可实时观测牙周膜微观结构变化的剪切试验台的制作方法

本实用新型涉及口腔生物力学测试技术领域，具体涉及牙周膜力学性能体外剪切测试试验平台。

背景技术：

研究并探明牙周膜的生物力学性能及其影响因素，对于认识口颌系统的生理，指导牙体或牙列缺损的修复及牙齿的矫正，开展与之相关力学性能研究有重要的意义。单轴拉伸、剪切、压缩、体积压缩试验对研究牙周膜生物力学材料特性和粘弹性属性同样重要。牙周膜体外试验多为单轴拉伸试验，剪切试验数据非常稀少，目前尚无专用的牙周膜剪切试验台。其原因不仅在于牙周膜切片样本制作困难，还在于牙周膜不规则的几何外形导致剪切试验难以进行。牙周膜也称牙周韧带，是致密的结缔组织，位于牙根和牙槽骨之间，由细胞、基质和纤维构成，而牙周膜的生物力学性能和牙周膜主纤维有着密不可分的关系，牙周膜主纤维由胶原纤维汇集成粗大的纤维束，并有一定的排列方向，一端埋入牙骨质中，一端埋入牙槽骨，其作用为将牙固定在牙槽窝中，对抗侧方力，保持牙直立，防止牙侧移并限制牙的转动。以往的力学测试试验台在试验中对牙周膜施加一恒定载荷却无法得知牙周膜主纤维的变化，如若主纤维已被拉断而试验未终止，所得到的牙周膜应力-应变曲线的准确性和科学性便有待考量。在试验中对牙周膜进行显微观测并记录图像，可以准确控制试验进程，获得更为科学的试验数据，直观反映不同应力下牙周膜主纤维的变化。因此，开发一种可实时显微观测的在恒定速率下牙周膜剪切测试试验台对科学合理准确的研究牙周膜的生物力学性能具有重要的意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供可实时观测牙周膜微观结构变化的剪切试验台。

本实用新型所采用的技术方案是包括步进电机和减速器，步进电机和减速器安装在底板上，减速器和立板螺栓固连，减速器的输出轴通过联轴器连接丝杠，丝杠由设置在底板上的BK型滚珠丝杠轴承和BF型滚珠丝杠轴承座支承，丝杠螺纹连接丝杠螺母，丝杠螺母安装在螺母座上，螺母座上设有测试台，测试台上设有定制压头，在测试台和定制压头之间设有力传感器，力传感器用于测量剪切力，底板一端设有横向导轨，滑台和横向导轨滑动连接，滑台上设有夹板，样本通过夹板螺纹紧固在滑台上，丝杠的一侧设有光栅尺，光栅尺的读数头和螺母座螺栓连接，用于精确测量测试台的位移，底板上设有观测设备，观测设备中的电子显微镜物镜对准牙周膜样本。步进电机外接驱动器，驱动器和力传感器外接电机控制与数据采集计算机。

进一步，丝杠套有滚动轴承，滚动轴承安装在BK型滚珠丝杠轴承上。

本实用新型的有益效果是可对牙周膜试样进行不同加载速率的剪切试验以及剪切力下应力松弛和动态载荷试验，能够时时显微观测牙周膜主纤维的变化，记录牙周膜在不同应力下的形态，能够直接反映牙周膜应力-应变特性，测量精度很高，操作简单。

附图说明

图1是测试试验台结构示意图；

图2是测试试验台剖视图；

图3是样本结构示意图；

图4是定制压头结构示意图；

图5是样本与压头和夹板位置示意图；

图6是样本固定在夹板上示意图。

图中，1.步进电机，2.减速器，3.立板，4.联轴器，5.BK型滚珠丝杠轴承座，6.丝杠，7.光栅尺，8.光栅尺读数头，9.丝杠螺母，10.螺母座，11.测试台，12.力传感器，13.定制压头，14. BF型滚珠丝杠轴承座，16.横向导轨，17.滑台，18.夹板，19.电子显微镜，20.显微观测设备，21.电机控制与数据采集计算机，22.步进电机驱动器，23.滚动轴承。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型剪切试验台如图1和图2所示，包括步进电机1和减速器2，步进电机1和减速器2安装在底板15上，减速器2和立板3螺栓固连，减速器2的输出轴通过联轴器4连接丝杠6，丝杠6由设置在底板15上的BK型滚珠丝杠轴承5和BF型滚珠丝杠轴承座14支承，丝杠6螺纹连接丝杠螺母9，丝杠螺母9安装在螺母座10上，螺母座10上设有测试台11，测试台11上设有定制压头13，在测试台11和定制压头13之间设有力传感器12，力传感器12用于测量剪切力，底板15一端设有横向导轨16，滑台17和横向导轨16滑动连接，滑台17上设有夹板18，样本通过夹板18螺纹紧固在滑台17上，丝杠6的一侧设有光栅尺7，光栅尺7的读数头8和螺母座10螺栓连接，用于精确测量测试台11的位移，底板15上设有观测设备20，观测设备20中的电子显微镜19物镜对准牙周膜样本。步进电机1外接驱动器22，驱动器22和力传感器12外接电机控制与数据采集计算机21。

丝杠6套有滚动轴承23，滚动轴承23安装在BK型滚珠丝杠轴承5上。夹具模块包括横向导轨16、滑台17和夹板18。所述滑台17和设置在底板15上的横向导轨16滑动链接，通过夹板18可以将牙周膜切片样本固定在滑台17上。

测试开始前先制作定制压头13。制作好的牙齿切片样本如图3所示，使用标准办公扫描仪以1:1比例扫描样本，利用横截面的数字化图像，借助计算机辅助设计软件描绘牙周膜区域的不规则轮廓，将轮廓信息导入三维CAD软件中并构造压头模型，将文件导出为STL格式，由SLS选择性激光烧结机直接制出，做出的定制压头13如图4所示。图5为将牙齿切片样本安装后和夹板18及定制压头13的位置关系示意。图6为夹板18固定样本示意图。组装剪切试验台，给步进电机1脉冲信号，轴向移动丝杠螺母9，使测试台11和测试台上的定制压头13与滑台上样本固定端距离适中。光栅尺7固定在底板上，光栅尺读数头8用螺栓固定在螺母座10一侧，光栅尺读数头8和螺母座一同移动以测量并记录试样受力下的位移变化。

将牙齿切片样本放置在滑台17样本固定端并用夹板18加紧，夹板18两端用螺钉紧固，滑动滑台17使样本和定制压头13对心，给步进电机1一定频率的脉冲信号使测试台11以一定速率轴向平动。在移动过程中力传感器12记录剪切力随时间的变化情况，光栅尺7记录位移随时间的变化情况，电机控制与数据采集计算机21可以设定不同的位移加载速率，通过编写专用软件，可直接得到牙周膜在剪切过程中应力—应变曲线。在试验过程中，显微观测设备中的电子显微镜物镜始终对准试样，在观测屏上时时显示牙周膜主纤维的状态并加以记录，通过专用软件可使牙周膜主纤维变化形态与应力应变数据一一对应。

本实用新型的优点还在于能够进行牙周膜试样不同加载率下的剪切测试，可以直接得到牙周膜应力-应变曲线，可以实时显微观测牙周膜主纤维的变化并记录不同应力下牙周膜主纤维的形态。目前尚无牙周膜专用剪切试验台，本实用新型与其他生物材料剪切测试试验台相比：

1. 本实用新型试验台具备显微观测功能，观测设备包括高度可调节夹具、工业级便携式电子显微镜、显微镜摄像头和电子显示屏。可实时观测牙周膜主纤维的变化情况并可以录像和拍照记录。

2. 本试验台通过步进电机驱动器和电机控制计算机，可以设置不同的位移加载速率，测试不同应变率下牙周膜的应力响应，并可以进行剪切力下应力松弛和动态载荷试验；计算机同时连接力传感器和光栅尺，通过编写专用软件可以采集剪切力与位移数据并可直接得到应力—应变曲线。

3. 鉴于试验样本不规则的牙周膜几何外形，测试前会根据样本特点定制压头，通过三维软件扫描—重建牙周膜几何外形轮廓并绘制压头模型，将文件导出为STL文件并由SLS选择性激光烧结机直接制作出压头。进行轴向的牙周膜剪切试验，测试具有可行性并且精度很高。

4. 本试验台通过步进电机和减速器一同控制丝杠的转速带动平台提供连续恒定的移动，可以获得合适稳定的低转速，有效减弱步进电机因为过低转速带来的噪声和振动，提高了实验的精确度和数据的可靠度。

5. 本试验台的底板通过设置垫块可以保证步进电机、减速器和轴承座高度一致，通过在底板上设置立板可以将步进电机和减速器固定，防止其振动导致偏移，减小装配难度，提高了测试精度。

以上所述仅是对本实用新型的较佳实施方式而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。