[发明专利]基于纳米压痕和纳米划痕的钙化骨力学性能实验方法

说明书

本发明公开了基于纳米压痕和纳米划痕的钙化骨力学性能实验方法，属于生物材料微纳米力学测试方法。将关节软骨置于金属试样杯中，通过接触力学判断准则，获得每条划痕过渡区的起始点和结束点位置。以矩形区域左下角顶点为零点，建立包括全部划痕路径的直角坐标系，并将过渡区的起始点和结束点依次连接成线。将计算得到的结构柔度与仪器框架的结构柔度相加得到修正后的框架柔度，重新计算骨与钙化骨弹性模量，获得修正后的骨与钙化骨弹性模量。通过本发明可以有效的判断一定深度下的骨‑钙化骨界面影响区，当压入深度小于划痕深度时，可以有效避免压痕压入在骨‑钙化骨复合相，获得钙化骨的纳米压痕力学性能。

技术领域

本发明属于生物材料微纳米力学测试方法，特别是通过纳米压痕和纳米划痕进行实验的方法。

背景技术

成熟的关节软骨自关节面向深部可分为浅表层、过渡层、辐射层和钙化骨4层结构。未成熟的关节软骨仅具软骨细胞增殖区，以满足生长。其中，关节面的浅表层增殖区扩大了关节软骨的范围，而深层增殖区则以成骨方式形成软骨下骨，此时软骨钙盐沉积与吸收处于平衡，使骨骼继续长粗、长长。骨骼发育成熟后，即17岁以后，软骨内骨化生长随之停止，此时基质沉积的钙盐不再被吸收，形成钙化骨结构。

钙化骨位于潮线与黏合线之间，结构致密，内有少量软骨细胞。潮线结构是关节软骨成熟的标志，是钙化骨与未钙化软骨之间分界线，利用特异性染色方法可以清晰显示潮线结构。关节软骨的非钙化骨与钙化骨之间存在间隙，骨刀垂直关节表面，通过骨锤敲击后，可使软骨的非钙化骨从潮线处与钙化骨分开。扫描电镜观察界面结果显示，非钙化骨呈现沟壑状结构，沟面为分布均匀的絮状突起；钙化骨表面为分布均匀的沙硕状突起。将界面相互铆合的沟壑状结构为一种界面之间的连接方式――“沟壑铆合”，非钙化骨的细小絮状突起与钙化骨的沙硕状突起之间形成另外一种连接方式――“沙硕镶嵌”。虽然两种连接方式均以突起与凹陷铆合，但两者存在明显不同。“沟壑铆合”连接方式中，非钙化骨主要呈现壑状凸起，钙化骨主要呈现沟状凹陷；在“沙硕镶嵌”连接方式中，钙化骨表面的沙硕状突起被镶嵌在非钙化骨表面的絮状突起之间。这不但增加了界面之间的连接面积，也增加了连接强度。尽管如此，潮线结构依然是关节最脆弱的地方，在外伤或病变导致软骨分离时，剥离的位置往往在潮线结构。由于骨-钙化骨之间是交错铆合的，所报道文献在钙化骨上的测试点均是随机选择，使得在钙化骨上的测试结果常常受到基底效应和周边效应的影响，需要设计一种方法来避免这些影响。通常采用组织形态学相关技术与方法，可以对骨组织的形态结构进行有效的研究。可以取骨包埋块连续切片，染色后在显微镜下获得组织的染色图像，通过图像处理软件采集界面轮廓，再通过建模软件进行三维重建。也可以将组织固定后选用CT、micro-CT、X-ray等对骨组织进行逐层扫描，将扫描得到的图片拼接重建。前一种方法分辨力高，理论上可以将通过纳米压痕法测试完的试样通过此方法筛选不受基底效应和周边效应的影响的点，然而由于生物材料性能分散度高，常常需要大量实验，此方法显然不适于批量实验研究。后一种方法较易完成，依然需要后期建模研究，而且十微米左右的精度也难于满足选择的要求。纳米压痕仪和原子力显微镜的原位扫描模式提供了一种接触扫描的方法，施加微小的力使得压头与试样表面接触，通过往复的接触扫描使得压头以一定的力同试样保持接触，进而输出试样的形貌、接触刚度、相位角和简谐位移等一系列材料性能，可以用来描述材料表面形貌、表面刚度的变化，然而这些都是材料表面性能，依然难于描述当压头压入一定深度后基底效应和周边效应的影响。