用于太赫兹原位冲击测试的仿生骨骼样品制造技术

本实用新型专利技术涉及一种用于太赫兹原位冲击测试的仿生骨骼样品，属于生物力学测试领域。通过由表及里的拓扑结构构建由仿生皮肤‑肌肉‑骨组成的仿生骨骼样品。制备具有多孔梯度特性的仿生骨，与天然生物肌肉力学性能相近的仿生肌肉亦附着于仿生骨外层，其外层包裹人造皮肤，制作成模拟完整生物肢体结构的仿生骨骼样品。将薄膜式压力传感器嵌入仿生骨骼样品各组成部分，对仿生骨骼样品各组成部分所受冲击力值进行全方位、多层次、立体式检测。可替代天然骨进行冲击性能实验并能集成多种新型检测方式，不仅为生物材料冲击性能测试提供一种有效的工具，而且为仿生肢体、植入式仿生骨骼等仿生材料器具的冲击破坏机理的研究提供一种新的研究手段。

Bionic bone samples for terahertz in situ impact testing

The utility model relates to a bionic bone sample used for terahertz in-situ impact testing, belonging to the field of biomechanical testing. A bionic skeleton sample consisting of bionic skin, muscle and bone was constructed by the topological structure of the surface and the interior. Biomimetic bone with porous gradient characteristics was prepared. Biomimetic muscle similar to natural muscle was also attached to the outer layer of biomimetic bone. The outer layer of biomimetic bone was wrapped with artificial skin, and biomimetic bone samples were made to simulate the complete structure of biological limbs. The membrane pressure sensor was embedded into the components of bionic bone samples, and the impact force of each component of bionic bone samples was measured in an all-round, multi-level and three-dimensional way. It can replace natural bone to carry out impact performance test and integrate various new detection methods. It not only provides an effective tool for impact performance test of biomaterials, but also provides a new research method for impact failure mechanism of bionic materials such as bionic limbs and implantable bionic skeletons.

【技术实现步骤摘要】
用于太赫兹原位冲击测试的仿生骨骼样品
本技术涉及生物力学测试领域，特别涉及一种用于太赫兹原位冲击测试的仿生骨骼样品。本技术可用于模拟天然生物材料的力学性能并代替其进行太赫兹实时原位检测下的冲击测试，为仿生材料样品冲击性能测试提供一种重复性强、可大量制备的多功能样品，该样品弥补了天然骨制成样品后在结构和成分有较大差异性的缺点，减少天然骨差异带来的不必要的实验变量，为天然骨冲击性能测试提供制备简单且力学性能重复性高的标准化样品，也为仿生材料、医用生物材料等材料的力学性能测试提供一种新的研究手段。
技术介绍
在日常生活中，生物体经常会遭受各种各样的冲击载荷的影响，由于冲击载荷瞬间的产生破坏力较大，往往会对生物体带来巨大的伤害，尤其是骨骼，在受到较大冲击载荷时往往会产生骨裂、骨折等较为严重的后果。因此我们需要对生物体的骨的在冲击力作用下的失效、破坏机理进行研究，由于天然骨是比较复杂，不同部位、不同作用的骨的形状、结构、密度、硬度都存在着明显的差异，对骨骼进行冲击实验往往会因为样品的制作、天然骨的获取来源有限而使实验结果差异性大，甚至有些实验骨（如人体骨）本身就难以获取，因此寻找在力学性能上接近天然骨且能大量制取的替代样品成为了天然骨冲击性能测试亟需解决的一个难题。生物医用材料具有以下特性：良好的生物相容性、安全性、一定的机械强度、可控制的生物降解性，这些特性也是天然的生物材料所拥有的，由于拥有这些其它材料不可比拟的优势，使得其在为研究天然生物材料冲击性能测试提供了一条崭新的途径。天然骨是天然有机物和无机物的复合材料，主要由有机物、无机物和水等组成，有机物成分约占骨的总质量的35%，其中胶原纤维约占95%，其余为无定形基质。胶原纤维中I型胶原纤维占90%。无定形基质主要是蛋白质和多糖的复合物，如硫酸软骨素、透明质酸等。无机物占了骨的总质量的60%~70%，其主要成分是羟基磷灰石。针对骨的仿生开始主要以成分和结构为主，但由于这种仿生材料制作的仿生骨具有脆性大、力学性能较之天然骨差等缺点，促使人们必须对其进行改进。目前仿生骨的主要材料分为以下三类：HA/有机复合材料，有机相为胶原、聚乙烯、聚甲基丙烯酯甲酯等；HA/无机复合材料，其无机相主要是CaO、Al2O3、CaSO4等；HA薄膜，基底主要是金属，包括Ti、Co-Cr-Mo合金和不锈钢等。为使仿生骨结构在力学性能上接近天然骨生物材料和处于集成太赫兹成像技术进行原位检测的需要，在制造时选择HA/有机复合材料。较之后两种材料这种材料在组成方面与天然骨的成分更为接近，利用这种材料制作的样品在冲击性能方面更接近天然骨，实验数据的可靠性更高，差异性更小。“3D打印技术”也叫“增材制造技术”，是一种使用粉末状金属或塑料等可粘合材料逐层快速成型技术。3D打印技术可以制作结构和形状很复杂的实体，并且不需要制造生产所需的磨具。相对于传统的减材制造方式是基于切除多余的材料加工出所需的形状，3D打印技术可根据加工的结构、尺寸要求合理地使用、分配材料，使得材料的利用率有了显著的提高，极大地节省了材料和加工成本。如今随着3D打印技术和设备的发展和成熟，它的使用范围越来越广，打印材料的种类也逐渐增多。目前，3D打印技术已经应用到生物医疗领域，尤其是在仿生骨等领域，通过对所要制作的骨骼解剖模型进行结构分析，研究骨骼的内部微细结构、外形轮廓以及力学性能，然后将得到的数据转化为3D打印的制造参数，通过控制3D打印工艺参数、基本材料成分和材料的尺寸、形状，由此制造的仿生模具就具备了天然骨的密质骨和松质骨的结构特征，并且拥有和天然骨非常接近的力学性能，仿生骨可从结构、力学性能、外形、制造精度及表面粗糙度等方面实现对骨骼的仿造。通过3D打印技术制造的样品不仅满足结构和力学性能方面对天然骨的模拟，而且具有较高的加工精度和加工效率。因此选用此加工方式完成对样品的制造。太赫兹是一种波长在0.03mm~3mm之间的电磁波，对应的频率为10THZ~0.1THZ，由于超快激光技术的发展，使得太赫兹技术日趋成熟，太赫兹技术在通信、国防、医学、航天方面蕴藏着巨大的应用前景和无可比拟的优势，因而受到了发达国家的广泛重视。在生命医学领域，太赫兹具有以下独特的应用优势和特性。1）太赫兹的光子能量很低，约是X射线的1/106，这个能量不会电离生物体内的分子。2）多数生物大分子的震动和旋转频率都在太赫兹范围内，因而在太赫兹波段表现出很强的吸收和谐振。3)太赫兹能以很小的衰减穿透非金属物质如脂肪、纤维、塑料等。基于太赫兹的生物无害性、高穿透性等独特优势，将其运用到生物材料的冲击性能测试上，可为研究骨骼结构变形、内部裂纹、破坏机理提供一种新型检测手段和研究角度。利用天然骨做冲击性能测试主要面临以下两个难题：1、实验用天然骨的资源有限使得样品不能大量制备，甚至有些实验材料（如人体骨骼）难以获取，因而造成实验重复性差而无法获取充足的实验数据。2、天然骨由于其位置、作用不同导致骨骼的形态、微结构、力学性能、密度之间差异较大，生长环境、饮食习惯、健康状况的不同也会导致骨骼具有差异性，导致因样品本身固有的力学、结构差异而给实验带来不必要的变量因素、误差，使实验数据不能清楚地反映天然骨的冲击性能，亟待解决。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种用于太赫兹原位冲击测试的仿生骨骼样品，解决现有技术存在的上述问题。本技术可替代天然骨进行冲击性能实验并能集成多种新型检测方式，该样品不仅可以为生物材料冲击性能测试提供一种有效的工具，而且可为仿生肢体、植入式仿生骨骼等仿生材料器具的冲击破坏机理的研究提供一种新的研究手段。本技术的上述目的通过以下技术方案实现：样品整体为长方体状，包括仿密质骨1、传感器阵列2、仿生肌肉3、人造皮肤4、主传感器5、仿松质骨6、水凝胶7。所述仿松质骨6、仿密质骨1和水凝胶7构成仿生骨结构，仿生骨结构是样品的主体结构和冲击性能实验的测试对象。仿松质骨6为内部分布具有函数规律的圆柱孔阵列的长方体结构，正视仿松质骨6左视图时，从垂直竖直对称轴方向向两侧圆柱孔孔隙率呈抛物线规律递减，沿竖直对称轴方向孔隙率保持不变；正视俯视图时，从垂直水平对称轴方向向两侧圆柱孔孔隙率呈抛物线规律递减，沿水平对称轴方向孔隙率保持不变，两个方向上的圆柱孔阵列结构遵循相同的抛物线函数规律。仿松质骨6与仿密质骨1实为一体；仿松质骨6的孔隙中填充水凝胶7模拟骨髓；采用医用硅胶作为仿生肌肉3的制作材料，通过3D打印技术将其附着并固定在仿密质骨1表面以模拟肌肉；人造皮肤4包裹在仿生肌肉3外层。在仿生骨骼样品受冲击过程中，利用太赫兹原位检测技术对样品的变形行为、缺陷演化机理和层间剥离机制实时分析。传感器阵列2、主传感器5均选用薄膜式压力传感器，将传感器阵列2、主传感器5组成的传感器群嵌入到样品各结构层中检测结构所受冲击力以及力在各个方向的延伸规律。主传感器5、传感器阵列2构成的传感器群由内而外布置三层，第一层传感器群布置在仿松质骨6外表面和仿密质骨1内表面结合处以检测仿松质骨冲击力数值；第二层传感器群嵌入仿密质骨1外表面，使传感器感应区两侧分别贴合在仿生肌肉3内表面和仿密质骨1外表面检测仿密质骨1冲击力数值；第三层传感器群嵌入仿生肌肉3外本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于太赫兹原位冲击测试的仿生骨骼样品，其特征在于：样品整体为长方体状，包括仿密质骨（1）、传感器阵列（2）、仿生肌肉（3）、人造皮肤（4）、主传感器（5）、仿松质骨（6）、水凝胶（7），所述仿松质骨（6）、仿密质骨（1）和水凝胶（7）构成仿生骨结构，仿生骨结构是样品的主体结构和冲击性能实验的测试对象；仿松质骨（6）为内部分布圆柱孔阵列的长方体结构，仿松质骨（6）与仿密质骨（1）结构实为一体；仿松质骨（6）的孔隙中填充水凝胶（7）模拟骨髓；采用医用硅胶作为仿生肌肉（3）的制作材料，通过3D打印技术将其附着并固定在仿密质骨（1）表面以模拟肌肉；人造皮肤（4）包裹在仿生肌肉（3）外层。

【技术特征摘要】
1.一种用于太赫兹原位冲击测试的仿生骨骼样品，其特征在于：样品整体为长方体状，包括仿密质骨（1）、传感器阵列（2）、仿生肌肉（3）、人造皮肤（4）、主传感器（5）、仿松质骨（6）、水凝胶（7），所述仿松质骨（6）、仿密质骨（1）和水凝胶（7）构成仿生骨结构，仿生骨结构是样品的主体结构和冲击性能实验的测试对象；仿松质骨（6）为内部分布圆柱孔阵列的长方体结构，仿松质骨（6）与仿密质骨（1）结构实为一体；仿松质骨（6）的孔隙中填充水凝胶（7）模拟骨髓；采用医用硅胶作为仿生肌肉（3）的制作材料，通过3D打印技术将其附着并固定在仿密质骨（1）表面以模拟肌肉；人造皮肤（4）包裹在仿生肌肉（3）外层。2.根据权利要求1所述的用于太赫兹原位冲击测试的仿生骨骼样品，其特征在于：所述的传感器阵列（2）、主传感器（5）均为薄膜式压力传感器，将传感器阵列（2）、主传感器（5）组成的传感器群嵌入到样品各结构层中检测结构所受冲击力以及力在各个方向的延伸规律；主传感器（5）、传感器阵列（2）构...

【专利技术属性】
技术研发人员：马志超，张红诏，赵宏伟，任露泉，强振峰，蒋东颖，严家琪，杜希杰，马筱溪，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：新型
国别省市：吉林,22