(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210661041.X (22)申请日 2022.06.13 (71)申请人 西北工业大 学 地址 710072 陕西省西安市友谊西路127号 (72)发明人 李玉龙　徐大森　杨慧　张弩　 (74)专利代理 机构 北京中珒知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 11806 专利代理师 王中 (51)Int.Cl. G01N 3/34(2006.01) C12M 1/00(2006.01) C12M 1/34(2006.01) (54)发明名称 动态压剪耦合加载系统及其方法 (57)摘要 本发明公开一种动态压剪耦合加载系统及 其方法， 其中所述系统包括： 摆锤、 导轨、 活塞、 平 板腔、 活细胞、 耗散箱； 其中， 所述导轨和所述平 板腔相对设置， 所述导轨内设置有子弹； 所述活 塞设置在所述平板腔的第一端； 所述耗散箱的底 部固定有活细胞； 所述平板腔的第二端与所述耗 散箱的内部相连通， 使 得所述平板腔和所述耗散 箱内的溶液能够相互流动； 其中， 所述摆锤撞击 所述子弹， 所述子弹在所述导轨内前进并撞击所 述活塞产生弱激波， 所述弱激波在所述平板腔中 传播至所述耗散箱中耗散， 所述弱激波在所述平 板腔传播时对所述活细胞施加动态压缩和剪切 力。 通过本申请能够获取到包括活细胞在内的微 米级超软材料在动态下的应力应变力学行为关 系。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 115165634 A 2022.10.11 CN 115165634 A 1.一种动态压剪耦合加载系统， 用于测定微米级超软材料在动态压剪耦合加载下的应 力应变本构力学 行为， 其特 征在于， 所述系统包括： 摆锤、 导轨、 活塞、 平板腔、 活细胞、 耗散箱； 其中， 所述导轨和所述平板腔相对设置， 所 述导轨内设置有子弹； 所述活塞设置在所述平板腔的第一端； 所述耗散箱的底部固定有活 细胞； 所述平板腔的第二端与所述耗散箱的内部相连通， 使得所述平板腔和所述耗散箱内 的溶液能够相互流动； 其中， 所述摆锤撞击所述子弹， 所述子弹在所述导轨内前进并撞击所述活塞产生弱激 波， 所述弱激波在所述平板腔 中传播至所述耗散箱中耗散， 所述弱激波在所述平板腔传播 时对所述活细胞施加动态压缩和剪切力。 2.根据权利要求1所述的系统， 其特征在于， 还包括： 高频压力传感器和高频数据采集 系统， 所述高频压力 传感器设置在靠近所述活细胞的位置且所述高频压力 传感器与所述高 频数据采集系统连接 。 3.根据权利要求1所述的系统， 其特征在于， 还包括： 拍摄装置， 用于采集活细胞在侧面 和底面两个视角下的形变场数据。 4.根据权利要求1所述的系统， 其特 征在于， 所述子弹的 口径小于所述活塞的 口径。 5.根据权利要求1所述的系统， 其特 征在于， 所述平板腔内充满溶 液。 6.一种动态压剪耦合加载方法， 用于测定微米级超软材料在动态压剪耦合加载下的应 力应变本构力学 行为， 其特 征在于， 所述方法包括： 相对设置导轨和平板腔， 在所述 导轨内设置 子弹； 在所述平板腔的第一端设置活塞， 将所述平板腔的第二端与耗散箱 的内部相连通， 使 得所述平板腔和所述 耗散箱内的溶 液相互流动； 其中所述 耗散箱的底部固定有活细胞； 使所述子弹在所述导轨内前进 并撞击所述活塞产生弱 激波， 所述弱 激波在所述平板腔 中传播至所述耗散箱中耗散， 所述弱激波在所述平板腔传播时对所述活细胞施加动态压缩 和剪切力。 7.根据权利要求6所述的方法， 其特 征在于， 还 包括： 在靠近所述活细胞的位置设置高频压力传感器； 通过所述高频压力传感器采集压缩应力的实时数据， 并发送至高频 数据采集系统。 8.根据权利要求6所述的方法， 其特 征在于， 还 包括： 在活细胞的侧面和底面分别设置 高速摄像机， 采集活细胞在侧面和底面两个视角下的 形变场数据。 9.根据权利要求6所述的方法， 其特 征在于， 所述子弹的 口径小于所述活塞的 口径。 10.根据权利要求6所述的方法， 其特 征在于， 所述平板腔内充满溶 液。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115165634 A 2动态压剪耦合加载系统及其方 法 技术领域 [0001]本发明涉及力学性能测试技 术， 尤其涉及一种动态压 剪耦合加载系统及其方法。 背景技术 [0002]在发育、 分化、 生理和疾病过程中， 细胞不仅接收化学信号， 还接收来自细胞外基 质和周围环境的机械信号。 机械力是有 经验的， 可能被解释为在细胞中产生生物反应。 细胞 中的这些表型和功能变化包括一系列途径， 如基因表达级联、 蛋白质合成、 增殖和运动， 这 些途径暂时甚至永久改变细胞状态。 从力学的角度来看， 细胞是一种特殊的材料， 尽管细胞 比金属和玻璃等普通材料复杂得多。 在大多 数病理过程中， 细胞的力学性质并不稳定， 如转 移、 哮喘、 镰状细胞贫血和凋亡。 因此， 了解细胞的力学行为可以提供一个独特的视角来描 述疾病的机制和生物材 料的基本 机制， 因为细胞 是生命的基本单位。 [0003]在探索细胞力学和建立细胞的应力 ‑应变关系时， 面临的挑战是如何在组织/单 层/细胞上适当施加可控力， 并在单细胞尺度下捕获其实时应变场。 基于这些追求， 提出了 各种合理的假设， 主要基于研究规模视角， 以及相应的机械方法， 包括机械方法和生物方 法。 [0004]借助图像处理算法， 原子力显微镜(A FM)、 微吸管抽吸(MA)和微流控平台是向细胞 施加压缩/拉伸或剪切应力的最常用和有效的机械工具。 此外， 为了提高准确性和收集更多 信息， 还设计了一些改进的技术和方法， 如磁扭转细胞仪(MTC)、 单轴拉伸流变仪(USR)等。 通过这些静态或准静态力学实验， 可以认为细胞的力学行为可能是粘弹性材料。 然而， 那些 探索分离活细胞的应力 ‑应变关系的实验还没有达到动态条件或更高的应变率。 通常， 材料 (包括活细胞)的动态加载过程与静态或准静态情况有很大不同。 一个生动的例 子是， 准静 态变形情况是一系列平衡状态， 其中材料力学方程是生效的。 相反， 动态加载过程可以被视 为应力波以声速在物体中传播。 一旦外部以很高的速率传递变形， 导致物体的一部分受到 应力， 其他部 分还没有受到影响。 因为细胞具有感知机械行为的能力， 并能快速反应以适应 这种机械环境。 受动态加载过程影响的细胞可能表现出不同的力学行为， 而不是粘弹性材 料。 此外， 动态过程下的应力应变关系是单细胞本构方程的重要组成部分。 因此， 开发在细 胞上施加动态应力的方法将对细胞力学研究领域做出重大贡献。 发明内容 [0005]本发明的主要目的在于提供一种动 态压剪耦合加载系统及其方法， 以解决现有技 术存在的无法测定细胞动态范围的应力应 变的问题。 [0006]根据本发明实施例提出一种动态压剪耦合加载系统， 用于测定微米级超软材料在 动态压剪耦合加载下的应力应变本构力学行为， 所述系统包括： 摆锤、 导轨、 活塞、 平板腔、 活细胞、 耗散箱； 其中， 所述导轨和所述平板腔相对设置， 所述导轨内设置有子弹； 所述活塞 设置在所述平板腔的第一端； 所述耗散箱的底部固定有活细胞； 所述平板腔的第二端与所 述耗散箱的内部相连通， 使得所述平板腔和所述耗散箱内的溶液能够相互流动； 其中， 所述说　明　书 1/4 页 3 CN 115165634 A 3