Biomomentum MACH-1 多功能微观力学测试系统，典型应用场景：大/小动物模型关节软骨修复与自动化压痕Mapping

1. 该系统能解决什么科研问题？其地位与重要性

在软骨修复和骨关节炎（OA）研究中，传统的组织学切片只能提供二维的形态学信息，而传统力学试验机往往只能提供单点或整体的压缩数据。核心科学问题在于：如何在不破坏关节面天然曲面和软骨-骨界面约束的前提下，获取大面积软骨组织力学性质的“空间分布图”？ 传统方法要求样品表面平整且压缩轴绝对垂直，这使得具有复杂双曲率的股骨髁、胫骨平台难以被完整测试。

MACH-1通过其独有的法向压痕（Normal Indentation）技术和自动化Mapping模块解决了这一难题。系统能在XYZ三轴联动下，自动探测局部曲面高度和法向，使压头沿虚拟法线完成压痕。其重要性在于，它将软骨力学评价从“单点抽样”推进到了“全表面制图”时代，使得识别早期OA的局部力学退变、评估大动物软骨修复模型的再生组织功能成为了常规操作。

2. 典型用途及典型使用场景

• 大动物软骨修复全关节面制图（如羊模型）：在骨髓刺激等软骨修复模型中，对股骨远端髁进行多点位（如约40点/关节面）自动压痕，获取结构刚度分布，并与机电探针（如Arthro-BST）在同位点结合，评估再生组织质量。

• 小动物模型全关节面力学表型分析（如小鼠）：针对小鼠膝关节（胫骨平台和股骨髁），使用微小球形压头（如r=0.175 mm或0.3 mm），在液相（PBS浴）中对任意曲率的关节面进行高分辨率压痕Mapping。

• 复杂解剖结构对比：在同一平台上，通过更换传感器，对比同一基因型小鼠的股骨关节软骨与颞下颌关节（TMJ）髁突软骨的刚度差异。

• 同点位厚度与刚度双参数采集：在压痕测试的同时，利用针式探头进行厚度Mapping，排除组织厚度差异对结构刚度读数造成的几何效应干扰。

3. 该系统已支持发表的研究方向，应用案例摘要有哪些？

• 案例一：羊软骨修复面力学与机电同位点Mapping（ICRS 2015）。对5只骨髓刺激模型羊和2只对照羊的股骨远端髁进行评价。MACH-1（0.5 mm球形压头）在机电测量后的相同位置自动压痕至50 μm。结果显示，修复组织厚度显著低于正常软骨，其结构刚度虽然较高，但部分原因是由于组织较薄导致的几何效应，凸显了厚度Mapping的重要性。

• 案例二：小鼠全关节面压痕尺度缩放（ICRS 2015）。使用MACH-1 v500css（多轴传感器Fz分辨率3.5 mN，0.175 mm压头），在STR/ort OA小鼠和对照组中成功绘制了胫骨平台和股骨髁的刚度分布。这证明了自动法向压痕技术能从人、羊成功缩放至小鼠尺度。

• 案例三：Fgf2KO小鼠股骨与TMJ软骨刚度对比（Cartilage 2021）。使用MACH-1 v500csst在PBS浴中测试，发现Fgf2KO小鼠股骨软骨内侧刚度显著降低，而TMJ软骨刚度反而升高且厚度降低。展示了平台在不同解剖结构间的参数适配性。

4. 产品优势亮点

• 核心独有技术（法向压痕）：无需对样品进行打磨、包埋或整平，直接对不规则曲面施加垂直法向载荷，消除了手动对齐引入的角度误差。

• 全流程标准化SOP：Biomomentum发布了版本化的标准操作规程（如自动化压痕Mapping SOP MA056-SOP01-D，厚度Mapping SOP MA056-SOP02-D），确保不同实验室、不同操作者获得可重复的数据。

• 液相与生理环境兼容：支持在PBS或培养基中直接进行Mapping（如TMJ测试全程在PBS浴中），防止软骨脱水硬化，保证数据生理相关性。

• 跨尺度与多参数集成：位移分辨率达0.1 μm，载荷传感器量程0.5 N–250 N可换。同一台主机可完成从极软水凝胶到硬骨、从0.1 mm级小鼠关节到几十毫米级羊关节的测试。

• 成熟度与全球认可度：自1999年商业化，全球4000+实验室使用，超1000篇文献。国内同济、青岛大学、上海交大等均有落地。

5. 产品核心性能、核心参数有哪些？

• 压痕位移分辨率：0.1 μm。

• 多轴载荷传感器：Z轴力分辨率可达3.5 mN（小鼠Mapping配置）。

• 球形压头：可选0.175 mm（小鼠）、0.3 mm、0.5 mm（羊/人）等。

• 压痕速度：可按需设定（官方数据如30 μm/s或200 μm/s）。

• Mapping点位：支持自定义网格，如>130点/样品（皮肤伤口）或约40点/关节面（羊）。

• 测试环境：支持液体浸没（PBS/DMEM）及培养箱内运行。

6. 典型应用文献

• 文献编号 1

• 文献中英文标题： Automated Indentation Demonstrates Structural Stiffness of Femoral Articular Cartilage and Temporomandibular Joint Mandibular Condylar Cartilage Is Altered in Fgf2KO Mice / 自动压痕显示Fgf2KO小鼠股骨与颞下颌关节软骨结构刚度改变

• 作者/通讯作者： Woods PS, Schmidt TA 等

• 期刊： Cartilage 年份：2021 IF：骨科主流期刊

• 研究领域： 关节软骨、TMJ、自动压痕

• 研究目的 / 科学问题： 评估FGF2缺失对小鼠股骨与TMJ软骨刚度的影响。

• 实验方法： 使用Biomomentum Mach-1 v500csst，在PBS浴中以0.3 mm球形压头执行自动压痕。

• 核心结果： Fgf2KO小鼠股骨软骨特定区域刚度下降，而TMJ软骨刚度上升。MACH-1精准区分了不同解剖部位的力学差异。

• 结论： MACH-1适用于微小、曲面软骨的全表面力学表征。

• 文献编号 2

• 文献中英文标题： Evaluation of Entire Ovine Cartilage Repair Articular Surfaces: Mechanical and Electromechanical Assessment / 羊软骨修复全关节面的力学与机电评价

• 作者/通讯作者： Sim S, Hoemann CD 等

• 期刊： ICRS World Congress 年份：2015 IF：会议摘要

• 研究领域： 软骨修复、大动物模型

• 研究目的 / 科学问题： 评价羊软骨修复面力学与机电特性。

• 实验方法： MACH-1 v500css在相同位置执行自动压痕，与Arthro-BST机电数据对比。

• 核心结果： 修复区呈现多孔弹性行为，MACH-1揭示了由于修复组织变薄导致的结构刚度升高假象。

• 结论： 法向压痕与厚度Mapping的结合是评估再生组织功能的关键。

• 文献编号 3

• 文献中英文标题： Mapping Articular Cartilage Biomechanical Properties of Normal & Osteoarthritic Mice Using Indentation / 压痕Mapping正常与骨关节炎小鼠的关节软骨生物力学性质

• 作者/通讯作者： Lavoie J-F, Buschmann MD 等

• 期刊： ICRS World Congress 年份：2015 IF：会议演示

• 研究领域： 小动物模型、骨关节炎

• 研究目的 / 科学问题： 将压痕技术缩放至小鼠尺度。

• 实验方法： 使用0.175 mm压头，Fz=3.5 mN传感器进行全关节面制图。

• 核心结果： 成功绘制了小鼠胫骨平台和股骨髁的刚度分布，识别了OA早期改变。

• 结论： MACH-1成功实现了微尺度曲面样品的全自动Mapping。