[实用新型]用于软骨材料纳米压痕实验的四自由度平台夹具

说明书

本实用新型涉及一种用于软骨材料纳米压痕实验的四自由度平台夹具，属于材料原位力学性能测试领域。包括软骨夹持单元、X轴直线运动单元、Y轴直线运动单元、Z轴旋转运动单元和Y轴旋转运动单元，软骨夹持单元在最上方，其下是Z轴旋转运动单元，两个单元之间通过法兰结构实现连接；Z轴旋转运动单元与其下方的Y轴旋转运动单元连接；Y轴旋转运动单元与其下方的X轴直线运动单元连接；X轴直线运动单元与Y轴直线运动单元连接，实现了X轴直线运动单元和其下方的Y轴直线运动单元之间的连接。优点在于：可以实现对关节软骨全范围的测试。避免了传统压痕实验制备样品的的过程中对关节软骨表面和结构的破坏。

技术领域

本实用新型涉及材料原位力学性能测试领域，特别涉及一种用于软骨材料纳米压痕实验的四自由度平台夹具。

背景技术

关节软骨属于一种透明软骨，由软骨细胞和细胞外基质组成。细胞外基质中的胶原纤维构成了拱形的框架，其根部紧紧附着在软骨下骨上，使得软骨层与软骨下骨能够紧密结合。关节软骨在关节的运动中发挥着缓冲应力、吸收震动、减少磨损等重要作用。正常软骨能够有几十年的寿命，而由于运动不当、交通事故、骨关节炎疾病等因素会造成软骨损伤。软骨出现损伤和退化后，很难自我修复，有时甚至需要通过人工关节置换手术植入人造关节软骨。而软骨生理结构十分复杂，其复杂的生理结构使得软骨具有多相性、非线性、粘弹性、各向异性等特点。而传统实验和设计中，往往对软骨进行简化，这种简化虽然降低了设计和实验难度，但往往会造成实验结果与预期不符、服役时间短于设计寿命等情况。为了更好的预防和治疗骨关节疾病、更好的设计人造关节植入物，需要对软骨的力学性能进行更加细致而深入的研究。传统力学实验设备及其配套夹具无法满足对软骨的复杂结构和力学参数测试的需要。通过创新设计新型的测试设备及其夹具，以实现对软骨结构和力学性能的细致、精确研究。

纳米压痕技术非常适合用于关节软骨力学性能的测量。纳米压痕测试是一种微纳米力学测试，因其具有高测试分辨率的特点，逐渐发展成为材料微小尺度力学性能测试的主流技术。纳米压痕技术可以在测试待测样品的几乎不破坏其结构，且精度和灵敏度远高于传统力学性能测试方式。纳米压痕测试技术可以深入的揭示材料的微观力学行为、损伤机理及其与载荷作用和材料性能之间的相关规律。关节软骨组织的宏观力学性能是由其微观层级结构和纳观层级结构所决定的。因此，纳米压痕技术逐步发展成为生物材料力学性能测试和对其微观结构进行评估的一种重要手段。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种用于软骨材料纳米压痕实验的四自由度平台夹具，解决了现有技术存在的上述问题。本实用新型通过对四自由度平台的集成，使得对关节软骨不同位置进行力学性能测试成为了可能。能够提供关节软骨全向的力学性能参数。为评价软骨材料力学性能提供了更多手段，也为医学上对软骨的评价和修复提供了参考手段。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

用于软骨材料纳米压痕实验的四自由度平台夹具，该夹具包括五个单元，分别为：软骨夹持单元、X轴直线运动单元、Y轴直线运动单元、Z轴旋转运动单元和Y轴旋转运动单元；

所述软骨夹持单元在最上方，其下是Z轴旋转运动单元，两个单元的连接是通过试样夹持底座3与Z轴旋转盘4之间的法兰结构实现；

所述Z轴旋转运动单元中的Z轴旋转装置底板22与其下方的Y轴旋转运动单元中的内、外侧Y轴旋转运动转动轴上固定块20、8连接，以此实现两个单元之间的连接；

所述Y轴旋转运动单元与其下方的X轴直线运动单元之间的连接则是通过Y轴旋转装置底板10与X轴直线运动滑块11连接实现；

所述X轴直线运动单元中的X轴直线运动装置底板14与Y轴直线运动单元的Y轴直线运动滑块连接，实现了X轴直线运动单元和其下方的Y轴直线运动单元之间的连接。

所述的软骨夹持单元是：试样1通过两液混合硬化胶2进行固定和夹紧，且两液混合硬化胶2粘在试样夹持底座3上。