双四杆剪切装置：一种用于膜材料简单剪切力学分析的新型实验方法及其生物力学意义

针对生物膜材料简单剪切(simple shear)实验边界条件测量不全的难题，研究人员开发了"双四杆剪切"装置，通过16例硅胶膜和8例大鼠背部皮肤样本验证，首次实现剪切应变下所有边界载荷(包括力矩)的精确测量，为组织工程中膜材料的本构建模提供了关键实验手段。

　　

在生物组织工程领域，细胞作为力学信号转导器(mechanotransducers)的特性已被广泛认知，但准确描述组织力学行为仍面临重大挑战。传统单轴拉伸测试无法捕捉生物组织固有的粘弹性(viscoelastic)、各向异性(anisotropic)和非均匀性(inhomogenous)特征，而Fung模型等经典理论虽能拟合实验数据，却存在参数过度约束问题——无限多参数组合可描述相同物理行为，这对需要明确力学靶标的组织工程设计形成障碍。

针对这一困境，研究人员开发了基于QR分解的新型本构模型(constitutive model)，将二维变形分解为具有明确物理意义的三种模式：扩张(dilation)、挤压(extrusion)和简单剪切(simple shear)。前两者可通过标准双轴测试获得，但简单剪切实验长期存在边界条件测量不全的缺陷。特别值得注意的是，由于生物组织的体积模量(bulk modulus)比剪切模量(shear modulus)高出多个数量级，传统纯剪切实验难以准确分离剪切响应。

为突破这一技术瓶颈，研究团队研制了创新的"双四杆剪切"装置，其核心设计包含三组夹具——中间薄型夹具和两个横向夹具，通过四杆联动机构实现大剪切应变下的直线运动。该装置首次实现了剪切过程中材料对夹具作用力(f_y1, f_y2)和力矩的同步测量，能完整构建Kirchoff应力张量[s] = [s₁₁ T_x 0; T_x T_y 0; 0 0 0]，其中T_x=f_x/wd，T_y=(f_y1+f_y2)/wd。

关键技术包括：1）采用数字图像相关技术(Digital Image Correlation, DIC)分析应变分布；2）16个硅胶膜和8个大鼠背部皮肤样本的对比实验；3）基于开源软件Ncorr的定制化位移梯度分析。

【Device design】
创新性地采用三组夹具配合四杆联动机构，满足三大设计要求：实现大剪切应变（目标1）、完整测量f_x, f_y1, f_y2载荷（目标2）、确保直线剪切并最小化其他变形模式干扰（目标3）。

【Results】
DIC分析显示硅胶膜的应变分布高度均匀（图7），应变分量呈窄分布。剪切应变增加时，材料作用于夹具的力矩呈现规律性增长，硅胶表现高度可重复的线性应力-应变关系，而大鼠皮肤则显示典型的J型曲线非线性响应。

【Discussion】
该装置成功实现了：1）硅胶膜变形的良好一致性；2）首次测得剪切过程中的边界力矩；3）揭示生物组织与工程材料的力学响应差异。对于厚度不均的皮肤样本，装置仍能保持主要剪切模式，但应变均匀性略逊于硅胶。

【Conclusion】
这项发表于《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》的研究，通过原创的双四杆剪切装置解决了膜材料简单剪切实验的测量瓶颈，为基于QR分解的本构模型提供了关键实验支持。特别重要的是，该方法首次实现了剪切边界力矩的定量测量，填补了组织工程力学表征的技术空白，对设计具有精确生理特性的组织替代物具有重要指导价值。