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数字图像相关(DIC)技术用于生物力学和生物材料测试

生物医学工程是一个跨学科科学领域,旨在改善人类健康和医疗护理。从工程的角度来看,生物材料、力生物学和生物制造与目标生物系统的相互作用,以实现各种医学治疗目的。数字图像相关(DIC)技术,作为一种非接触、精准高效、无损的全场应变测量方法,可用于复杂的力生物学、生物材料、生物打印和制造的力学性能和力学行为的全视场测量。

生物材料通常具有复杂形状的特征,软组织或复杂骨骼结构在加载下的测量,使用接触式传感器都是十分困难的,特别是在整个实验过程中接触式传感器与样品的连接和接触。在某些情况下,接触式传感器甚至可能会影响其材料性能。

数字图像相关(DIC)技术一种易于应用、非接触式的测量方法,可解决这些应用问题。此外,DIC技术允许对物体进行全场轮廓,位移和应变的高精度测量。DIC技术可提供成千上万的测量点,帮助科研人员理解在加载下被测件物理特性之间复杂的相互作用,获取高质量的实验数据来确认和优化计算机模型。

数字图像相关(DIC)技术用于生物力学和生物材料测试.jpg

数字图像相关(DIC)技术可获取实验过程中的表面位移场、应变场、全场位移数据,直观显示出应变集中和结构位移等运动特性,目前在力生物学和生物材料领域有着许多成功的应用。

数字图像相关(DIC)技术在生物医学领域的详细应用实例,包括:

  • 医疗设备组件

  • 骨科植入物(如髋关节、膝关节)

  • 软组织

  • 骨骼及其微结构

  • 牙科材料(如颌骨、填充物、牙冠、植入物)

  • 支架(如冠状动脉、血管、输尿管)

  • 水凝胶

  • 3D打印材料

  • 皮肤和皮肤移植

一、数字图像相关(DIC)技术用于生物材料测试

生物材料包括多种有机/无机生物相容性材料,能与活组织密切相互作用。天然生物聚合物和合成生物聚合物,广泛应用于结缔硬组织和软组织、药物输送介质和组织支架等方面。金属及其合金和陶瓷广泛应用于骨科器械、牙科器械、可穿戴设备和动脉支架等。

骨骼生物力学

在硬组织生物力学方面,DIC技术可用于骨骼及骨骼植入物生物材料进行力学测试,可精准测试骨骼材料在运动负荷状态下的变形、抗冲击能力及最大承受力,可满足应力应变测试以及多种复合载荷作用下的动态测试。

骨骼压缩测试

数字图像相关(DIC)技术用于骨骼压缩全场应变测量.jpg

数字图像相关(DIC)技术用于骨骼压缩全场应变测量.jpg

骨骼拉伸测试

数字图像相关(DIC)技术用于骨骼拉伸全场应变测量.jpg

数字图像相关(DIC)技术用于骨骼拉伸全场应变测量.jpg

数字图像相关(DIC)技术用于软组织生物力学

软组织具有复杂的非线性特性,DIC技术可用于软组织复杂受力下的三维变形分析。DIC技术可高效输出应力-应变曲线,对于分析软组织的弹性特性和非线性各向异性特性非常有用。

关节软骨回弹

数字图像相关(DIC)技术用于关节软骨回弹全场变形测量.jpg

实验装置&加载前后软骨DIC微观图像
数字图像相关(DIC)技术用于关节软骨回弹全场变形测量.jpg

关节软骨不同层区回弹性能实验原理示意图
数字图像相关(DIC)技术用于关节软骨回弹全场变形测量.jpg

恒定压缩速率下不同层区回弹的应变变化

数字图像相关(DIC)技术用于关节软骨回弹全场变形测量.jpg

不同压缩载荷下不同层区回弹的应变变化

数字图像相关(DIC)技术用于关节软骨回弹全场变形测量.jpg

不同压缩时间下不同层区回弹的应变变化

细胞培养室生物力学

人体细胞会受到各种力学激励。使用较大均匀应变区域的细胞培养室,搭载细胞力学加载装置,将单轴表面应变传递给弹性基底膜上的贴壁细胞。采用DIC技术搭配体式显微镜,高放大倍数测量培养室中应变场和位移场的分布。

数字图像相关(DIC)技术用于细胞培养室力学性能测试.jpg

数字图像相关(DIC)技术用于细胞培养室力学性能测试.jpg

不同应变下基板DIC测量与有限元仿真对比

舌鳞癌细胞加载实验

利用体外贴壁细胞应变加载装置,对硅橡胶小室内的舌鳞癌细胞加载拉伸力,诱导0.5% 机械应变刺激,可见贴壁细胞在加载装置的拉伸形态发生明显的变化。

数字图像相关(DIC)技术用于舌鳞癌细胞贴壁细胞拉伸加载应变测试.jpg

数字图像相关(DIC)技术用于生物运动力学

力学生物学是一个新兴领域, DIC技术可获取实验过程中的表面全场应变、位移、速度、加速度等数据,可直观显示出结构运动等特性,在生物运动力学领域中展示了其有效性和实用性。

腿部支架运动位移

数字图像相关(DIC)技术用于腿部支架运动位移测量.jpg

不同状态下的大腿部位护具下滑量

数字图像相关(DIC)技术用于腿部支架运动位移测量.jpg

数字图像相关(DIC)技术用于腿部支架运动位移测量.jpg

不同状态下的小腿部位护具下滑量(负值表示下滑)

胯关节运动模拟

数字图像相关(DIC)技术用于胯关节运动模拟位移测量.jpg

运动文胸材料防震测试

数字图像相关(DIC)技术用于女性文胸运动材料防震测试.jpg

生物制造材料

增材制造(AM)技术的发展推动了生物制造的研究。生物组织的非均匀结构从宏观到纳米尺度展现出显著的复杂性,这对可植入设备的设计提出了挑战。例如,骨科植入物需要与周围宿主组织具有相似的结构特征和材料属性,以保证适当的有效刚度和渗透率。DIC技术为研发和测试这些生物骨骼材料提供了新途径。

3D打印骨折外固定器

数字图像相关(DIC)技术用于3D打印骨骼材料力学性能测试.jpg

数字图像相关(DIC)技术用于3D打印骨骼材料力学性能测试.jpg

Schanz钉位移云图    Schanz钉变形量与距离关系图

数字图像相关(DIC)技术用于3D打印骨骼材料力学性能测试.jpg

9组胫骨骨折外固定模型刚度比较

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