背景:生物力学是医学科学研究的重要途径之一,在对生物组织进行力学分析的过程中,应力不均和材料损伤是普通软组织夹持固定方法一直以来无法回避的难题。为了克服这一难题,20世纪80年代冷冻夹持技术被首次运用到生物力学领域,其独特的夹持固定方式明显降低了应力不均和材料损伤发生的可能性。但是,由于冷冻夹持技术具有较高技术含量仅被应用于航空航天、精密仪器和国防等高端产业,推广应用比较困难,相关技术细节也很少公开报道。目前有少数发达国家生产制造用于软组织材料测试的冷冻夹具,但其用途有限且价格昂贵。人体膝关节交叉韧带纤维束的生物力学性能测试中,韧带游离端的夹持固定一直是阻碍研究进展的技术瓶颈。目的:针对现有生物软组织冷冻夹具功能上存在的不足,以及因技术含量较高和售价昂贵导致该类设备推广应用困难的现状。研制一种造价低廉,能在空气和水浴两种环境下稳固夹持肌腱和韧带纤维束的新型软组织冷冻夹具。同时为人膝关节交叉韧带纤维束生物力学的进一步研究创造条件。方法:1.冷冻夹具的设计与制造:对金属铜管进行结构创新,将管状蒸发器改造为具有冷冻夹持功能的软组织夹头;在夹头上设计防水保温绝热套使之能够在水浴环境中保持稳定的冷冻夹持功能;用制冷剂输入、输出管将制冷剂压缩机与夹头蒸发器连接,保持夹具内制冷剂循环流动,使其具备持续制冷功能;用透明塑料桶、发热管及温度自动控制器制作与夹具相匹配的能够模拟生理环境的恒温盐水浴缸;设计制作冷冻夹具与成品材料试验机相组装的连接配件;冷冻夹具、恒温水浴缸与材料试验机组装。2.冷冻夹具在水浴条件下的性能测试:通过制冷速度、制冷维持时间、夹持的稳定性、夹持力大小等指标对其制冷效能和夹持的稳定性进行初步评价。3.冷冻夹具在动物组织上的应用:应用该夹具对鸡屈趾肌腱和猪膝关节韧带纤维束在37℃盐水浴条件下进行单轴反复拉伸测试,进一步检测夹具的可靠性;另外根据实验数据导出试件的应力应变方程,并对方程有效性进行评价。结果:1.夹具制冷效能评价,夹具在启动制冷后的5～10 min内其内部温度从室温10℃降到-20℃以下,其降温速度为3+1℃/min。并在整个加载卸载的120 min过程中持续保持在-20+1℃。2.夹具夹持稳定性评价,对直径3 mm柔软尼龙丝线进行20次加载卸载实验,除首次加载过程中丝线在夹具内有细微滑动外其余19次无滑动或滑脱发生。3.夹具夹持力评价,该冷冻夹头能够牢固夹持直径3 mm的尼龙丝线,在20次的反复加载卸载过程中每次力值均接近或超过50 kg传感器的上限,最大夹持力达到499.14 +1.05 N。4.应用该夹具分别对鸡屈趾肌腱和猪膝关节外侧副韧带纤维束进行模拟生理条件下10次反复加载卸载,试件无1次滑脱或断裂发生;所导出的猪膝韧带试件的应力应变方程有效。结论:这种对管状蒸发器进行结构性创新,并增加了制冷剂循环设备和夹头防水绝热设计的生物软组织冷冻夹具能稳固夹持直径0.5～3.0 mm之间的软组织材料,其最大夹持力在500 N以上;该夹具系统能够在空气和水浴两种条件下工作,弥补了现有冷冻夹具不能在水浴环境下工作的不足,且造价低廉;能够满足在模拟生理环境下对肌腱和韧带纤维束等软组织材料进行单轴拉伸测试的实验要求,为人膝关节交叉韧带纤维束生物力学的进一步研究创造了条件。