Biomomentum MACH-1 如何破解生物软组织与曲面材料的力学测试难题

在生物材料、组织工程与医疗器械研发中，力学测试往往是绕不开的关键环节。然而，传统力学试验机在面对“极软、含水、表面不规则”的样品时，常常陷入“夹不住、测不准、压不平”的困境。加拿大 Biomomentum 公司研发的 MACH-1 多功能微观力学测试系统，正是为解决这类痛点而设计的模块化平台。自 1999 年商业化以来，它已从软骨力学测试的专用工具，演化为覆盖多轴向、多尺度、多材料的综合性表征系统。

核心定位：一台设备集成多种力学模式

MACH-1 的设计理念不是“把一台万能试验机做大”，而是通过模块化架构将多种测试模式集成到同一平台上。其覆盖的力学类型包括：

• 压缩/拉伸/剪切：常规单轴与双轴测试；

• 扭转/摩擦/磨损：适用于关节材料、牙科材料、隐形眼镜等；

• 3D 压痕映射：可在不规则曲面上直接进行法向压痕，无需切割或找平样品；

• 力-电耦合测试：压缩或拉伸过程中同步采集流动电位、阻抗等电学信号；

• 高通量压痕：48 孔板自动压痕，描绘模量热图；

• 弯曲/穿刺/撕裂/剥离/爆破/膨胀收缩等多种衍生测试。

这一集成度的直接价值在于：同一台设备可以完成从样品制备到多模态力学表征的完整流程，减少了在不同仪器间转移样品带来的误差和效率损失。

典型使用场景：从软骨到水凝胶，从组织到器械

1. 生物组织力学表征

这是 MACH-1 文献积累最深厚的方向。系统可用于关节软骨的自动压痕 mapping、瞬时/平衡模量、厚度 mapping、剪切与摩擦磨损测试；椎间盘、半月板、韧带肌腱的多轴耦合测试；脑组织等极软组织的压缩行为；眼角膜、皮肤的超软组织压痕与粘弹性表征；以及骨组织从松质骨到皮质骨的压痕与弯曲测试。其位移分辨率为 0.1 μm，最低力分辨率达 0.005 mN，使其在极软组织上仍能获得可靠信号。

2. 生物材料与组织工程支架

水凝胶、3D 打印支架、藻酸盐微球等软材料的压缩、压痕、溶胀动力学测试是 MACH-1 的典型应用。对于电活性生物材料（如带电水凝胶、结缔组织），系统可同步测量力学变形与电荷迁移，为力-电耦合研究提供一体化方案。可降解植入物在体外降解过程中的力学性能追踪也可在同一平台上完成。

3. 医疗器械与植入物临床前评价

人工关节材料（UHMWPE、CoCrMo、陶瓷等）的摩擦磨损、静/动摩擦系数表征；牙齿修复材料、隐形眼镜在小尺寸、曲面、潮湿环境下的摩擦与力学测试；软骨修复产品按监管推荐思路进行压痕力学 mapping——这些场景对样品表面适应性和环境控制的要求较高，正是 MACH-1 非平面压痕和培养箱兼容能力的用武之地。

4. 药品与食品科学

药片溶胀动力学测试可同步监测压缩与厚度变化；食品质构从软凝胶到较硬食品的压缩、穿刺、弯曲测试也可覆盖。系统的模量覆盖范围从 3 Pa 到 670 GPa，使其在不同软硬程度的样品间具有较宽的适应性。

5. 高通量筛选与生理环境模拟

48 孔板自动压痕功能可对孔板内样品逐点测试并生成模量热图，适合水凝胶、细胞聚集体等大批量样品的力学筛选。整机可放入标准培养箱（37°C），支持浸液测试（PBS、滑液等），使力学表征更接近生理条件。

解决的核心痛点

综合来看，MACH-1 在以下三类场景中具有传统设备难以替代的价值：

1. 样品极软（如脑组织、水凝胶，模量在 kPa 甚至 Pa 级）：低至 0.005 mN 的力分辨率和 0.1 μm 的位移分辨率保证信号可靠；

2. 样品表面不规则（如关节软骨、牙齿、隐形眼镜）：3D 法向压痕允许压缩轴不垂直于样品表面，无需切割或包埋；

3. 需要力-电同步测量（如软骨流动电位、带电水凝胶）：力-电耦合测试腔可在压缩/拉伸过程中同步采集电学信号。