氣管軟骨應(yīng)力松弛的實(shí)驗(yàn)研究

氣管軟骨應(yīng)力松弛的實(shí)驗(yàn)研究氣管軟骨應(yīng)力松弛的實(shí)驗(yàn)研究【本文關(guān)鍵詞語(yǔ)】氣管軟骨;應(yīng)力松弛;粘彈性;力學(xué)特性【內(nèi)容摘要】以應(yīng)力松弛的試驗(yàn)方法研究氣管軟骨的應(yīng)力松弛特性，為臨床提供氣管軟骨的應(yīng)力松弛特性參數(shù)。在日本島津電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)10個(gè)軟骨進(jìn)行應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)，應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度為50%/min，實(shí)驗(yàn)溫度為(36.5±0.65)℃，設(shè)定實(shí)驗(yàn)時(shí)間7200s，收集100個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以一元線性回歸分析的方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表示清楚：氣管軟骨7200s應(yīng)力松弛量為0.316mpa，7200s時(shí)應(yīng)力松弛曲線基本到達(dá)平衡。氣管軟骨應(yīng)力松弛曲線是以對(duì)數(shù)關(guān)系變化的，氣管軟骨為非線性粘彈性材料?！颈疚年P(guān)鍵詞語(yǔ)】氣管軟骨;應(yīng)力松弛;粘彈性;力學(xué)特性theexperimentalstudyoftrachealcartilagestressrelaxationsunchangjiang1，fengtiejian2，lu¨yaping3，mahongshun4(-japanfriendshiphospital,jilinuniversity，changchun130031，china;gcampushospitalofjilinuniversity，changchun130022;petroleuminstitutemechanicalscienceandengineeringcollege，provincedaqing163308，china;tstrengthdepartmentsofnanlingschool,jilinuniversitychangchun130022)abstract：toresearchthetrachealcartilagestressrelaxationcharacteristicandprovidethetrachealcartilagestressrelaxationcharacteristicparameterfortheclinical.10cartilagesweretakenontheelectronicuniversaltestingmachinetocarryonthestressrelaxationincreasingspeedofthestressrelaxationexperimentstrainwas50%/mentaltemperaturewas(36.5±0.65)℃，theexperimentaltimewassetat7200100empiricaldataweregatheredandprocessedbythemethodofunarylinearregressiontrachealcartilage7200sstressrelaxationquantitywas0.316mpa，the7200sstressrelaxationcurveachievedthebalancetrachealcartilagestressrelaxationcurveischangedbythelogarithmrelations，thetrachealcartilageisthenon-linearviscoelasticmaterial.keywords：trachealcartilage;stressrelaxation;viscoelastic;mechanicscharacteristic1引言國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣管損傷氣道功能重建，對(duì)人工氣管的基礎(chǔ)研究和臨床理論做了一定的研究，但對(duì)氣管軟骨的生物力學(xué)研究報(bào)道較少。前田富興等[1]對(duì)人工氣管的抗變形能力進(jìn)行了研究。toomesh等[2]以人工氣管氣道再建進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究。劉德若等[3]對(duì)人工氣管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。徐艷等[4]研究了紡織構(gòu)造復(fù)合材料人工氣管。關(guān)于氣管軟骨的生物力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)國(guó)內(nèi)、外學(xué)者們也進(jìn)行了一定的研究，鄧衛(wèi)軍等[5]對(duì)成年離體豬氣管進(jìn)行了生物力學(xué)的特性實(shí)驗(yàn)。王憶勤[6]等對(duì)大鼠氣管的零應(yīng)力狀況進(jìn)行了研究。楊林等[7]對(duì)旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器用于提升組織工程氣管軟骨力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行了研究。以往對(duì)氣管軟骨力學(xué)特性研究多以動(dòng)物氣管軟骨和一維拉伸實(shí)驗(yàn)居多[5-7]，對(duì)人氣管軟骨應(yīng)力松弛粘彈性力學(xué)特性研究較少。生物材料的粘彈性重要以應(yīng)力松弛蠕變?yōu)楸憩F(xiàn)形式，應(yīng)力松弛是軟組織在恒應(yīng)變作用下，對(duì)載荷松弛適應(yīng)性的反應(yīng)，固然機(jī)制尚不清楚，但氣管軟骨的應(yīng)力松弛力學(xué)特性對(duì)于認(rèn)識(shí)吻合口張力，確定氣管損傷后的張力臨界點(diǎn)具有主要意義。氣管由于炎癥、腫瘤、損傷等疾患需要進(jìn)行氣道再建，現(xiàn)代呼吸道(氣道)外科手術(shù)對(duì)氣管病變不跨越1/2水平，可切除病變部位氣管后直接縫合吻接,修復(fù)和重建氣管的功能。當(dāng)氣管切除跨越其直接的吻合長(zhǎng)度,則需要置換人工氣管。鑒于臨床實(shí)際需要，我們對(duì)正常國(guó)人尸體氣管軟骨進(jìn)行了應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)，得出了氣管軟骨7200s應(yīng)力松弛量，得出了應(yīng)力松弛曲線和歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)曲線。以一元線性回歸分析的方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了應(yīng)力松弛函數(shù)方程。2材料與方法2.1材料實(shí)驗(yàn)標(biāo)本正常國(guó)人新鮮尸體氣管標(biāo)本2個(gè)，均為男性，25歲尸體1具，30歲尸體一具。由白求恩醫(yī)科大學(xué)解剖教研室提供。將氣管標(biāo)本生理鹽水浸泡的紗布包裹，裝入塑料袋中密封后置于-20℃冰箱內(nèi)保存。實(shí)驗(yàn)前取出標(biāo)本在常溫下解凍后，以手術(shù)刀切取軟骨環(huán)試樣10個(gè)。2.2試驗(yàn)裝配日本島津ag-10ta自動(dòng)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，該機(jī)具有自動(dòng)控制應(yīng)力、應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度和使應(yīng)力或應(yīng)變堅(jiān)持恒定的功能。載荷通過(guò)載荷傳感器傳遞，載荷傳感器最大量程100n，使用量程10n。2.3應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)方法首先測(cè)量式樣的原始尺寸。在軟組織測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量試樣的原始尺寸非常關(guān)鍵。作者采取國(guó)內(nèi)外均認(rèn)可的準(zhǔn)長(zhǎng)度理論，即在每一給定條件下式樣的長(zhǎng)度等尺寸。將試樣裝夾在軟組織實(shí)驗(yàn)夾具上，給予滿量程1%的初載做為準(zhǔn)長(zhǎng)度的基礎(chǔ)。利用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量其長(zhǎng)度、寬度和厚度，試樣的長(zhǎng)度為25mm，寬度為5mm，厚度為1.8～2.2mm，韌帶和其他軟組織一樣，其彈性重要來(lái)自熵的改變。因此不存在唯一的天然狀況，所以首先對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)調(diào)處理，即在同一應(yīng)力水平下加載-卸載20次。對(duì)每個(gè)試樣分別預(yù)調(diào)處理后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將經(jīng)過(guò)預(yù)調(diào)的10個(gè)試樣分別裝夾到軟組織專用夾具上，夾具與有機(jī)玻璃缸連接，玻璃鋼內(nèi)裝ph值為7.4的生理鹽水，試樣置于生理鹽水中，裝有試樣的夾具與實(shí)驗(yàn)機(jī)上、下頭連接。試驗(yàn)機(jī)帶有-35℃～250℃環(huán)境溫箱?？勺詣?dòng)調(diào)節(jié)溫度并堅(jiān)持恒溫。本實(shí)驗(yàn)?zāi)７抡Ｈ梭w溫，在(36.5±5)℃的溫度場(chǎng)下進(jìn)行。預(yù)先設(shè)定好程序，記錄方式為x-t，其中x軸為應(yīng)力，t軸為時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)以50%/min的速度對(duì)試樣施加載拉應(yīng)變，當(dāng)應(yīng)變到達(dá)9.28%，應(yīng)力到達(dá)1.207mpa時(shí)堅(jiān)持恒定，應(yīng)力隨時(shí)間的改變不斷下降。計(jì)算機(jī)程序設(shè)定從時(shí)間t0開(kāi)始收集數(shù)據(jù)，每10s收集一個(gè)數(shù)據(jù)40次，之后每136s收集一個(gè)數(shù)據(jù)，收集50次，共收集90個(gè)數(shù)據(jù)，歷時(shí)7200s到達(dá)設(shè)定時(shí)間后，計(jì)算機(jī)自動(dòng)輸出實(shí)驗(yàn)曲線和數(shù)據(jù)。3結(jié)果3.1應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)數(shù)據(jù)10個(gè)氣管軟骨試樣應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析后結(jié)果見(jiàn)表1。10個(gè)氣管軟骨試樣歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。表1應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(x±s)表2歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)數(shù)據(jù)3.2應(yīng)力松弛曲線對(duì)每組10個(gè)應(yīng)力松弛試樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合應(yīng)力松弛曲線見(jiàn)圖1。對(duì)每組10個(gè)試樣歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)數(shù)據(jù)擬合曲線見(jiàn)圖2。圖1應(yīng)力松弛曲線fig1thestressrelaxationcurve圖2歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)曲線fig2normalizedstressrelaxationfunctioncurve3.3歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)方程的計(jì)算歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)方程的建立：以一元線性回歸方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，松弛曲線是以對(duì)數(shù)關(guān)系變化的，因而設(shè)g(t)=1clnt+dt=0t0(1)令φ(a,d)=∑nt=1[g(t)-g(實(shí))]2則φc=0φd=0c∑11i=1ln2t+d∑11i=1lnt-∑11i=1g實(shí)=0c∑11i=1lnt+d∑11i=1d-∑11i=1g實(shí)=0(2)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入(2)式，結(jié)出屈肌腱c=-0.0396,d=1.0306。將c、d代入(1)式得出氣管軟骨：g(t)=1t=0-0.0313lnt+1.0626t04討論試驗(yàn)結(jié)果表示清楚，氣管軟骨7200s應(yīng)力松弛量為0.316mpa，應(yīng)力松弛最初600s變化較快，達(dá)總松弛量的30%，之后應(yīng)力緩慢下降，到達(dá)7200s時(shí)曲線基本到達(dá)平衡，氣管軟骨的應(yīng)力松弛曲線是以對(duì)數(shù)關(guān)系變化的。氣管軟骨在生理上重要是具有一定的舒張性，吸氣時(shí)伸長(zhǎng)而變粗，呼氣時(shí)復(fù)原。氣管具有一定的屈、伸性，屈、伸時(shí)氣管和氣管軟骨都蒙受著一定的生理載荷。氣管的力學(xué)性能的堅(jiān)持重要是膠原纖維的合理排列分布為彈性支架，通過(guò)蛋白多糖的親水作用來(lái)構(gòu)成部分的張力和浸透張力，當(dāng)組織受載時(shí)，由于壓力差大于部分張力使水緩慢流出，當(dāng)去載時(shí)由于組織的膨脹壓和浸透壓使水流回組織內(nèi)[8]。在正常的生理狀況下，氣管軟骨能在生理載荷范圍內(nèi)適應(yīng)外力的牽拉，表現(xiàn)出一定抗張性。氣管組織內(nèi)含有膠原纖維，膠原纖維具有一定的韌性，膠原蛋白是動(dòng)物體內(nèi)含量最豐富的蛋白質(zhì)，它是一種高級(jí)構(gòu)造，可構(gòu)成最佳的力學(xué)特性。膠原蛋白最最主要的力學(xué)性質(zhì)是拉伸剛度和抗拉強(qiáng)度。軟骨是一種多孔的粘彈材料，組織間隙為液體所充斥。在應(yīng)力作用下，液體可在組織中流進(jìn)或流出(當(dāng)組織膨脹時(shí)流進(jìn)，收縮時(shí)流出)，軟骨力學(xué)性能隨液體的含量而變化。事實(shí)上，液體在應(yīng)力下的流動(dòng)似乎是這種無(wú)血管組織獲得營(yíng)養(yǎng)的重要途徑。因而，研究氣管軟骨應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系不僅對(duì)于了解軟骨傳遞載荷的特性有需要，而且對(duì)于了解組織的健康狀態(tài)也是非常主要的[9]，軟骨是由一種液相和固相構(gòu)成，液相重要是水，固相重要是包含膠原纖維和彈性纖維，蛋白多糖和細(xì)胞成份。液相重要功能是通過(guò)本身的媒介作用把小的溶質(zhì)傳送或擴(kuò)散于組織內(nèi)外，固相膠原纖維的網(wǎng)狀支架是張應(yīng)變和張應(yīng)力的表述[10-11]。蛋白多糖的親水性很強(qiáng)，對(duì)維持軟骨的粘彈性及對(duì)抗壓力起側(cè)重要作用。本實(shí)驗(yàn)初始應(yīng)力與文獻(xiàn)[12]一樣，但本實(shí)驗(yàn)7200s應(yīng)力松弛量低于文獻(xiàn)[12]中髖關(guān)節(jié)軟骨和膝關(guān)節(jié)軟骨。承重部位軟骨和非承重部位軟骨具有不同的力學(xué)特性。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持軟骨的力學(xué)性質(zhì)與軟骨的膠原含量呈正相關(guān)的觀點(diǎn)。軟骨所處不同的生理解剖位置及不同的生理功能決定了其粘彈性的存在和其間的差別。本實(shí)驗(yàn)以正常人青年新鮮尸體氣管軟骨為研究對(duì)象。更充足地揭示氣管軟骨作為生物粘彈性材料的力學(xué)特性，對(duì)臨床更具有實(shí)際意義。【以下為參考文獻(xiàn)】[1]前田富興，久保良彥mesh人工氣管的耐變形能研究[j].人工臟器，1991，20(2)：641-647.[2]nentalwithprostheticreconstructionofthetracheaandbafu-rcation[j].thorax，1985，40(1)：32-36.[3]劉德若，王福忠.人工氣管的實(shí)驗(yàn)研究[j].白求恩醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，1888，14(增刊)：147-150.[4]徐艷，張佩華，王文祖.紡織構(gòu)造生物復(fù)合材料人工氣管的開(kāi)發(fā)[j].安徽教育學(xué)院學(xué)報(bào)，200420(4)：11-13.[5]鄧衛(wèi)軍，史宏?duì)N，裴昶.成年離體豬氣管生物力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究[j].醫(yī)用生物力學(xué)，2008，(5)：389-393.[6]王憶勤，滕忠照.大鼠氣管零應(yīng)力狀況[j].醫(yī)用生物力學(xué)，2001，(1)：6-9.[7]楊林，武延格，紀(jì)靈，等.旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器用于提升組織工程氣管軟骨力學(xué)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)研究[j].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2009，28(1)：103-107.[8]李振宇，馬洪順，姜洪志.關(guān)節(jié)軟骨力學(xué)性能研究[j].試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī)，1989，(2)：7-9.[9]馮元楨著.生物力學(xué)[m].北京：科學(xué)出版社，1983：251.[10]askewmjandmowvc.thebiomechanicalfunctionof