典型用途及典型使用场景
Mach-1™是一款小型通用力学测试系统，适用于尺寸介于数十微米到数厘米之间的样品。典型应用涵盖生物组织、聚合物、凝胶、生物材料、胶囊、粘合剂及食品的机械刺激与表征，可测量刚度、强度、模量、粘弹性、塑性、硬度、粘附、溶胀及松弛等性质。其最不可替代的能力，是在不要求样品表面平坦、不要求压缩轴垂直于表面的前提下，对不规则曲面完成自动化3D法向压痕映射。
典型用途：
不规则曲面3D法向压痕与厚度映射：系统在每个XY位置探测表面高度和法向量，驱动三轴联动使压头沿局部法线压入，在完整关节软骨、半月板、椎间盘、角膜等天然曲面上完成自动化压痕，同步获取刚度、模量、厚度及表面轮廓信息。
多模式复合载荷集成：模块化集成压缩（无约束/受限）、拉伸、剪切、摩擦磨损、扭转、三点/四点弯曲、穿刺、剥离等模式，单次装样即可完成复合载荷路径。
超软至超硬材料的跨尺度表征：模量覆盖3 Pa – 670 GPa，从脑组织、超软水凝胶到皮质骨、骨水泥，同一原理完成测试。
生理环境下的力学刺激与表征：整机可置入标准培养箱（干燥模式，最高37°C），在无菌条件下使用专用测试腔进行力学刺激与测试，支持液体浸没式测试。
力–电耦合表征：可选配机电测试腔，在力学加载的同时同步采集流动电位或压电电位。
典型使用场景：
场景A：完整关节面的力学云图。 羊股骨髁或大鼠胫骨平台置于液体浸没池中，通过Scan XY定位点阵，Normal Indentation逐点法向压入，生成瞬时弹性模量与软骨厚度的空间分布图。
场景B：创伤后骨关节炎的早期力学检测。 在同一平台先以受控载荷诱导ACL非侵入性断裂，伤后以3D压痕和厚度映射表征股骨髁与胫骨平台的早期软骨退化。
场景C：水凝胶与3D打印构建物的低力量程压缩。 微力传感器（力分辨率0.025 mN）在液体环境中完成无约束压缩与应力松弛，减少脱水伪影。
场景D：腱止点界面的区域梯度压痕。 以1.0 mm平面圆柱压头对跟腱–止点标本进行多点压痕，量化界面力学梯度。
场景E：培养箱内的力学刺激–培养–再测试闭环。 整机可置入标准培养箱，在液体浸没式条件下完成数天的力学刺激，结束后无需取出样品即可切换至表征模式。
场景F：软骨与骨组织的力–电耦合检测。 在压痕或压缩的同时采集流动电位，用于早期退变评价或带电材料功能成熟度判断。
已支持发表的研究方向概览
Mach-1自1999年商用以来，其模块化设计和多模式能力使其应用边界从最初的关节软骨测试持续外溢，已在以下研究方向形成可检索的文献积累。
1. 关节软骨力学与骨关节炎早期检测。 以3D法向压痕映射为核心，在完整关节面上生成力学性质的空间分布图，识别早期退变区域；结合力–电耦合指标（流动电位），捕捉先于刚度变化的电生理信号衰减。这是Mach-1文献体量最厚、方法学基准最密集的方向。
2. 软骨修复与组织工程评价。 在动物模型（羊、兔、小鼠）中评价软骨修复组织的力学成熟度，包括修复区与宿主软骨的界面整合强度、修复组织刚度与厚度的空间分布，以及力学—电学联合评价。该方向直接回应FDA对软骨修复产品力学测试的建议。
3. 骨、骨软骨界面与骨植入物。 包括皮质骨弯曲测试、骨组织工程支架的压缩筛选、骨软骨界面的剪切/压痕梯度表征，以及骨水泥、小型植入物的力学评价。
4. 椎间盘与纤维软骨。 对纤维环与髓核进行区域特异性压缩、应力松弛及交联效果评价，量化椎间盘内部力学性质的空间异质性。
5. 肌腱/韧带–骨界面（腱止点）。 在大鼠肩袖修复等模型中，对新生腱止点界面进行拉伸/断裂测试和区域梯度压痕，判断界面再生质量。
6. 半月板与纤维软骨。 对半月板进行力学 mapping（瞬时模量、厚度），结合力–电测量评价修复材料的功能成熟度。
7. 水凝胶、3D打印/生物打印软材料。 低力量程压缩与应力松弛，用于超软水凝胶、低温3D打印构建物（脑组织/肺组织模拟物）、生物墨水及药物递送载体的力学表征。
8. 皮肤愈合与瘢痕力学。 以压痕 mapping 替代传统单轴拉伸断裂测试，对皮肤愈合组织进行非破坏性、空间分辨的力学评价，减少对样品的破坏。
9. 角膜与眼组织。 对角膜等极软组织进行局部刚度/硬度压痕表征，用于眼生物力学研究。
10. 脑、肺等超软组织。 对脑组织、肺组织模拟物进行低力量程压缩，验证合成材料与天然超软组织的力学匹配度。
11. 心血管软组织与血管构建物。 对血管、心脏瓣膜、心包膜等薄膜状样品进行双轴拉伸或平面剪切测试，模拟生理载荷下的各向异性行为。
12. 力–电活性生物材料与带电水凝胶。 在力学加载过程中同步采集流动电位/压电电位，研究软骨、骨、带电水凝胶的力–电转导机制，或评估组织工程构建物的功能成熟度。
13. 非生物软材料（延伸应用）。 胶囊、粘合剂、食品等软材料的力学表征，体现平台从生物组织向通用软材料测试的外溢能力。
产品优势亮点
30年+发展历史，历经市场与文献长期考验。 自1999年起持续商用与迭代，最初为关节软骨生物力学开发，现已发展为跨组织、跨材料的模块化多轴平台。
1000+篇文献与期刊广度，审稿人认知惯性。 覆盖 Acta Biomaterialia、Osteoarthritis and Cartilage、Nature Communications、Journal of Orthopaedic Research 等顶刊。方法学部分出现“Mach-1 v500css”或“automated indentation mapping”时，审稿人对其测试协议的可重复性具有认知基础。
国际认可度与同行影响力。 全球顶尖科研机构采用该平台开展研究，在需要与既有文献进行力学参数对照的研究中构成可信度信号。
国内985/双一流高校用户基础与采购实证。 同济大学、青岛大学、上海交通大学等高校已有成功使用记录；福建中医药大学骨伤学院于2025年通过公开招标采购MACH-1 V500CSST，中标金额252.85万元。
GLP/GMP合规与质量体系。 通过ISO 13485:2016医疗器械认证，符合FDA 21 CFR Part 820等法规要求。
核心模块进口性能 + 外围配件国产化适配。 力传感器、多轴位移台、控制器及软件为加拿大原厂制造；模块化架构为样品夹具、专用测试腔、液体浸没池等外围配件留出本地定制空间。
典型应用文献目录
高影响力 / 方法学基准文献
Sim S, et al. Development of an Electromechanical Grade to Assess Human Knee Articular Cartilage Quality. Annals of Biomedical Engineering, 2017. —— 将Mach-1压痕映射与力–电测量结合，提出“机电等级”量化软骨质量。
Sim S, et al. Electromechanical probe and automated indentation maps are sensitive techniques in assessing early degenerated human articular cartilage. Journal of Orthopaedic Research, 2017. —— 证明机电探针与自动压痕 mapping 对早期软骨退变的敏感性。
Hadjab I, et al. Electromechanical properties of human osteoarthritic and asymptomatic articular cartilage are sensitive and early detectors of degeneration. Osteoarthritis and Cartilage, 2018. —— 力–电性质作为早期退变检测指标的敏感性验证。
Mammoto A, et al. Control of lung vascular permeability and endotoxin-induced pulmonary oedema by changes in extracellular matrix mechanics. Nature Communications, 2013. —— Mach-1用于基质力学表征，属于能力外溢到非骨科领域的代表性工作。
Osorio DA, et al. Cross-linked cellulose nanocrystal aerogels for bone repair. Acta Biomaterialia, 2019. —— Mach-1压缩模式评价骨组织工程支架的基准文献。
近三年典型文献（2023–2025）
2025：福建中医药大学骨伤学院MACH-1 V500CSST采购（中标金额252.85万元）。
2024：Achilles tendon–enthesis indentation（PMC Figure），1.0 mm平面圆柱压头多点压痕。
2023：Doan J, et al. Effects On Articular Cartilage Mechanical Properties Following A Non-Invasive Anterior Cruciate Ligament Rupture In Rat Model. Osteoarthritis and Cartilage（OARSI 2023）。
案例摘要
案例一：小鼠全关节面的3D压痕映射方法学验证。 使用Mach-1 v500css，配备直径0.35 mm球形压头、多轴载荷传感器，在PBS浸没条件下对小鼠股骨髁和胫骨平台进行全表面自动化压痕 mapping。该工作证明3D压痕 mapping 可应用于与小鼠关节面同等薄、同等曲率的样品。
案例二：力–电耦合检测软骨早期退变。 牛软骨盘在IL-1处理11天后GAG损失达75%、动态刚度降至约1/3，但流动电位的边缘梯度在培养仅1天后即减弱一半。力–电指标在该模型中表现出比单一刚度更早的敏感性。
案例三：羊软骨修复面的力学–电学全域映射。 对处理羊与对照羊的股骨远端进行约40点位/图的3D压痕映射（Mach-1 v500css，球压头d=1 mm），同步采集流动电位。修复区结构刚度升高而电学参数降低，部分变化可归因于修复软骨厚度低于正常软骨。
| 参数项 | 指标 |
|---|---|
| 模量测量范围 | 3 Pa – 670 GPa |
| 样品尺寸范围 | 数十微米 – 数厘米 |
| 位移分辨率 | 0.1 μm |
| 力分辨率 | 0.025 mN |
| 可互换载荷传感器 | 单轴：±0.5 N、±1.5 N、±10 N、±100 N、±250 N；多轴可同时测量Fx、Fy、Fz、Tx、Ty、Tz |
| 数据采集频率 | 10 – 2500 Hz |
| Z轴行程 | 50 – 250 mm 可选；X轴250 mm，Y轴50 mm；最大速度50 mm/s（100 mm/s可选） |
| 测试模式 | 3D法向压痕映射、3D厚度映射、3D/2D轮廓、压缩（无约束/受限）、拉伸、剪切、摩擦磨损、扭转、弯曲、穿刺、剥离、力–电耦合 |
| 环境能力 | 可置于标准培养箱内运行；液体浸没式测试 |
| 通量适配 | 48孔板高通量自动压痕 |
沪公网安备31011702892430号