本发明涉及生物样本力学测试设备领域，具体而言，涉及一种液氮冷冻模具以及软质生物组织力学测试装置。
背景技术：
在应力作用下对生物样本进行力学测试研究可以获得关于不同组织和结构如何发生形变或破裂的定性信息，这些结果将有助于理解复杂生物样本的力学性能特点。肌肉、血管、神经、肌腱、韧带等软质生物组织的机械性能参数常常通过拉伸测试获得。
传统力学测试中在固定软质生物样本时多采用机械钳夹法对生物样本进行直接固定。实践证实：夹持力过小时组织易发生滑脱；夹持力过大时局部组织因应力集中而受损，造成夹持局部组织发生形变、超前破损或断裂；当对组织施加拉应力作用后，夹持区组织的核心部分与外周部分形成复杂的剪切力，无法准确测定受试样本由于单纯实验处理因素造成的力学性能改变。上述夹持固定方式严重影响了生物样本力学测试结果的准确性，如何有效固定软质生物组织以利于其力学性能的精准测定，目前亟待一种可靠的固定测试装置。
技术实现要素：
本发明的目的，例如包括提供一种液氮冷冻模具，其能够有效的固定生物样本两端部，避免对生物组织造成损害，同时保持中间部分组织的温度等同于外围环境，可最大限度的使受试样本处于自然状态。
本发明的目的还包括提供一种软质生物组织力学测试装置，其能够有效对生物组织进行夹持和固定，并测定其力学特性，测试结果能够准确反应单纯处理因素作用下生物样本的力学性能改变。
为了实现上述至少一种目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一种液氮冷冻模具，用于夹持生物样本，生物样本包括两个端面和四个周面，其包括第一u型块、第二u型块以及固定密封组件，第一u型块和第二u型块分别用于容纳生物样本的两端，第一u型块和第二u型块间隔设置，固定密封组件包括底部密封块和顶部密封块，底部密封块和顶部密封块同时与第一u型块和第二u型块连接并用于包围生物样本的四个周面。
可选地，在本发明的其他实施方式中，上述底部密封块设置有u型块安装台，顶部密封块设置有u型块容纳槽，u型块容纳槽的深度大于第一u型块和第二u型块的高度，第一u型块和第二u型块分别安装于u型块安装台的两端，顶部密封块与底部密封块配合以容纳并密封第一u型块和第二u型块。
可选地，在本发明的其他实施方式中，上述底部密封块设置有u型块安装槽，顶部密封块设置有u型块盖合槽，u型块安装槽的深度小于第一u型块和第二u型块的高度，第一u型块和第二u型块分别安装于u型块安装槽的两端，顶部密封块与底部密封块配合以盖合第一u型块和第二u型块。
可选地，在本发明的其他实施方式中，上述固定密封组件还包括第一侧部密封块和第二侧部密封块，第一侧部密封块和第二侧部密封块均设置于底部密封块和顶部密封块之间，第一侧部密封块连接至第一u型块和第二u型块的一侧面，第二侧部密封块连接至第一u型块和第二u型块的另一侧面。
可选地，在本发明的其他实施方式中，上述第一侧部密封块包括第一横臂、第一竖臂和第一延伸臂，第一横臂垂直连接至第一竖臂的中部，第一延伸臂沿着垂直于第一横臂和第一竖臂所在平面的方向延伸，第一延伸臂连接至第一竖臂的端部；第二侧部密封块包括第二横臂、第二竖臂和第二延伸臂，第二横臂垂直连接至第二竖臂的中部，第二延伸臂沿着垂直于第二横臂和第二竖臂所在平面的方向延伸，第二延伸臂连接至第二竖臂的端部；底部密封块设置有第一安装槽，顶部密封块设置有第二安装槽，第一延伸臂伸入第一安装槽，第二延伸臂伸入第二安装槽，第一竖臂伸入第二安装槽且与第二延伸臂接触，第二竖臂伸入第一安装槽且与第一延伸臂接触，第一横臂连接至底部密封块和顶部密封块之间，第二横臂连接至底部密封块和顶部密封块之间。
可选地，在本发明的其他实施方式中，上述第一u型块和第二u型块的高度大于第一横臂的高度，第一横臂的高度、u型块安装槽的深度和u型块盖合槽的深度之和等于第一u型块和第二u型块的高度。
可选地，在本发明的其他实施方式中，上述u型块安装槽的长度方向和第一安装槽的长度方向垂直。
可选地，在本发明的其他实施方式中，上述第一u型块和第二u型块的侧壁上均设置有多个隔热槽，多个隔热槽间隔设置。
一种软质生物组织力学测试装置，其包括力学测试机、夹钳以及上述液氮冷冻模具，夹钳安装于力学测试机，夹钳与液氮冷冻模具的第一u型块和第二u型块连接。
可选地，在本发明的其他实施方式中，上述夹钳的内表面贴附有电木片。
本发明实施例的有益效果例如包括：
本发明提供的液氮冷冻模具能够利用第一u型块和第二u型块有效的固定生物样本两端部，同时利用固定密封组件的底部密封块和顶部密封块将第一u型块、第二u型块以及生物样本的四周包围，保持中间部分组织的温度等同于外围环境，避免对生物组织造成损害，可最大限度的使受试样本处于自然状态。本发明提供的软质生物组织力学测试装置，其能够有效对生物组织进行夹持和固定，并测定其力学特性，测试结果能够准确反应单纯处理因素作用下生物样本的力学性能改变。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明第一实施例提供的液氮冷冻模具的结构示意图；
图2为本发明第一实施例提供的液氮冷冻模具的爆炸图；
图3为本发明第一实施例提供的安装液氮冷冻模具的流程示意图；
图4为本发明第一实施例提供的软质生物组织力学测试装置的结构示意图；
图5为本发明第一实施例提供的软质生物组织力学测试装置去除了第一侧部密封块和第二侧部密封块后的结构示意图；
图6为本发明第二实施例提供的液氮冷冻模具的结构示意图；
图7为本发明第三实施例提供的液氮冷冻模具的结构示意图。
图标：100-液氮冷冻模具；110-第一u型块；111-隔热槽；120-第二u型块；130-固定密封组件；131-底部密封块；1311-u型块安装槽；1312-第一安装槽；132-顶部密封块；1321-u型块盖合槽；1322-第二安装槽；133-第一侧部密封块；1331-第一横臂；1332-第一竖臂；1333-第一延伸臂；134-第二侧部密封块；1341-第二横臂；1342-第二竖臂；1343-第二延伸臂；400-软质生物组织力学测试装置；420-夹钳；421-电木片；500-生物样本；200-液氮冷冻模具；230-固定密封组件；231-底部密封块；2311-u型块安装台；232-顶部密封块；2321-u型块容纳槽；300-液氮冷冻模具；330-固定密封组件；331-底部密封块；3311-u型块安装槽；332-顶部密封块；3321-u型块盖合槽。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
第一实施例
请参照图1和图2，本实施例提供一种液氮冷冻模具100，用于夹持生物样本500，其包括第一u型块110、第二u型块120以及固定密封组件130。
生物样本500为需要进行力学测试的样本，将生物样本500预制呈长方体(8×10-2×10-2×10-2m)，长方体的生物样本500包括两个端面和四个周面。本实施例中的生物样本500例如包括肌肉、血管、神经、肌腱等，本实施例中以三文鱼肉作为生物样本500。
第一u型块110和第二u型块120的结构相同，且分别用于容纳生物样本500的两端，第一u型块110和第二u型块120间隔设置，实现对生物样本500的两端固定而中部不固定，利于后续进行力学测试。
本实施例中，在第一u型块110和第二u型块120的侧壁上均设置有多个隔热槽111，多个隔热槽111间隔设置。隔热槽111的设置能够有效防止热传递，进而有效避免第一u型块110和第二u型块120的侧壁部分被液氮冷却，保证只有生物样本500的两端面被液氮冷却。隔热槽111的形状可以为中空长方体形，也可以为中空圆柱形或者中空六棱柱形，本实施例中，优选隔热槽111的形状为中空长方体形，其体积、数量可根据隔热要求相应增减。
固定密封组件130用于包覆第一u型块110和第二u型块120，固定密封组件130的结构有多种，其可以仅仅包括底部密封块131和顶部密封块132，通过底部密封块131和顶部密封块132的结构设置实现对第一u型块110、第二u型块120以及生物样本500的四周的包围。固定密封组件130还可以包括底部密封块131、顶部密封块132、第一侧部密封块133和第二侧部密封块134。通过底部密封块131、顶部密封块132、第一侧部密封块133和第二侧部密封块134之间的相互配合实现对第一u型块110、第二u型块120以及生物样本500的四周的包围。
具体到本实施例中，固定密封组件130包括底部密封块131、顶部密封块132、第一侧部密封块133和第二侧部密封块134。
底部密封块131和顶部密封块132同时与第一u型块110和第二u型块120连接并用于包围生物样本500的四个周面。也即是，在第一u型块110和第二u型块120将生物样本500的两端夹持后，利用固定密封组件130将生物样本500的除了两个端面的四个周面全部密封，保证在将液氮冷冻模具100进入液氮中时，只有生物样本500的两个端面会被冷却，而生物样本500的中部不会被冷却，有利于保护生物样本500的中间部分组织，进而保证测试结果的准确性。
在本实施例中，底部密封块131设置有u型块安装槽1311，顶部密封块132设置有u型块盖合槽1321，u型块安装槽1311的深度小于第一u型块110和第二u型块120的高度，第一u型块110和第二u型块120分别安装于u型块安装槽1311的两端，由于u型块安装槽1311的深度小于第一u型块110和第二u型块120的高度，因此第一u型块110和第二u型块120在安装于u型块安装槽1311时，第一u型块110和第二u型块120的高度方向会伸出u型块安装槽1311，顶部密封块132与底部密封块131配合以盖合第一u型块110和第二u型块120的高度方向伸出u型块安装槽1311的部分，从而实现将生物样本500的四周密封。
第一侧部密封块133和第二侧部密封块134均设置于底部密封块131和顶部密封块132之间，本实施例中，底部密封块131连接至第一u型块110和第二u型块120的底壁，而第一侧部密封块133和第二侧部密封块134均与底部密封块131连接，接着顶部密封块132也同时与第一侧部密封块133和第二侧部密封块134连接，第一侧部密封块133连接至第一u型块110和第二u型块120的一侧面，第二侧部密封块134连接至第一u型块110和第二u型块120的另一侧面。通过底部密封块131、顶部密封块132、第一侧部密封块133和第二侧部密封块134的设置，能够将第一u型块110和第二u型块120固定的生物样本500的四个侧面均进行密封，有效防止液氮对生物样本500的中部进行冷却。
具体到本实施例中，第一侧部密封块133的结构和第二侧部密封块134的结构相同。
第一侧部密封块133包括第一横臂1331、第一竖臂1332和第一延伸臂1333。第一横臂1331垂直连接至第一竖臂1332的中部，第一横臂1331和第一竖臂1332连接呈“十”字形，第一延伸臂1333沿着垂直于第一横臂1331和第一竖臂1332所在平面的方向延伸，第一延伸臂1333连接至第一竖臂1332的端部。同样的，第二侧部密封块134包括第二横臂1341、第二竖臂1342和第二延伸臂1343，第二横臂1341垂直连接至第二竖臂1342的中部，第二横臂1341和第二竖臂1342连接呈“十”字形，第二延伸臂1343沿着垂直于第二横臂1341和第二竖臂1342所在平面的方向延伸，第二延伸臂1343连接至第二竖臂1342的端部。第一侧部密封块133和第二侧部密封块134能够相互对合，并且在中间留出容纳生物样本500通过的通道。
底部密封块131设置有第一安装槽1312，顶部密封块132设置有第二安装槽1322，第一延伸臂1333伸入第一安装槽1312，第二延伸臂1343伸入第二安装槽1322，第一竖臂1332伸入第二安装槽1322且与第二延伸臂1343接触，第二竖臂1342伸入第一安装槽1312且与第一延伸臂1333接触，第一横臂1331连接至底部密封块131和顶部密封块132之间，第二横臂1341连接至底部密封块131和顶部密封块132之间。
本实施例中，第一u型块110和第二u型块120的高度大于第一横臂1331的高度，第一横臂1331的高度、u型块安装槽1311的深度和u型块盖合槽1321的深度之和等于第一u型块110和第二u型块120的高度。
u型块安装槽1311的长度方向和第一安装槽1312的长度方向垂直。从而确保第一侧部密封块133和第二侧部密封块134位于生物样本500的两侧。
液氮冷冻模具100的安装步骤请结合参阅图2和图3：
s1、首先放置底部密封块131，在底部密封块131的上表面放置第一侧部密封块133，接着将第一u型块110和第二u型块120分别放置于底部密封块131的u型块安装槽1311内。生物样本500预制成长方体(8×10-2×10-2×10-2m)，将生物样本500两端部分别放置于第一u型块110和第二u型块120内，生物样本500与第一u型块110和第二u型块120内壁紧密贴合但不受压。
s2、取第二侧部密封块134放置于底部密封块131的上表面，将第一侧部密封块133和第二侧部密封块134相互对合，第一侧部密封块133和第二侧部密封块134封闭中间部分组织。
s3、再用顶部密封块132封闭整个装置，仅将生物样本500的两端部横截面外露，用于与液氮接触。
这样的设计既可以保证生物样本500两端部处于深低温，又可以保证中间部组织始终处于环境温度水平。
此外，请参阅图4和图5，本实施例中还提供了一种软质生物组织力学测试装置400，其包括力学测试机(图未示)、夹钳420以及上述液氮冷冻模具100，夹钳420安装于力学测试机，夹钳420与液氮冷冻模具100的第一u型块110和第二u型块120连接。并且在夹钳420的内表面贴附有电木片421以避免冷冻固定部分的生物样本500与夹钳420间发生热传导。
生物力学测试步骤：
1、使用平板夹钳夹持底部密封块131和顶部密封块132，将整个液氮冷冻模具100立即浸入液氮中保持50秒，将位于第一u型块110和第二u型块120内部的生物样本500端部迅速冷冻固定。
2、从液氮中取出液氮冷冻模具100，操作者带隔热手套握持第一侧部密封块133和第二侧部密封块134外侧“十字”部分，去除底部密封块131和顶部密封块132，竖直持握余下装置，保持生物样本500纵轴与水平面垂直。此时，由于第一u型块110和第二u型块120连同生物样本500被第一侧部密封块133和第二侧部密封块134紧密包绕固定，故将生物样本500垂直立起时不会因其自身重力而发生形变。
3、将力学试验机4个金属的夹钳420的内表面预先贴附电木片421以避免冷冻固定部分的生物样本500与夹钳420间发生热传导(经测试，此电木片421可保证冷冻部分的样本温度在2分钟内无显著升高，而绝大多数生物样本500的力学测试过程可于20秒内完成，故隔热电木片421有助于维持力学测试时间范围内样本固定的有效性)；再将第一u型块110和第二u型块120固定于带电木片421的试验机夹钳420内；而后去除第一侧部密封块133和第二侧部密封块134(由于第一u型块110和第二u型块120的侧壁高度大于第一侧部密封块133的第一横臂1331厚度，因此当第一u型块110和第二u型块120被夹钳420固定好后可以很容易的去除第一侧部密封块133和第二侧部密封块134)。
4、当组织竖直固定好后，立即开启力学试验机，拉伸速度设定为2×10-3m/s，直至生物样本500发生断裂，测试全程实时记录相关生物力学参数。
经反复验证，上述液氮冷冻模具100安装以及生物力学测试共7个步骤可在3分钟内完成。
由于含水的生物组织在液氮冷冻后体积膨胀并发生硬化，因此该液氮冷冻模具100对组织的固定坚强可靠。由于第一u型块110和第二u型块120的内壁连同隔热电木片421共4面包围生物样本500端部，拉伸试验机的夹具不会对样品两端部的冷冻部分施加任何压应力，因此在力学测试过程中生物样本500的两端部不会发生形变，消除了传统单纯机械钳夹法由于固定处应力集中对组织造成形变和机械损伤的缺陷。生物样本500两端的冷冻部分和第一u型块110以及第二u型块120的内壁之间通过压应力紧密贴合，其产生的粘附力高于一般软质生物组织最大破损拉力的2-3个数量级(>1kn)，因此能够有效保证固定处组织不发生滑脱和超前断裂。由于液氮仅接触组织两端部的截面，其余部分有带中空隔热层的第一u型块110以及第二u型块120包围保护，液氮热量仅能够从组织端部向中间部均匀传导，因此可获得十分平整的冷冻截面，确保了在拉伸试验时中间未被冷冻部分的生物组织内部各处轴向应力是相等的。由于冷冻截面位置可视，便于精准测量受试部分组织的形变数值，有利于准确计算弹性模量等相关力学参数。由于在液氮冷冻及力学试验机夹钳420固定样本的全过程中，样本始终被全部或部分保护性模块固定(包括第一u型块110、第二u型块120、第一侧部密封块133、第二侧部密封块134、底部密封块131和顶部密封块132)，这使其始终可以保持自然状态，组织内部无切应力及拉应力，因此最大限度地减少了力学测试的系统误差。由于力学试验机金属夹钳420内表面预先放置了隔热电木片421，因此拉伸测试中生物样本500两端部冷冻部分组织的温度下降十分缓慢，确保了组织坚强有效的固定。实际应用中，可根据受试样本体积或形状不同而有针对性的制造相应的夹持装置，以利于标本贴合，从而保证测试结果的真实、准确。本发明液氮冷冻模具100适用于对生物组织的力学拉伸测试，尤其适用于自身具有粘弹性的组织，包括单纯的肌肉、血管、神经、肌腱、韧带等。本发明装置结构简单、体积小巧、材料经济、安装方便，可单人自行拆卸、组装及完成测试操作。
第二实施例
请参照图6，本实施例提供一种液氮冷冻模具200，其与第一实施例的液氮冷冻模具100大致相同，二者的区别在于本实施例的液氮冷冻模具200的固定密封组件230仅包括底部密封块231和顶部密封块232。
本实施例中，底部密封块231设置有u型块安装台2311，顶部密封块232设置有u型块容纳槽2321，u型块容纳槽2321的深度大于第一u型块110和第二u型块120的高度，第一u型块110和第二u型块120分别安装于u型块安装台2311的两端，顶部密封块132与底部密封块131配合以容纳并密封第一u型块110和第二u型块120。
本实施例中，利用u型块安装台2311和u型块容纳槽2321的配合，使得第一u型块110和第二u型块120完全被容纳并密封，有效避免了位于第一u型块110和第二u型块120之间的生物样本500的中部受到液氮的冷却。
第三实施例
请参照图7，本实施例提供一种液氮冷冻模具300，其与第一实施例的液氮冷冻模具100大致相同，二者的区别在于本实施例的液氮冷冻模具300的固定密封组件330仅包括底部密封块331和顶部密封块332。
本实施例中，底部密封块331设置有u型块安装槽3311，顶部密封块332设置有u型块盖合槽3321，u型块安装槽3311的深度小于第一u型块110和第二u型块120的高度，第一u型块110和第二u型块120分别安装于u型块安装槽3311的两端，此时第一u型块110和第二u型块120沿其高度方向伸出于u型块安装槽3311，顶部密封块332与底部密封块331配合以盖合第一u型块110和第二u型块120沿其高度方向伸出u型块安装槽1311的部分。
本实施例中，通过u型块安装槽3311和u型块盖合槽3321的配合，使得第一u型块110和第二u型块120完全被容纳并密封，有效避免了位于第一u型块110和第二u型块120之间的生物样本500的中部受到液氮的冷却。
综上所述，本发明提供的液氮冷冻模具能够利用第一u型块和第二u型块有效的固定生物样本两端部，同时利用固定密封组件的底部密封块和顶部密封块将第一u型块、第二u型块以及生物样本的四周包围，保持中间部分组织的温度等同于外围环境，避免对生物组织造成损害，可最大限度的使受试样本处于自然状态。
本发明提供的软质生物组织力学测试装置，其能够有效对生物组织进行夹持和固定，并测定其力学特性，测试结果能够准确反应单纯处理因素作用下生物样本的力学性能改变。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。