基于三维数字图像相关(DIC)技术的生物材料多尺度力学性能原位表征方法研究

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。

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。

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

1.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。

1.1 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

骨骼拉伸测试

1.2 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

实验装置&加载前后软骨DIC微观图像

关节软骨不同层区回弹性能实验原理示意图

恒定压缩速率下不同层区回弹的应变变化

不同压缩载荷下不同层区回弹的应变变化

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。

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。

贴壁细胞拉伸加载结果

2.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。

2.1 腿部支架运动位移

不同状态下的大腿部位护具下滑量

不同状态下的小腿部位护具下滑量（负值表示下滑）

2.2 胯关节运动模拟

2.3 运动文胸材料防震测试

3.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材料提供了新途径。

3.1 3D打印骨折外固定器

Schanz钉位移云图              Schanz钉变形量与距离关系图

9组胫骨骨折外固定模型刚度比较