一种用于共聚焦显微镜的微型原位双轴力学试验机的制作方法

1.本发明属于生物组织力学测试技术领域，具体的说，是涉及一种基于共聚焦显微镜可实现实时原位观测的双轴力学试验机。


背景技术：

2.生物力学适用于研究生命体受力、变形和运动以及与其生理病理之间关系，是现代生物学与力学原理方法的有机结合。经过近年来的发展，生物力学研究已经成为重要的学科前沿交叉领域，我国生物力学研究呈现宏—微观结合、多尺度探索的趋势，深入开展了细胞对复杂微力学环境刺激的响应，及其力学信号转导通路与网络调控机制；还有细胞力学因素对细胞功能的调控作用，及其在疾病发生发展中的力学生物学机制研究。这些对于生物医学领域的研究进步，促进人类健康具有重要意义。
3.在研究仪器方面，共聚焦显微镜是近十年发展起来的医学图象分析仪器，现已广泛应用于生物组织的微观研究中，其性能相比于普遍光学显微镜有了质的飞跃，是电子显微镜的一个补充。近年来共聚焦显微镜开始运用于生物力学领域，但在生物组织原位观测方面，由于受空间限制影响只有相关的单轴试验设备被研发制造，无法还原复杂应力的实际工况；并且无法实现复杂应力对称加载，导致样品中心变形区不够稳定，难以实现实时原位观测，造成设备精准度不高。


技术实现要素：

4.本发明要解决的是生物组织原位观测的相关技术问题，提供了一种用于共聚焦显微镜的微型原位双轴力学试验机，适配于共聚焦显微镜，能够实现实时原位观测以及双轴对称加载。
5.为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
6.一种用于共聚焦显微镜的微型原位双轴力学试验机，包括四个加载单元；每个所述加载单元包括微型电动推杆，所述微型电动推杆由控制器通过微型驱动器驱动，所述控制器和所述微型驱动器均集成安装于所述微型电动推杆；所述微型电动推杆末端安装有位移传感器，所述微型电动推杆前端连接有载荷传感器；所述位移传感器和所述载荷传感器均与所述控制器信号连接，实现闭环控制；所述载荷传感器通过夹具连接件连接有生物组织夹具，所述生物组织夹具包括与所述夹具连接件相连接的夹具座，所述夹具座前部连接有多个并排布置的齿杆，多个所述齿杆等间距的相互间隔设置，并且每个所述齿杆具有向下设置的尖端，该尖端能够贯穿生物组织完成夹持。
7.进一步地，所述微型电动推杆通过卡具固定于试样台。
8.进一步地，所述微型驱动器由电机与丝杠构成。
9.进一步地，所述夹具连接件包括上部连接端和下部连接端，所述上部连接端与载荷传感器固定连接，所述下部连接端与所述生物组织夹具固定连接。
10.进一步地，所述齿杆包括一体连接的水平区段和竖直区段，所述竖直区段垂直于
生物组织；所述水平区段的端部固定连接于所述夹具座，所述竖直区段的端部设置为向下的尖端。
11.本发明的有益效果是：
12.本发明提供的一种用于共聚焦显微镜的微型原位双轴力学试验机，通过微型电动推杆的设置，突破了空间限制的难题，能够适用于共聚焦显微镜；并且通过生物组织夹具实现对软组织的有效夹持，以模拟复杂应力环境下的双轴力学测试，实现不同比例的双轴对称加载，进而实现实时原位观测。
附图说明
13.图1是本发明实施例所提供的微型原位双轴力学试验机的外观示意图；
14.图2是本发明实施例所提供的微型原位双轴力学试验机的内部结构示意图；
15.图3是本发明实施例所提供的微型原位双轴力学试验机中微型电动推杆的结构示意图；
16.图4是本发明实施例所提供的微型原位双轴力学试验机中微型电动推杆与生物组织夹具连接的结构示意图；
17.图5是本发明实施例所提供的微型原位双轴力学试验机中生物组织夹具的结构示意图；
18.图6是本发明实施例所提供的微型原位双轴力学试验机的使用状态图。
19.上述图中：1：微型电动推杆；2：生物组织夹具；3：试样台；4：卡具；5：夹具连接件；6：共聚焦显微镜；7：位移传感器；8：载荷传感器；9：连接套管。
具体实施方式
20.为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
21.如图1和图2所示，本实施例提供了一种微型原位双轴力学试验机，能够适配于共聚焦显微镜，对生物组织实现多轴加载及实时原位观测。
22.本实施例的微型原位双轴力学试验机包括在同水平面四个方向加载的加载单元，每相邻两个加载方向的夹角均为90度。每个加载单元主要包括微型电动推杆1和生物组织夹具2。
23.如图3所示，微型电动推杆1整体通过卡具4固定在试样台3上，其外壳内部设置有控制器和微型驱动器，微型驱动器由电机与丝杠构成。例如，微型电动推杆1可采用因时机器人的lasf16型号。
24.微型电动推杆1上安装有位移传感器7和载荷传感器8，位移传感器7安装在微型电动推杆1的末端，载荷传感器8通过连接套管9安装在微型电动推杆1的前端。位移传感器7和载荷传感器8均与控制器信号连接，将测量的载荷、位移的数据实时传输给控制器。
25.其中，控制器、微型驱动器、位移传感器7和载荷传感器8均采用微型构件，均可以从市面购得。
26.控制器设定试验参数，并控制微型驱动器将电机的旋转运动变为丝杠的直线往复运动；位移传感器7和载荷传感器8精确测量载荷、位移的数据并反馈到控制器，控制器实时
调控对微型驱动器的控制参数；由此可实现闭环控制，用以模拟复杂应力环境下不同比例的双轴对称力学测试。
27.微型电动推杆1集成安装控制器、微型驱动器、位移传感器7和载荷传感器8，结构紧凑，稳定性强，利于微小空间或组织的实验观察。
28.如图4所示，微型电动推杆1前端连接的载荷传感器8通过夹具连接件5与生物组织夹具2相连。夹具连接件5包括上部连接端和下部连接端，上部连接端和下部连接端在竖直方向具有一定距离；上部连接端与载荷传感器8固定连接，下部连接端与生物组织夹具2固定连接，可使得生物组织夹具2及其夹持的生物组织试样贴近共聚焦显微镜镜头。
29.如图5所示，生物组织夹具2包括夹具座，夹具座后部连接于夹具连接件5，夹具座前部设置有多个相同的齿杆。多个齿杆以等间距相互间隔的并排设置，齿杆一端固定于夹具座，另一端具有向下设置的尖端，该尖端能够贯穿生物组织完成夹持，将生物组织置于试样载玻片上。该生物组织夹具2由于通过多个齿杆对生物组织夹持，夹持牢固，接触面积较大，可以保证生物样品受力均匀，有效防止试样损坏。
30.作为一种优选的实施方式，齿杆可以包括一体连接的水平区段和竖直区段，竖直区段垂直于生物组织；水平区段的端部固定连接于夹具座，竖直区段的端部设置为向下的尖端，该尖端用于竖直穿过生物组织；这种结构设计透光性强，便于观察。
31.微型电动推杆1配合生物试样夹具2能够对生物组织试样进行双轴复杂应力加载的原位力学测试，有良好的同步性及精准度，且样品中心变形区稳定。
32.如图6所示，本实施例的微型原位双轴力学试验机适用于共聚焦显微镜，共聚焦显微镜扫描光源为激光，可快速扫描成像；激光束波长较短、光束细，能够更精准地测量细微形状；在一次调焦后扫描限制在样品的一个平面内，根据调焦深度的不同，可获得样品不同深度层次的图像；这些图像经过分析模拟就能显示样品的立体结构，可原位观察试样，研究变化的整个过程。
33.使用时，先将生物组织试样安装在夹具2上，并在试样载玻片上滴加少量生理盐水，用于模拟生物组织工况，然后调节光源，目镜对焦，通过给控制器设定试验参数，将信号传输到微型驱动器上，控制电机转动，再通过位移传感器7和载荷传感器8测量实时位移及载荷，同时将位移信号、载荷信号反馈到控制器，控制器实时调控输出给微型驱动器的信号，进行各种加载比例的双轴力学试验，同时使用共聚焦显微镜6对生物组织试样进行实时观测。
34.可见，通过本发明的微型原位双轴力学试验机搭载在共聚焦显微镜的实验台上，上方光源为激光，下方为可切换对焦目镜，通过生物组织夹具2对生物组织的有效夹持，再利用微型电动推杆1模拟复杂应力进行双轴对称加载，保证了样品中心变形区的稳定性，可进行试样的原位动态观测，并完成对试样的分层扫描和三维图像重建，并对整个过程实时录像，提供最原始、最直接的信息。
35.尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于共聚焦显微镜的微型原位双轴力学试验机，其特征在于，包括四个加载单元；每个所述加载单元包括微型电动推杆，所述微型电动推杆由控制器通过微型驱动器驱动，所述控制器和所述微型驱动器均集成安装于所述微型电动推杆；所述微型电动推杆末端安装有位移传感器，所述微型电动推杆前端连接有载荷传感器；所述位移传感器和所述载荷传感器均与所述控制器信号连接，实现闭环控制；所述载荷传感器通过夹具连接件连接有生物组织夹具，所述生物组织夹具包括与所述夹具连接件相连接的夹具座，所述夹具座前部连接有多个并排布置的齿杆，多个所述齿杆等间距的相互间隔设置，并且每个所述齿杆具有向下设置的尖端，该尖端能够贯穿生物组织完成夹持。2.根据权利要求1所述的一种用于共聚焦显微镜的微型原位双轴力学试验机，其特征在于，所述微型电动推杆通过卡具固定于试样台。3.根据权利要求1所述的一种用于共聚焦显微镜的微型原位双轴力学试验机，其特征在于，所述微型驱动器由电机与丝杠构成。4.根据权利要求1所述的一种用于共聚焦显微镜的微型原位双轴力学试验机，其特征在于，所述夹具连接件包括上部连接端和下部连接端，所述上部连接端与载荷传感器固定连接，所述下部连接端与所述生物组织夹具固定连接。5.根据权利要求1所述的一种用于共聚焦显微镜的微型原位双轴力学试验机，其特征在于，所述齿杆包括一体连接的水平区段和竖直区段，所述竖直区段垂直于生物组织；所述水平区段的端部固定连接于所述夹具座，所述竖直区段的端部设置为向下的尖端。
技术总结
本发明属于生物组织力学测试技术领域，公开了一种用于共聚焦显微镜的微型原位双轴力学试验机，包括四个加载单元；每个加载单元包括微型电动推杆，微型电动推杆由控制器通过微型驱动器驱动，微型电动推杆末端安装有位移传感器，所述微型电动推杆前端连接有载荷传感器；位移传感器和载荷传感器均与控制器信号连接，实现闭环控制；载荷传感器通过夹具连接件连接有生物组织夹具，生物组织夹具包括与夹具连接件相连接的夹具座，夹具座前部连接有多个并排布置的齿杆，多个齿杆等间距的相互间隔设置，并且每个齿杆具有向下设置的尖端，该尖端能够贯穿生物组织完成夹持。本发明适配于共聚焦显微镜，能够实现实时原位观测以及双轴对称加载。加载。加载。


技术研发人员：陈刚 林强 冯少武 梅云辉 刘媛 徐仲斌
受保护的技术使用者：天津大学 天津工业大学
技术研发日：2021.03.18
技术公布日：2021/6/29