设有对骨组织-金属植体复合体施力的模拟加载装置，所述骨组织-金属植体复合体包括组合在一体的骨组织和金属植体，所述骨组织和金属植体各自的外表面以及骨组织与金属植体结合界面处均安装有应变片传感器，所述模拟加载装置模拟出金属植体在人体对应部位所受的外加载荷并施加于骨组织-金属植体复合体上，通过所述原位扫描电子显微镜对骨组织-金属植体复合体在受到外加载荷过程中的微观结构变形及损伤机理演变过程进行原位精准观测，通过所述应变片传感器对骨组织、金属植体及二者结合界面处各部位的生物力学性能参数变化进行实时监测与采集。其中，所述固定夹紧夹具采用夹头夹紧结构，具体的，所述夹头夹紧结构包括锥形夹头体、锥套、压紧套和支撑座，所述试验平台上固定设有固定座，所述固定座一侧连接有支撑座，所述支撑座内腔中设有弹簧，所述弹簧一侧水平设有锥形夹头体，所述锥形夹头体前部外表面为圆锥形，所述锥套套于锥形夹头体外部，所述锥套内表面前部为与锥形夹头体的圆锥形外表面适配的圆锥形内表面，所述压紧套套于锥套外部，所述压紧套前端设有沿径向往内凸出而将锥套前端压住的环形凸台，所述压紧套内表面后部通过螺纹结构与支撑座外表面旋合，所述压紧套在螺纹旋合过程中左移压动锥套移动，所述锥套通过锥面结构驱动锥形夹头体将骨组织-金属植体复合体夹紧。所述固定夹紧夹具采用双夹块夹紧结构，具体的，所述双夹块夹紧结构包括固定于试验平台上的底座，所述底座上端面两侧均设有支撑板，各所述支撑板上螺纹水平旋合有螺杆，两个所述螺杆相对端均设有夹块，所述底座上端面中部设有使夹块沿其移动的滑道。所述模拟加载装置包括竖直设于试验平台上端面一边的竖梁，所述竖梁上竖直设有滑轨，加载臂一端与滑轨滑动连接且水平悬于竖梁一侧，所述加载臂上设有沿其左右移动的直线电机，所述直线电机输出端上设有加载触头。一种骨组织-金属植体复合体原位力学性能测试方法，包括以下步骤，1)扫描用于安装金属植体人体处的骨槽，确定骨组织和金属植体的形态结构参数，通过压力薄膜传感器测量金属植体植入人体内后使用状态下所受的外载荷；2)根据步骤1中获取的参数，用取自动物的骨组织制作骨组织，并制作金属植体，在骨组织和金属植体表面分别安装应变片传感器，然后按照金属植体在人体内的植入方法将其与骨组织组合为一体形成骨组织-金属植体复合体，并在两者的结合界面处安装应变片传感器；3)将骨组织-金属植体复合体安装固定在所述的骨组织-金属植体复合体原位力学性能测试装置中的固定夹紧夹具上，将固定夹紧夹具和模拟加载装置按位置固定在试验平台上，调整模拟加载装置中加载臂的角度，使之施加力的外力载荷与步骤1中测得的数据一致，同时将加载触头充分接触到金属植体的上表面，再固定住加载臂，启动模拟加载装置进行模拟实验；4)通过原位扫描电子显微镜原位精准观测骨组织-金属植体复合体在受到外加载荷过程中的微观结构变形及损伤机理演变过程，通过应变片传感器实时采集金属植体、骨组织及其二者的结合界面处在受力过程中各区域的生物力学性能参数，并输送到电脑。本专利技术与现有技术相比的优点：1、本方案在配有原位加载装置的扫描电子显微镜下，原位精准观测骨组织-金属植体复合体试样在进行轴向压缩、拉伸、循环加载过程等外加载荷过程中的微观结构变形及损伤机理演变过程，同时，通过应变片传感器自动采集相关力学性能数据，如金属植体材料、骨组织及其界面在加载不同时刻的强度、塑性、弹性模量、泊松比等生物力学性能参数，建立上述各生物力学性能参数与时间的动态关系曲线，为金属植入物与人体骨组织间的生物力学相容性评价以及揭示异种材料之间的应力传导机制提供理论指导。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术中采用双夹块夹紧结构的固定夹紧夹具的结构示意图；图3为本专利技术中采用夹头夹紧结构的固定夹紧夹具的结构示意图；图4为本专利技术中骨组织-金属植体复合体的结构示意图。具体实施方式下面结合附图1-4描述本专利技术的实施例。骨组织-金属植体复合体原位力学性能测试装置，如图1所示，包括原位扫描电子显微镜1，所述原位扫描电子显微镜1为现有的设备，可以根据本专利技术的试验需要选择合适规格的原位显微镜。所述原位扫描电子显微镜1上水平设有试验平台2，所述试验平台2上端面一边固定设有将骨组织-金属植体复合体5进行水平夹持的固定夹紧夹具4，所述试验平台2上端面另一边设有对骨组织-金属植体复合体5施力的模拟加载装置3，所述骨组织-金属植体复合体5包括组合在一体的骨组织6和金属植体7，如图4所示，所述骨组织6和金属植体7各自的外表面以及骨组织6与金属植体7结合界面处均安装有应变片传感器8，所述模拟加载装置3模拟出金属植体7在人体对应部位所受的外加载荷并施加于骨组织-金属植体复合体5上，通过所述原位扫描电子显微镜1对骨组织-金属植体复合体5在受到外加载荷过程中的微观结构变形及损伤机理演变过程进行原位精准观测，通过所述应变片传感器8对骨组织6、金属植体7及二者结合界面处各部位的生物力学性能参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.骨组织‑金属植体复合体原位力学性能测试装置，其特征在于：包括原位扫描电子显微镜(1)，所述原位扫描电子显微镜(1)上水平设有试验平台(2)，所述试验平台(2)上端面一边固定设有将骨组织‑金属植体复合体(5)进行水平夹持的固定夹紧夹具(4)，所述试验平台(2)上端面另一边设有对骨组织‑金属植体复合体(5)施力的模拟加载装置(3)，所述骨组织‑金属植体复合体(5)包括组合在一体的骨组织(6)和金属植体(7)，所述骨组织(6)和金属植体(7)各自的外表面以及骨组织(6)与金属植体(7)结合界面处均安装有应变片传感器(8)，所述模拟加载装置(3)模拟出金属植体(7)在人体对应部位所受的外加载荷并施加于骨组织‑金属植体复合体(5)上，通过所述原位扫描电子显微镜(1)对骨组织‑金属植体复合体(5)在受到外加载荷过程中的微观结构变形及损伤机理演变过程进行原位精准观测，通过所述应变片传感器(8)对骨组织(6)、金属植体(7)及二者结合界面处各部位的生物力学性能参数变化进行实时监测与采集。

【技术特征摘要】
1.骨组织-金属植体复合体原位力学性能测试装置，其特征在于：包括原位扫描电子显微镜(1)，所述原位扫描电子显微镜(1)上水平设有试验平台(2)，所述试验平台(2)上端面一边固定设有将骨组织-金属植体复合体(5)进行水平夹持的固定夹紧夹具(4)，所述试验平台(2)上端面另一边设有对骨组织-金属植体复合体(5)施力的模拟加载装置(3)，所述骨组织-金属植体复合体(5)包括组合在一体的骨组织(6)和金属植体(7)，所述骨组织(6)和金属植体(7)各自的外表面以及骨组织(6)与金属植体(7)结合界面处均安装有应变片传感器(8)，所述模拟加载装置(3)模拟出金属植体(7)在人体对应部位所受的外加载荷并施加于骨组织-金属植体复合体(5)上，通过所述原位扫描电子显微镜(1)对骨组织-金属植体复合体(5)在受到外加载荷过程中的微观结构变形及损伤机理演变过程进行原位精准观测，通过所述应变片传感器(8)对骨组织(6)、金属植体(7)及二者结合界面处各部位的生物力学性能参数变化进行实时监测与采集。2.根据权利要求1所述的骨组织-金属植体复合体原位力学性能测试装置，其特征在于：所述固定夹紧夹具(4)采用夹头夹紧结构，具体的，所述夹头夹紧结构包括锥形夹头体(411)、锥套(412)、压紧套(413)和支撑座(414)，所述试验平台(2)上固定设有固定座，所述固定座一侧连接有支撑座(414)，所述支撑座(414)内腔中设有弹簧(415)，所述弹簧(415)一侧水平设有锥形夹头体(411)，所述锥形夹头体(411)前部外表面为圆锥形，所述锥套(412)套于锥形夹头体(411)外部，所述锥套(412)内表面前部为与锥形夹头体(411)的圆锥形外表面适配的圆锥形内表面，所述压紧套(413)套于锥套(412)外部，所述压紧套(413)前端设有沿径向往内凸出而将锥套(412)前端压住的环形凸台，所述压紧套(413)内表面后部通过螺纹结构与支撑座(414)外表面旋合，所述压紧套(413)在螺纹旋合过程中左移压动锥套(412)移动，所述锥套(412)通过锥面结构驱动锥形夹头体(411)将骨组织-金属植体复合体(5)夹紧。3.根据权利要求1所述的骨组织-金属植体复合体原位力学性能测试装置，其特征在于：所述固定夹紧夹具...

【专利技术属性】
技术研发人员：于振涛，程军，余森，汶斌斌，荆磊，王岚，
申请(专利权)人：西北有色金属研究院，
类型：发明
国别省市：陕西,61