一种测量微米级组织硬度的简易压痕装置的制作方法

本实用新型涉及组织细胞力学性能检测仪器技术领域，特别是涉及一种测量微米级组织硬度的简易压痕装置。

背景技术：

细胞力学(cell mechanics)是生物力学的一个前沿领域，也是组织工程学的一个重要组成部分。它涉及细胞在力学载荷作用下细胞膜、细胞骨架的变形、弹性常数、粘弹性、粘附力等力学性能的研究，以及力学因素对细胞生长、发育、成熟、增殖、衰老和死亡等的影响及其机制研究。对于细胞力学来讲,其研究的关键是细胞的力学加载方式；所以寻找合适的细胞加载方法和细胞变形及相关的生物学测量手段是细胞力学研究的首要问题。

申请号为200620012381.6的专利中，公开了一种微纳米尺度力学性能测试仪，其结构为：二维工作台由一个大行程二维工作台和一个小行程二维微动工作台组成，小行程微动工作台安装在大行程工作台上，试样放置在小行程微动工作台上，由大行程工作台带动小行程微动工作台在两个检测装置之间运动，大行程工作台由压电陶瓷电机驱动，在导轨上运动，并由光栅尺检测运动位移。而小行程微动工作台带动试样在两个检测装置的压头下进行高精度的小范围运动，以便精密调整检测位置和扫描压痕图，小行程微动工作台由线切割形成柔性铰链，由压电陶瓷驱动，电容式位移传感器检测位移。

申请号为201520803225.0的专利中，公开了一种改良微纳米尺度力学性能测试仪，包括机架、分列于机架两侧并分别通过支架支撑的压痕制备装置和压痕扫描装置、X位移驱动机构和Y位移驱动机构交叉层叠组成的位移工作台，其特征在于：所述的位移工作台设置于机架上，位移工作台上设有升降机构，升降机构上设有旋转机构，旋转机构上设有用于放置样品的工作台。

这两个专利中的测试仪均将压痕制备装置和压痕扫描装置集成在一台设备上，实现先制作压痕后测量的测量方式，在同一次的操作中需要移动样品的位置才能实现制作压痕和测量压痕的操作，并不能同时得到两个结果。

技术实现要素：

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本实用新型之目的就是提供一种测量微米级组织硬度的简易压痕装置，有效的解决了传统组织细胞力学性能的测试中不能同时完成制作压痕和测量压痕的问题。

其解决的技术方案是，本实用新型包括装置架，其特征在于，装置架下方安装有液压显微操作器，液压显微操作器包括水平位移机构和垂直位移机构，垂直位移机构上方固定有操作台，装置架上方安装有位于操作台上方的表面张力测试仪，表面张力测试仪内置有数字显微天平，数字显微天平上经弹簧悬挂有张力计探头。

本实用新型结构简单，操作便捷，能够在制作压痕的同时将压痕的深度转换成弹簧的位移进行测量，减少测量误差，提高测量精度，且减少了操作时间，提高了测试的效率。

附图说明

图1是本实用新型的示意图。

图2是本实用新型试验操作的示意图。

图3是本实用新型液压痕校准的曲线图。

图4是本实用新型测试得到的F_appl-h_ind关系图。

图5是本实用新型测试得到的F_appl-Time关系图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。

由图1至图5给出，本实用新型包括装置架1，其特征在于，装置架1下方安装有液压显微操作器7，液压显微操作器7包括水平位移机构6和垂直位移机构5，垂直位移机构5上方固定有操作台4，装置架1上方安装有位于操作台4上方的表面张力测试仪2，表面张力测试仪2内置有数字显微天平9，数字显微天平9上经弹簧8悬挂有张力计探头3。

所述的张力计探头3为圆柱形钨丝。

所述的张力计探头3半径为0.255毫米。

所述的表面张力测试仪2采用朗缪尔单层槽的表面张力测量仪。

所述的液压显微操作器7分辨率为40毫微米。

本实用新型在使用时，

在测量之前对弹簧8就行校准，弹簧8系数校准是通过使探针3接触不相容的表面(玻璃盖玻片)，使用液压显微操纵器7精确的平移表面来置换探针3，有效测量结果的变化。

测试时，将样品放置在液压显微操纵器7的操作台4上，首先在自由悬挂的探头3下手动定位，随后向探头3方向上调操作台4和样品，直至样品和探头3接触。对于宏观样品，样品和探头3之间的接触是通过一致的变化测量作用在重复压痕上的力来确定的(通常发生在力的初始变化之后10μm的位移)，而对于微观的实验，接触点被调试至力——位移数据。在两者接触之后，液压显微操纵器7的操作台4向上平移到探头3位置，从而将样品以连续的速率(图4)，或连续的分段压痕(图5)。这些平移导致由Filmware软件包(Kibron)收集的电压降低，这一软件包可以使探头3测量到的力减少(同样，样品的力增加)和探头3的向上位移：

${\mathrm{\Δz}}_{probe}=\frac{F_{appl}}{k_{probe}}$

从该样品已知的垂直位移中减去探头3的位移，得到探头3进入样品的压痕：

h_ind＝Δz_sample-Δz_probe

柔软均匀材料在坚硬表面上的力——压痕关系由下式给出：

$E_{tissue}=\frac{G_{tissue}^{\′}}{2*(1+v_{tissue})}=\frac{F_{appl}^{*}(1-v_{tissue}^2)}{h_{ind}^{*}{k}^{*}2r}$

其中r是硬度计压头的半径，和分别是弹性和剪切存储模量，是泊松比，为有限样本厚度的海耶斯校正因子。

对于宏观样品在每个点进行7-10次分步压痕，平均压痕力的瞬时变化(忽略初始过度上冲)，以获得所测量的。压痕到压痕的变化是最小的(图5)，并通过无压痕样品调节，有可能是由于相对于该样品厚度(小于5％)的小压痕的存在。空间变异被认为是材料异质性的表现，因为均质材料的测量值是高度横向可再生的。样品测定或是浸没在盐溶液中，或是将盐溶液吸出至足以保持样品湿润的程度(弹簧系数校准在用于实验中或湿或干的装置中)。

本实用新型可以以下试验测试中：

(1)聚丙烯酰胺水凝胶

通过比较聚丙烯酰胺水凝胶的硬度测量使用其他更成熟的方法,该设备和技术得到验证。聚丙烯酰胺水凝胶长期被用作生化分离工具，但最近对依赖细胞行为的基质弹性的研究，已经导致广泛的表征和材料特性的调整。已知成分的聚丙烯酰胺凝胶按照文献描述制备并切割成锯齿状进行测量。

(2)微观物体的整体硬度

该微探头装置的一个独特的功能是测量非常小的生物样品的整体的机械性能，如孤立的完整小鼠肾小球硬度的测量。肾小球在玻璃盖玻片上被沉积为稀悬浮液，将这一盖玻片安装到(使用延伸臂)液压显微操纵器上。延伸臂被构造成允许上述悬液成为一个倒置显微镜的目标。探针定位高于盖玻片，然后降低至肾小球和探针在10×放大率下都可见。用显微操纵器定位肾小球使其可以在探针下直接测得，然后朝向探头以恒定速率手动向上翻转(每5秒200纳米)。赫兹模型描述了在平面上球体的变形，并考虑到随着样本被压缩，接触面积增大：

$F_{appl}=\frac{4\sqrt{R_{sample}}}{3\mathrm{\π}}\left(\frac{E_{tissue}}{1-v_{tissue}^2}\right)h_{ind}^{\frac{3}{2}}$

其中是肾小球的半径，在我们的测量中近似为100微米。

(3)生物组织样品的局部弹性

以小鼠主动脉壁组织切片为样品进行测量，主动脉壁厚度通过组织切片的显微镜检查获取。主动脉壁硬度通过探针进入样品连续5微米的压痕测得，压痕从通常的10微米减小至5微米是为了样品压缩可能导致的所估计壁厚的误差。

(4)整个组织硬度微米级的变化

硬度计压头的微观尺寸可以对组织的力学性能在相关的天然和病理生物学变异的水平上进行测量。为了演示这一功能，我们使用上述设备表征在两种截然不同的病理生理情况下尺度(即数百微米到几十毫米)的变化：四氯化碳处理的大鼠早期肝纤维化和小鼠乳腺恶性肿瘤。

鼠乳腺在肿瘤进展的不同阶段的力学性能进行了测定。在施加到样品上连续10微米位移的总力和应力松弛程度，可检测到肿瘤和非肿瘤区域之间明显的差异。

本实用新型结构简单，操作便捷，能够在制作压痕的同时将压痕的深度转换成弹簧的位移进行测量，减少测量误差，提高测量精度，且减少了操作时间，提高了测试的效率。