一个被默认了半个世纪的前提，正在被审稿人追问

压痕测试的教科书前提是：样品表面平坦，压缩轴垂直于关节面。但关节软骨、半月板、椎间盘、角膜、皮肤——这些组织没有一个是平的。垂直下压在曲面上产生倾斜角与侧向分力，接触面积和压入深度的几何假设随之失效，模量数据带着系统性偏差。更棘手的是，软骨必须在溶液腔中测试以维持水合，腔体壁又限制了手动倾斜样品的空间。于是“把样品切平”或“假装它是平的”成了许多实验设计中不得不接受的妥协。

当审稿人追问“你的压痕数据是否来自平坦化处理后的样品”时，这个妥协就会变成方法学上的漏洞。而 Mach-1 的定位，正是从这个漏洞的根源切入。

产品定位：一台“不要求样品平坦”的力学表征平台，而非一台压痕仪

Mach-1? 是加拿大 Biomomentum 自 1999 年起持续迭代的模块化多轴力学测试平台，初为关节软骨生物力学开发，现已发展为覆盖生物组织、水凝胶、生物材料、软材料的多模式表征系统。它的核心定位不是“一台压痕仪”，而是一台让不规则曲面样品在不被切割、不被平坦化的前提下，直接进入力学测绘流程的平台。

这一区分至关重要。常规压痕仪的价值在于“测一个点的模量”；Mach-1 的价值在于在不破坏样品原生几何形态的条件下，对完整关节面、弧面、天然软组织表面完成域空间分辨的力学加载与响应测量。当研究目标从“这个材料有多硬”转向“这个组织的力学性质在空间上如何分布、如何随病理/修复/刺激而变化”时，前者回答不了，后者是方法学成立的前提。

3D法向压痕：绕开“平坦+垂直”前提的核心机制

Mach-1 v500css 的 3D法向压痕功能在传统压痕的垂直度问题上给出了一个工程上直接的解法：

系统在每个 XY 位置先探测表面局部高度和方向，然后驱动三个线性轴以不同速度联动，使球形压头沿着垂直于样品表面局部切平面的虚拟轴、按预设位移曲线压入。程由多轴载荷传感器同步记录载荷，软件结合表面角度对力分量进行修正。压头始终垂直于被测曲面，斜压带来的接触面积和深度几何误差从源头上被消除。

这一能力依赖 Mach-1 Motion 软件中的两个核心功能：Scan XY 在预设点阵上逐点定位，Normal Indentation 在每个点完成表面方向检测与法向压入。点阵可以直接从样品的俯视图像生成，一块完整关节面无需切割或手动调平，即可自动完成数百点位的连续压痕扫描，输出弹性模量三维分布、表面轮廓高度和厚度分布数据。

Biomomentum 官方对此的表述明确：Mach-1 是市场上一能在非平坦表面上执行 3D 法向压痕的设备。这一“一性”不是营销修辞，而是从传统压痕的两个失效前提——表面必须平坦、压缩轴必须垂直——同时被消解这一事实推导出来的。

典型用途及典型使用场景

典型用途： 以 3D 法向压痕映射为核心，延伸至 3D 厚度测绘、3D/2D 表面轮廓、压缩（无约束/受限）、拉伸、剪切、摩擦磨损、扭转、弯曲、穿刺、剥离，以及可选的力–电耦合测量。

典型使用场景：

• 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，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，并与组织学或影像学配准。

• 创伤后骨关节炎的早期力学检测。 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早期软骨退化，避免跨设备装样引入的误差。

• 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。

• 腱止点界面的区域梯度压痕。 以 1.0 mm 平面圆柱压头多点压痕，按距骨边缘距离划分止点区、过渡区和腱区，量化界面力学梯度。

• 培养箱内的力学刺激–培养–再测试。 整机可置入标准培养箱，在液体浸没式测试条件下完成力学刺激与终端表征的连续衔接。

• 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。

产品优势亮点（聚焦3D法向压痕核心定位）

（1）一性：市场上一能在非平坦表面执行3D法向压痕的设备。 不要求样品表面平坦，不要求压缩轴垂直于表面，从根源上消除斜压带来的几何误差，使完整关节面、角膜、半月板、肿瘤组织等不规则曲面直接进入域力学测绘流程。

（2）成熟性：27年商用史与持续迭代。 自 1999 年起持续商用，初为关节软骨力学开发，现已发展为模块化多轴平台，核心功能（3D 法向压痕、厚度映射、力–电耦合）经历持续的工程迭代与文献验证。

（3）平台化而非单一功能。 3D 法向压痕映射与压缩、拉伸、剪切、摩擦、扭转、弯曲、剥离集成于同一坐标系和同一软件生态，单次装样即可完成复合载荷路径，避免样品转移引入的水合/温度/位置漂移。

（4）超宽模量覆盖，跨尺度不换原理。 模量范围 3 Pa – 670 GPa，从脑组织、超软水凝胶到皮质骨、骨水泥，同一原理完成表征。

（5）生理环境模拟。 液体浸没测试 + 整机可置入标准培养箱，在逼近在体的条件下完成压痕映射与力学刺激。

（6）红宝石压头与低使用成本。 坚固不易断，适合在完整天然关节面上进行长时间、多点位自动化扫描。

产品核心参数（节选）

典型应用文献目录（高分/高影响力 → 年份倒序）

高影响力 / 方法学基准文献

• Sim S, et al. Indentation Method to Map Mechanical Properties of Articular Surface to Identify Degenerated Regions. —— 自动化 3D 法向压痕映射识别关节面退变区域的方法学基准。

• Sim S, et al. Evaluation of Entire Ovine Cartilage Repair Articular Surfaces: Mechanical and Electromechanical Assessment. ICRS. —— 3D 压痕映射（Mach-1 v500css）+ 力–电测量联合评价羊软骨修复面。

• Lavoie JF, et al. Mapping Articular Cartilage Biomechanical Properties of Normal & Osteoarthritic Mice Using Indentation. —— 3D 法向压痕向下缩放至小鼠膝关节（球压头半径 0.175 mm），绘制正常与 OA 模型的空间刚度分布。

近三年典型文献（2023–2025）

案例摘要

案例：3D法向压痕在非平坦小鼠关节面上的方法学验证。 在正常与 STR/ort OA 小鼠膝关节上，使用球压头半径 0.175 mm、PBS 浸没条件，通过 Scan XY 定位点阵与 Normal Indentation 逐点法向压入，在毫米级关节面上完成自动化压痕扫描，生成结构刚度的空间分布并识别 OA 相关区域。该工作直接证明：Mach-1 的 3D 法向压痕能力在样品不平坦、样品尺寸小、且在液体环境中测试的条件下仍然成立——而这正是传统压痕方法在“平坦+垂直”前提下无法覆盖的场景。

世联博研（北京）科技有限公司为 Biomomentum Mach-1 系列产品的中国代理服务商