多功能原位成像技术：用于在负载条件下对生物材料进行成像分析的基于同步辐射的平台，可支持大规模的图像引导失效分析

《Materials Advances》：Multifunctional in situ imaging of biological materials under load: A synchrotron-based platform for large-scale image-guided failure analysis

生物材料多尺度损伤机制研究：提出一种集成同步辐射微CT（SR-μCT）的多功能在位测试系统，支持压缩、拉伸、扭转三种力学模式，结合AI驱动的图像分析和有限元建模，实现生物材料微结构损伤演化的实时追踪与多尺度关联。通过松质骨压缩、真菌-PET复合张力、脊椎骨扭转三个案例，验证了系统在损伤定位（如骨小梁塌陷、界面剥离）、微结构参数提取（骨体积分数BV/TV、裂纹偏转机制）及力学性能预测（弹性模量、屈服强度）中的有效性，为生物材料力学设计提供新工具。

　　生物材料在多个尺度上通过分层结构实现了卓越的机械性能，但其损伤机制仍存在许多未知。高分辨率成像技术，特别是基于同步辐射的微计算机断层扫描（SR-μCT），能够实现非破坏性的三维可视化，但缺乏集成的原位机械测试系统，限制了在加载条件下实时捕捉损伤演化的可能性。为了解决这一问题，本研究提出了一种新型的多功能原位测试系统，专门用于通过SR-μCT进行生物材料的图像引导失效分析（Image-Guided Failure Assessment, IGFA）。该系统支持微压、微拉和微扭测试，并且能够在位移或旋转角度控制下进行操作。该系统的自动化、几何适应性和与多种生物样本的兼容性显著提高了实验的精度和效率。通过三个案例研究，展示了该系统的性能：基于压缩的IGFA用于人类股骨头的松质骨，基于拉伸的IGFA用于覆有菌丝体的纤维，基于扭转的IGFA用于椎骨。这些案例研究揭示了该系统在多种机械测试条件下的适用性。

为了深入分析微观结构与机械性能之间的复杂相互作用，本研究提出了一个由人工智能（AI）驱动的计算框架，并将其整合到本研究中，为解码微观结构对损伤机制的贡献提供了新的途径。这种高分辨率成像、原位测试和AI驱动分析的结合，为生物材料行为的理解提供了强大的工具，对生物材料设计、组织工程和骨科研究具有广泛的应用前景。

在本研究中，提出了一种多功能原位测试系统和电子控制系统，旨在通过SR-μCT进行图像引导失效分析。该系统在意大利特雷蒂斯的ELETTRA同步辐射装置的SYRMEP光束线上安装，能够在同步辐射成像条件下进行原位机械测试。通过结合时间演化和高精度的三维X射线微CT扫描，该系统能够实现对生物材料在不同加载模式下的微观结构行为的捕捉。此外，该系统支持多种机械测试，包括压缩、拉伸和扭转，并且能够进行位移或旋转角度控制，这为理解复杂生物系统的机械响应提供了更全面的视角。

本研究的三个案例研究展示了该系统的有效性：压缩测试用于人类股骨头的松质骨，拉伸测试用于PET基底上的菌丝体复合材料，扭转测试用于椎骨。通过这些案例研究，验证了系统的多功能性和对不同生物材料的适用性。同时，这些研究还揭示了该系统在不同加载条件下对材料微观结构变化的捕捉能力，以及如何通过图像处理和AI驱动分析来量化这些变化。

此外，该系统的设计和实现展示了其在生物材料研究中的创新性。系统采用3D打印的定制端帽，使样品能够嵌入其中并保持在测试设备内。该系统支持多种机械测试，仅需更换部分组件即可适应不同的测试设置。该设计解决方案使系统具备自动化、准确性和多功能性，适用于多种生物材料，并能够进行不同的机械测试。

在图像处理方面，本研究采用了一种统一的AI增强图像分析流程，能够高效提取生物材料的形态和密度参数。这一流程适用于多种生物材料和生物复合材料，并且能够处理在SYRMEP光束线上的高分辨率同步辐射成像数据。通过结合实验数据和数值模拟，系统能够预测材料的内部应力和应变场，从而揭示其失效机制。这种多尺度、多模式和多功能的综合方法为理解复杂生物材料和生物复合材料的失效机制提供了新的途径。

在结果分析方面，该系统展示了其在生物材料研究中的应用潜力。通过实验和数值模拟的结合，系统能够捕捉到微观结构的变化，如裂纹的形成和传播，以及材料内部的应力集中。这些数据不仅有助于理解材料的机械性能，还能够揭示其在不同加载条件下的失效机制。此外，该系统还展示了其在生物材料研究中的多功能性，能够适应不同形状和尺寸的样品，并且能够进行多种机械测试。

总的来说，本研究提出的多功能原位测试系统和电子控制系统为生物材料的图像引导失效分析提供了新的方法。该系统结合了高分辨率成像、原位测试和AI驱动分析，能够实时捕捉生物材料的微观结构变化，并揭示其在不同加载条件下的失效机制。这些研究结果不仅有助于理解生物材料的机械性能，还能够为生物材料设计、组织工程和骨科研究提供重要的理论基础和技术支持。