专利名称：模拟生理条件下的弹性组织拉伸装置及其方法
技术领域：
本发明涉及基础医学实验，特别是提供模拟生理条件的实验装置及实验方法。
背景技术：
在体内进行韧带或肌腱等弹性组织的生理特性研究花费巨大，并且周期很长，所以在体外模拟生理条件并对弹性组织进行研究是目前基础医学实验亟待解决的难题。目前，对弹性组织的体外研究的设备主要由instron公司和bose公司所生产。但现有的设备只能做一些如牛的背肌腱的较大的韧带和肌腱组织的拉伸，拉伸一些小的韧带或肌腱时， 夹持力小时会造成腱或韧带表面滑落，夹持力大时，会对腱或韧带造成损伤并出现断裂，不能很好地完成实验。并且，现有技术不能模拟体内的生理条件。公开号为CN1987408A的发明专利公开了一种生物软组织试验用冷冻拉伸夹头。 该装置通过冷冻使生物软组织与夹具相粘连，从而实现生物力学实验中对实验用的组织样品的夹持。应用该装置进行实验时，样品需送入夹持孔较长的距离且充分冷冻后才能保证夹持的稳定性，从而不能保证样品具有生物活性。另一方面，做较小尺寸韧带拉伸实验时， 实验样品尺寸小，粘连点短，不能保证稳定性；做较大尺寸韧带拉伸实验时，拉力较大，冷冻粘连点易脱落。该装置的冷冻部件设置在37°C的水浴中，需要在夹具外安装性能较好的保温材料，并且需要防水部件。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种在体外模拟生理条件拉伸弹性组织的装置以测定关节等部位弹性组织修复术所需的弹性组织最大断裂应力、最大伸长量以及杨氏模量。本发明夹件部件尺寸可调、夹件冷冻温度可控，使得不同尺寸的实验样品稳定地被夹持，所述样品的生物活性得到保持；本发明的水浴腔深度可调节，可以在拉伸实验的过程中使样品一直处于水浴中，保证其生物活性。本发明的另一目的是提供一种在体外模拟生理条件、拉伸弹性组织的方法。通过所述方法可以在体外模拟生理条件测得关节等部位弹性组织修复术所需的弹性组织的最大断裂应力和最大伸长量，并且确定所述弹性组织的杨氏模量。为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，即一种模拟生理条件下的弹性组织拉伸装置包括连接拉伸机台面且安装有下夹件的下固定件和连接升拉伸机升高件且安装有上夹件的上固定件，所述下夹件和上夹件夹持部位尺寸可调，所述下固定件上安装的密封套管与所述下夹件之间形成容纳生理盐水的水浴腔，所述上固定件安装有环绕上夹件的具有活塞的液氮容器，所述下夹件和上夹件具有供弹性组织穿过的通孔，所述水浴腔的深度由通过螺纹与所述下固定件连接的所述下夹件和密封套管调节，所述液氮容器与上固定件通过螺纹可调连接。调节所述上固定件与液氮容器的相对位置，可以控制包埋处的温度，防止脱落。所述水浴腔的深度可调，可以使样品尽可能地处于水浴中。所述下夹件和上夹件的夹持部位包括由圆锥销连接的左夹件和右夹件。将实验样品固定在两个夹件中，可以防止在拉伸的过程中样品脱落。所述下夹件和上夹件的夹持部位包括由圆锥销连接的左夹件和右夹件。所述左夹件和右夹件之间具有供温度传感器插入的测量槽，可以保证生理条件的模拟。所述下夹件与温度传感器相连，保证了水浴温度在37°C左右。所述上固定件与力学传感器相连以便于控制并测量拉伸量。所述水浴腔安装有具有温度控制功能的加热器。本发明提供一种模拟生理条件下的弹性组织拉伸方法，包括下步骤
1).提取组织从用作实验品的刚死亡的动物体上提取一端带骨的弹性组织作为样
P
m ；
2).样品处理剪除弹性组织周围软组织，并测量所述弹性组织长、宽、厚；
3).包埋处理采用组织冰冻包埋剂对所述样品不带骨的一端进行包埋处理；
4).组装装置将所述拉伸装置的上固定件连接拉伸机的升高件，将所述拉伸装置的下固定件连接拉伸机的底部固定件；
5).生理条件模拟所述拉伸装置的下夹件是安装在下固定件上的，所述下固定件上安装的密封套管与所述下夹件之间形成容纳生理盐水的水浴腔，所述拉伸装置的上夹件是安装在上固定件上的，所述上固定件安装有环绕上夹件的液氮容器，在水浴腔内加入37°C 的生理盐水，在带有活塞的液氮容器内充入液氮；
6).样品装载将所述样品的带骨的一端固定在拉伸装置的下夹件，使得样品在实验过程中一直处于步骤5所述的生理盐水中，将所述样品经过包埋处理的一端固定在拉伸装置的上夹件，打开所述液氮容器的活塞，使液氮升华以保证包埋部分处于冷冻状态；
7).启动加载启动拉伸机，开始进行加载，测得样品最大断裂应力、最大伸长量、杨氏模量。本发明由于上述步骤，其优点是冷冻温度可控性，通过上下调节液氮容器，使冷冻上夹具温度改变，以使实验样品处于完全冷冻状态受力时不会发生形变；模拟了关节腔中肌肉和骨作为韧带/肌腱的直接受力点，克服了直接对韧带/肌腱作用造成的损害；结果能够准确反映出生理条件下韧带/肌腱的力学特性。同时，生理水浴温度处于37士 1°C， 保持了实验样品的生理活性。
本发明的装置可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。图1为本发明的剖视图2为本发明的夹件的剖视图； 图3为本发明的夹件上的测量槽的主视图。图中1 一下固定件，2 —密封套管，3 —下夹件，5 —上夹件，8 —上固定件，6 —液氮容器，12 一样品，13 一水浴腔，14 一左夹件，15 一右夹件，16 一圆锥销，17 一测量槽。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步说明实施例1
一种模拟生理条件下的弹性组织拉伸装置，包括连接拉伸机台面且安装有下夹件3的下固定件1和连接升拉伸机升高件且安装有上夹件5的上固定件8，所述下夹件3和上夹件5夹持部位尺寸可调，所述下固定件1上安装的密封套管2与所述下夹件3之间形成容纳生理盐水的水浴腔13，所述上固定件8安装有环绕上夹件5的具有活塞的液氮容器6，所述下夹件3和上夹件5具有供弹性组织穿过的通孔，所述水浴腔13的深度由通过螺纹与所述下固定件1连接的所述下夹件3和密封套管2调节，所述液氮容器6与上固定件8通过螺纹可调连接。所述下夹件3和上夹件5的夹持部位包括由圆锥销16连接的左夹件14和右夹件 15。所述左夹件14和右夹件15之间具有供温度传感器插入的测量槽17。所述下夹件3与温度传感器相连。所述上固定件8与力学传感器通过定位轴相连。所述水浴腔13安装有恒温装置。与拉伸测试机上端力学传感器相连的上固定件8 ；与上固定件8通过螺纹相连的上夹件5 ；在上夹件5外侧通过螺纹上下可活动以调节芯件温度的液氮容器6，上夹件5夹持有样品12的肌肉或骨并连接温度传感器。水浴中的下夹件3与连接拉伸测试机下端的下固定件1相连；与下固定件1通过螺纹相连的下夹件3;在下夹件外侧通过密封螺纹上下可活动以调节液面高度的透明的密
封套管2。下夹件3和上夹件5结构一样，两个半圆柱中空，通过圆锥销连接固定，并在中间有直径可调节的开口。肌腱一端的肌肉放入中空夹件，肌腱从中间开口处伸出。冷冻时肌腱与肌肉结合处正好与温度传感器5接触，温度传感器显示温度可以通过上下调节液氮容器和恒温水浴桶液面改变。这样不仅使肌肉冷冻模拟了关节腔中韧带或肌肉的受力位点， 使拉伸得以进行，而且注入了 37 °C生理盐水的恒温水浴桶，使肌腱或韧带保持了生理活性。 更好的模拟了关节腔中肌腱或韧带生理特性及受力位点。上固定件8和下固定件1直接与拉伸测试机相连，使拉伸测试机上力学传感器受到的拉力变化更能精确反映韧带或肌腱的力学特性。液氮容器6外表面的隔热材料和盖子，注入液氮后，一方面通过与上夹件件接触，温度传导，使上夹件件和夹件及肌肉迅速冷冻，另一方面隔热材料防止不必要的能量散失。上夹件5和下夹件3结构相同，通过螺纹与固定件相连，远离固定件一端中空，用来放夹件，并且中间有一条缝隙，使韧带或肌腱伸出。上夹件5外面通过深宽螺纹与液氮容器接触，防止冷冻条件下，螺纹被封，这样即使在冷冻下也可上下调节液氮容器，从而调节上夹件件温度。下夹件3外面通过密封螺纹与内表面通体密封螺纹的恒温水浴桶接触，密封的螺纹防止漏水，并且上下调节恒温水浴桶，改变液面高度，使肌腱或韧带处在37°C生理盐水中，充分模拟了关节腔中韧带或肌腱的生理活性和受力特点。使用液氮容器时，打开液氮容器活塞，倒入液氮，盖上活塞。由于液氮容器外有隔热材料和活塞中间有一小口，液氮升华时的剧烈沸腾，不会损坏容器。液氮容器装置环状包裹上夹件具和已装有肌肉样品的夹件，能够使其迅速、均勻冷冻，防止了局部低温冷冻现象。虽然金属一般都具有良好的导热性和一定的抗拉机械强度，但由于拉伸测试机力学传感器量程的要求为50士0. 1N、500士 1N、5000士 10N，和需要用到37°C盐水生理环境。所以装置要采用质轻和防腐蚀金属，使得力学传感器测得的数据更能反映关节腔内韧带或肌腱的生理条件下的力学特性。温度传感器正好与肌腱肌肉结合处接触，可以准确显示出结合点温度，通过上下调节液氮容器和恒温水浴桶，使结合点温度维持在一个特定温度。这个温度一方面使夹件内肌肉处在冷冻状态，又可以使拉伸时肌肉不滑动和肌腱断裂点处在中间并且是在腱或韧带生理活性下。温度传感器15处在上夹件空腔内，主要测出腔内温度，通过上下调节液氮容器，使腔内一直处于冷冻低温。温度传感器处在恒温水浴桶内，测量生理盐水温度，为了使之一直处于37°C的生理条件，通过恒温循环泵，保持生理条件。本发明的这种模拟关节腔中韧带或肌腱生理条件下受力方式的拉伸试验用装置， 结构简单，加工制造比较方便，并且不需要昂贵的制冷设备，因而成本较低。另外还可以模拟关节腔内环境，实验结果更加接近于关节腔内时的数据，对体外研究韧带/肌腱的生理特性有一定意义。实施例2
一种模拟生理条件下的弹性组织拉伸方法，包括以下步骤
1).提取组织从用作实验品的刚死亡的动物体上提取一端带骨的弹性组织作为样
P
m ；
2).样品处理剪除弹性组织周围软组织，并测量所述弹性组织长、宽、厚；
3).包埋处理采用组织冰冻包埋剂对所述样品不带骨的一端进行包埋处理；
4).组装装置将所述拉伸装置的上固定件连接拉伸机的升高件，将所述拉伸装置的下固定件连接拉伸机的底部固定件；5).生理条件模拟所述拉伸装置的下夹件是安装在下固定件上的，所述下固定件上安装的密封套管与所述下夹件之间形成容纳生理盐水的水浴腔，所述拉伸装置的上夹件是安装在上固定件上的，所述上固定件安装有环绕上夹件的液氮容器，在水浴腔内加入37°C 的生理盐水，在带有活塞的液氮容器内充入液氮；
6).样品装载将所述样品的带骨的一端固定在拉伸装置的下夹件，使得样品在实验过程中一直处于步骤5所述的生理盐水中，将所述样品经过包埋处理的一端固定在拉伸装置的上夹件，打开所述液氮容器的活塞，使液氮升华以保证包埋部分处于冷冻状态；
7).启动加载启动拉伸机，开始进行加载，测得样品最大断裂应力、最大伸长量、杨氏模量。下夹件通过螺纹与下固定件连接，透明的密封套管通过密封螺纹与下夹件连接， 下固定件与力学测试机底座连接通过定位轴。温度传感器连接在下夹件上。上夹件通过螺纹与上固定件连接，液氮容器通过深螺纹与上夹件连接，上固定件与力学测试机的力学传感器通过定位轴相连。测得修剪后的跟腱长6. 50 士 0. 20mm,宽2. 60 士 0. IOmm,厚1. 10 士 0. IOmm.然后使
用组织冰冻介质包埋肌肉一端。样品装入夹芯调节韧带或肌腱出口长度、宽度，使之仅能使韧带或肌腱通过，而其
6两端的肌肉或骨不能通过，然后用圆锥销固定。液氮容器内倒入液氮，恒温水浴缸内利用循环泵注入37°C生理盐水。通过上下调节液氮容器和恒温水浴缸，一方面使温度传感器保持低温冷冻状态，使肌肉迅速冷冻，另一方面使温度传感器读数保持一定温度范围，在拉伸时肌肉不会滑动并且肌腱断裂点是处在生理盐水中的腱。当肌肉充分冷冻后，启动力学测试机进行力学加载实验。测得鼠跟腱最大断裂应力144. 5N、最大伸长量30. 78mm、杨氏模量30. 93MPa。
权利要求
1.一种模拟生理条件下的弹性组织拉伸装置，其特征在于包括连接拉伸机台面且安装有下夹件(3)的下固定件(1)和连接拉伸机升高件且安装有上夹件(5)的上固定件(8)， 所述下夹件(3 )和上夹件(5 )夹持部位尺寸可调，所述下固定件(1)上安装的密封套管(2 ) 与所述下夹件(3)之间形成容纳生理盐水的水浴腔(13)，所述上固定件(8)安装有环绕上夹件(5)的具有活塞的液氮容器(6)，所述下夹件(3)和上夹件(5)具有供弹性组织穿过的通孔，所述水浴腔(13)的深度由通过螺纹与所述下固定件(1)连接的所述下夹件(3)和密封套管(2)调节，所述液氮容器(6)与上固定件(8)通过螺纹可调连接。
2.根据权利要求1所述的一种模拟生理条件下的弹性组织拉伸装置，其特征在于所述下夹件(3)和上夹件(5)的夹持部位包括由圆锥销(16)连接的左夹件(14)和右夹件 (15)。
3.根据权利要求2所述的一种模拟生理条件下的弹性组织拉伸装置，其特征在于所述左夹件(14)和右夹件(15)之间具有供温度传感器插入的测量槽(17)。
4.根据权利要求1所述的一种模拟生理条件下的弹性组织拉伸装置，其特征在于所述下夹件(3)与温度传感器相连。
5.根据权利要求1所述的一种模拟生理条件下的弹性组织拉伸装置，其特征在于所述上固定件(8)与力学传感器相连。
6.根据权利要求1所述的一种模拟生理条件下的弹性组织拉伸装置，其特征在于所述水浴腔(13)安装有具有温度控制功能的加热器。
7.一种模拟生理条件下的弹性组织拉伸方法，其特征在于包括以下步骤1).提取组织从用作实验品的刚死亡的动物体上提取一端带骨的弹性组织作为样Pm ；2).样品处理剪除弹性组织周围软组织，并测量所述弹性组织长、宽、厚；3).包埋处理采用组织冰冻包埋剂对所述样品不带骨的一端进行包埋处理；4).组装装置将所述拉伸装置的上固定件连接拉伸机的升高件，将所述拉伸装置的下固定件连接拉伸机的底部固定件；5).生理条件模拟所述拉伸装置的下夹件是安装在下固定件上的，所述下固定件上安装的密封套管与所述下夹件之间形成容纳生理盐水的水浴腔，所述拉伸装置的上夹件是安装在上固定件上的，所述上固定件安装有环绕上夹件的液氮容器，在水浴腔内加入37°C 的生理盐水，在带有活塞的液氮容器内充入液氮；6).样品装载将所述样品的带骨的一端固定在拉伸装置的下夹件，使得样品在实验过程中一直处于步骤5所述的生理盐水水浴腔中，将所述样品经过包埋处理的一端固定在拉伸装置的上夹件，打开所述液氮容器的活塞，使液氮升华以保证包埋部分处于冷冻状态；7).启动加载启动拉伸机，开始进行加载，测得样品最大断裂应力、最大伸长量、杨氏模量。
全文摘要
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种在体外模拟生理条件下拉伸弹性组织的装置。包括连接拉伸机台面且安装有下夹件的下固定件和连接拉伸机升高件且安装有上夹件的上固定件，所述下固定件上安装的密封套管与所述下夹件之间形成容纳生理盐水的水浴腔，所述上固定件安装有环绕上夹件的具有活塞的液氮容器。本发明还提供一种在体外模拟生理条件、拉伸弹性组织的方法,包括提取组织、包埋处理、样品装载、生理条件模拟、拉伸等步骤。应用本发明所提供的装置和方法，可以实现在体外模拟生理条件下拉伸较小的弹性组织。
文档编号G01N1/28GK102252908SQ20111017795
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者刘二福, 吕永钢, 彭永金, 徐伟, 杨力, 王业全, 穆罕纳德.哈立德.艾哈迈德 申请人:重庆大学