氣管軟骨應(yīng)力松弛的實(shí)驗(yàn)研究

1、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【關(guān)鍵詞】氣管軟骨;應(yīng)力松弛;粘彈性;力學(xué)特性【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)。在日本島津電子萬能試驗(yàn)機(jī)上對10個軟骨進(jìn)展應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)，應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)應(yīng)變增加速度為50%/in，實(shí)驗(yàn)溫度為(36.50.65)，設(shè)定實(shí)驗(yàn)時間7200s，采集100個實(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)果說明：氣管軟骨7200s應(yīng)力松弛量為0.316pa，7200s時應(yīng)力松弛曲線根本到達(dá)平衡。氣管軟骨應(yīng)力松弛曲線是以對數(shù)關(guān)系變化的，氣管軟骨為非線性粘彈性材料?！娟P(guān)鍵詞】氣管軟骨;應(yīng)力松弛;粘彈

2、性;力學(xué)特性theexperientalstudyftrahealartilagestressrelaxatinsunhangjiang1，fengtiejian2，luyaping3，ahngshun4(1.hina-japanfriendshiphspital,jilinuniversity，hanghun130031，hina;2.nanlingapushspitalfjilinuniversity，hanghun130022;3.daqingpetrleuinstituteehanialsieneandengineeringllege，prvinedaqing163308，hina;4

3、.prjetstrengthdepartentsfnanlingshl,jilinuniversityhanghun130022)abstrat：tresearhthetrahealartilagestressrelaxatinharateristiandprvidethetrahealartilagestressrelaxatinharateristiparaeterfrthelinial.10artilageseretakenntheeletrniuniversaltestingahinetarrynthestressrelaxatinexperient.theinreasingspeed

4、fthestressrelaxatinexperientstrainas50%/in.experientalteperatureas(36.50.65)，theexperientaltieassetat7200s.then100epirialdataeregatheredandpressedbytheethdfunarylinearregressinanalysis.thetrahealartilage7200sstressrelaxatinquantityas0.316pa，the7200sstressrelaxatinurveahievedthebalanebasially.thetrah

5、ealartilagestressrelaxatinurveishangedbythelgarithrelatins，thetrahealartilageisthenn-linearviselastiaterial.keyrds：trahealartilage;stressrelaxatin;viselasti;ehanisharateristi1引言國內(nèi)外學(xué)者對氣管損傷氣道功能重建，對人工氣管的根底研究和臨床理論做了一定的研究，但對氣管軟骨的生物力學(xué)研究報道較少。前田富興等1對人工氣管的抗變形才能進(jìn)展了研究。tesh等2以人工氣管氣道再建進(jìn)展運(yùn)動物實(shí)驗(yàn)研究。劉德假設(shè)等3對人工氣管進(jìn)展了實(shí)驗(yàn)研

6、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)國內(nèi)、外學(xué)者們也進(jìn)展了一定的研究，鄧衛(wèi)軍等5對成年離體豬氣管進(jìn)展了生物力學(xué)的特性實(shí)驗(yàn)。王憶勤6等對大鼠氣管的零應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)展了研究。楊林等7對旋轉(zhuǎn)生物反響器用于進(jìn)步組織工程氣管軟骨力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)展了研究。以往對氣管軟骨力學(xué)特性研究多以動物氣管軟骨和一維拉伸實(shí)驗(yàn)居多5-7，對人氣管軟骨應(yīng)力松弛粘彈性力學(xué)特性研究較少。生物材料的粘彈性主要以應(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，對載荷松弛適應(yīng)性的反響，雖然機(jī)制尚不清楚，但氣管軟骨的應(yīng)力松弛力學(xué)特性對于認(rèn)識吻合口張力，確定氣管損傷后的張力臨界點(diǎn)具有重要意義。氣管由于

7、炎癥、腫瘤、損傷等疾患需要進(jìn)展氣道再建，現(xiàn)代呼吸道(氣道)外科手術(shù)對氣管病變不超過1/2程度，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)氣管切除超過其直接的吻合長度,那么需要置換人工氣管。鑒于臨床實(shí)際需要，我們對正常國人尸體氣管軟骨進(jìn)展了應(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)本正常國人新穎尸體氣管標(biāo)本2個，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

8、-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。2.2試驗(yàn)裝置日本島津ag-10ta自動控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，該機(jī)具有自動控制應(yīng)力、應(yīng)變增加速度和使應(yīng)力或應(yīng)變保持恒定的功能。載荷通過載荷傳感器傳遞，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)方法首先測量式樣的原始尺寸。在軟組織測量實(shí)驗(yàn)中，測量試樣的原始尺寸非常關(guān)鍵。作者采用國內(nèi)外均認(rèn)可的準(zhǔn)長度理論，即在每一給定條件下式樣的長度等尺寸。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)長度的基矗利用讀數(shù)顯微鏡測量其長度、寬度和厚度，試樣的長度為25，寬度為5，厚度為1.82.2，韌帶和其他軟組

9、織一樣，其彈性主要來自熵的改變。因此不存在唯一的自然狀態(tài)，所以首先對試樣進(jìn)展預(yù)調(diào)處理，即在同一應(yīng)力程度下加載-卸載20次。對每個試樣分別預(yù)調(diào)處理后進(jìn)展實(shí)驗(yàn)。將經(jīng)過預(yù)調(diào)的10個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-35250環(huán)境溫箱?？勺詣诱{(diào)節(jié)溫度并保持恒溫。本實(shí)驗(yàn)?zāi)M正常人體溫，在(36.55)的溫度場下進(jìn)展。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軸為時間。本實(shí)驗(yàn)以50%/in的速度對試樣施加載拉應(yīng)變，當(dāng)應(yīng)變到達(dá)9.28%，應(yīng)力到達(dá)1.207pa時保持恒定，應(yīng)力

10、隨時間的改變不斷下降。計算機(jī)程序設(shè)定從時間t0開場采集數(shù)據(jù)，每10s采集一個數(shù)據(jù)40次，之后每136s采集一個數(shù)據(jù)，采集50次，共采集90個數(shù)據(jù)，歷時7200s到達(dá)設(shè)定時間后，計算機(jī)自動輸出實(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個氣管軟骨試樣應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計分析后結(jié)果見表1。10個氣管軟骨試樣歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)數(shù)據(jù)見表2。表1應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(xs)表2歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)數(shù)據(jù)3.2應(yīng)力松弛曲線對每組10個應(yīng)力松弛試樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合應(yīng)力松弛曲線見圖1。對每組10個試樣歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)數(shù)據(jù)擬合曲線見圖2。圖1應(yīng)力松弛曲線fig1thestressrelax

11、atinurve圖2歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)曲線fig2nralizedstressrelaxatinfuntinurve3.3歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)方程的計算歸一化應(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)，松弛曲線是以對數(shù)關(guān)系變化的，因此設(shè)g(t)=1lnt+dt=0t0(1)令(a,d)=nt=1g(t)-g(實(shí))211i=1ln2t+d11i=1lnt-11i=1g實(shí)=011i=1lnt+d11i=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=-0.0396,d=1.0306。將、d代入(1)式得出氣管軟骨：g(t)=1t=0-0.0313lnt+1.0626t0

12、4討論試驗(yàn)結(jié)果說明，氣管軟骨7200s應(yīng)力松弛量為0.316pa，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時曲線根本到達(dá)平衡，氣管軟骨的應(yīng)力松弛曲線是以對數(shù)關(guān)系變化的。氣管軟骨在生理上主要是具有一定的舒張性，吸氣時伸長而變粗，呼氣時復(fù)原。氣管具有一定的屈、伸性，屈、伸時氣管和氣管軟骨都承受著一定的生理載荷。氣管的力學(xué)性能的保持主要是膠原纖維的合理排列分布為彈性支架，通過蛋白多糖的親水作用來形成部分的張力和浸透張力，當(dāng)組織受載時，由于壓力差大于部分張力使水緩慢流出，當(dāng)去載時由于組織的膨脹壓和浸透壓使水流回組織內(nèi)8。在正常的生理狀態(tài)下，氣管軟骨能在生理載荷

13、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，膠原蛋白是動物體內(nèi)含量最豐富的蛋白質(zhì)，它是一種高級構(gòu)造，可形成最正確的力學(xué)特性。膠原蛋白最最重要的力學(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滿。在應(yīng)力作用下，液體可在組織中流進(jìn)或流出(當(dāng)組織膨脹時流進(jìn)，收縮時流出)，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)力下的流動似乎是這種無血管組織獲得營養(yǎng)的主要途徑。因此，研究氣管軟骨應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系不僅對于理解軟骨傳遞載荷的特性有必要，而且對于理解組織的安康狀況也是非常重要的9，軟骨是由一種液相和固相組成，液相主要是水，固相主要

14、是包括膠原纖維和彈性纖維，蛋白多糖和細(xì)胞成份。液相主要功能是通過自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)，對維持軟骨的粘彈性及對抗壓力起著重要作用。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異。本實(shí)驗(yàn)以正常人青年新穎尸體氣管軟骨為研究對象。更充分地提醒氣管軟骨作為生物粘彈性材料的力學(xué)

15、特性，對臨床更具有實(shí)際意義。【參考文獻(xiàn)】1前田富興，久保良彥esh人工氣管的耐變形能研究j.人工臟器，1991，20(2)：641-647.2tesh.experinentalithprsthetirenstrutinfthetraheaandbafu-ratinj.thrax，1985，40(1)：32-36.3劉德假設(shè)，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，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發(fā)j.安徽教育學(xué)院學(xué)報，202220(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)，2022，(5)：389-393.6王憶勤，滕忠照.大鼠氣管零應(yīng)力狀態(tài)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)生物反響器用于進(jìn)步組織工程氣管軟骨力學(xué)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)研究j.中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報，2022，28(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).北京：科學(xué)出版社，1983：251.10askejandv.thebiehanialfunt