豬氣管黏彈性的實驗研究

鄧衛(wèi)軍,史宏燦,裴 昶

(1.江蘇省漣水縣人民醫(yī)院,江蘇漣水,223400;2.揚州大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院,江蘇揚州,225001)

目前,國內(nèi)外對骨組織、心臟、血管等生物力學(xué)作了廣泛地研究[1-4],而氣管生物力學(xué)研究主要集中在氣管的徑向拉伸與縱向支撐等方面[5],對其黏彈性研究更是甚少。本實驗擬對豬氣管的應(yīng)力松弛與蠕變進行研究,擬合應(yīng)力松弛與蠕變函數(shù),對其生物黏彈性性能進行測試評價,旨在以生物力學(xué)觀點研究氣管軟骨環(huán)部與膜部的黏彈性特征,以期為氣管疾病的發(fā)病機制及氣管替代材料提供生物力學(xué)參數(shù)。

1 材料與方法

實驗材料為成年豬氣管,豬體質(zhì)量75～90 kg,雌雄不拘。將新鮮氣管外周的結(jié)締組織剔除,確保氣管膜部完好。測試分為軟骨環(huán)和膜部兩部分,沿軸向剪下氣管膜部,長140mm、寬8 mm、厚 0.8～1.2 mm(A組),測試樣品數(shù)為8個;沿軸向剪下軟骨部分,長140 mm、寬8 mm、厚1.2～1.5 mm(B組),測試樣品數(shù)為8個。測試儀器為TY8000系列:50～5000 N伺服控制拉力試驗機。

2 方 法

2.1 應(yīng)力松弛實驗

實驗分2組,即膜部和氣管軟骨環(huán)部,將膜部試樣的兩端夾在試驗機的夾具上,游標(biāo)卡尺測得夾具間距為100mm,以30%/min應(yīng)變率增加(30 mm/min)進行拉伸測試,當(dāng)應(yīng)變達到 60%時,應(yīng)力達到3.340 N,保持應(yīng)變不變,記錄應(yīng)力隨時間的變化。記錄時間為1200s,計算機0.05 s記錄1組數(shù)據(jù),繪制應(yīng)力松弛曲線。將軟骨環(huán)部的試樣以同樣的方法和要求夾在夾具上,25%/min應(yīng)變率增加(25 mm/min)進行拉伸測試,當(dāng)應(yīng)變達到60%時,應(yīng)力達到17.648 N,保持應(yīng)變不變,記錄應(yīng)力隨時間的變化,記錄時間為1200s,計算機0.05 s記錄1組數(shù)據(jù),繪制應(yīng)力松弛曲線。

2.2 蠕變測試

實驗分2組,即膜部和氣管軟骨環(huán)部,將膜部試樣的兩端夾在試驗機的夾具上,游標(biāo)卡尺測得夾具間距為100 mm,以30%/min應(yīng)變率增加(30 mm/min)進行拉伸測試,當(dāng)應(yīng)力2.5 N,應(yīng)變達到67.53%時,保持應(yīng)力不變,記錄應(yīng)變隨時間的變化,記錄時間為1800s,計算機自動輸出數(shù)據(jù),繪出蠕變曲線。將氣管軟骨部試樣的兩端夾在試驗機的夾具上,游標(biāo)卡尺測得夾具間距為100 mm。以30%/min應(yīng)變率增加(30 mm/min)進行拉伸測試,當(dāng)應(yīng)力20N時,應(yīng)變達到42.48%時,保持應(yīng)力不變,記錄應(yīng)變隨時間的變化,記錄時間為1800s,計算機每0.05 s記錄1組數(shù)據(jù)自動輸出,繪出蠕變曲線。

3 結(jié) 果

應(yīng)力松弛實驗的曲線呈對數(shù)關(guān)系下降趨勢,當(dāng)應(yīng)力、應(yīng)變達到某一個值時,保持應(yīng)變不變,應(yīng)力不斷減小,減小到某一個值時,以這個值為漸近線而逐漸恒定。最初的300s曲線下降最快,膜部試樣下降約2 N,軟骨環(huán)試樣下降約4N。后來的900s下降較慢,逐漸趨向于平行;蠕變試驗的曲線呈指數(shù)關(guān)系上升,當(dāng)應(yīng)力、應(yīng)變達到某一個值時,保持應(yīng)力不變,應(yīng)變還在不斷地增加,增加到一個值時,以這個值為漸近線而逐漸恒定。膜部試樣曲線最初的300s曲線上升最快,膜部試樣上升約2.5%后來的300s上升約為0.4%,后曲線趨向平行;軟骨環(huán)部試樣最初的300s曲線上升最快,約2.9%,后來的300s上升約為0.4%,后曲線趨向平行。

對實驗數(shù)據(jù)取統(tǒng)計學(xué)處理,前300s每10s取1組數(shù)據(jù),300～800s每50s取 1組數(shù)據(jù),后則每100s取1組數(shù)據(jù),用MATLAB軟件仿真處理實驗數(shù)據(jù)模擬得出應(yīng)力松弛與蠕變方程。

膜部應(yīng)力松弛方程:

軟骨環(huán)部應(yīng)力松弛方程:

MATLAB軟件仿真模擬方程圖像。

膜部蠕變方程:

y=70.5604-1.9717×e(-t)軟骨環(huán)部蠕變方程:

MATLAB軟件仿真模擬方程圖像。

從擬合方程及圖像可知:氣管膜部與軟骨環(huán)的在應(yīng)變恒定時,應(yīng)力隨時間不斷變小,最后趨向于恒定;在應(yīng)力保持恒定時,應(yīng)變隨時間不斷增加,最后趨向于恒定。

4 討 論

彈性體的特點是其內(nèi)部任一點、任一時刻的應(yīng)力,完全取決于當(dāng)時當(dāng)?shù)氐膽?yīng)變,與應(yīng)變的歷史過程無關(guān)。當(dāng)外力去除后,彈性體將立刻恢復(fù)它原先的形狀和大小。而黏彈性材料則與此不同,其中任一點、任一時刻的應(yīng)力狀態(tài),不僅取決于當(dāng)時當(dāng)?shù)氐膽?yīng)變,而且與應(yīng)變的歷史過程有關(guān),即材料是有“記憶”的。黏彈性材料的應(yīng)變通常由彈性應(yīng)變、延遲彈性應(yīng)變、黏性應(yīng)變疊加形成,與材料的分子和黏性。應(yīng)力松弛試驗和蠕變是研究生物材料黏彈性的重要方法[6]。當(dāng)黏彈體發(fā)生形變時,若使黏彈體應(yīng)變維持恒定,應(yīng)力隨時間的增加而緩慢減小,這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛;若黏彈體維持應(yīng)力恒定,應(yīng)變隨時間增加而增大的現(xiàn)象稱為蠕變[7]。

本研究對經(jīng)生理鹽水充分浸泡的豬氣管進行黏彈性測試,得出氣管膜部和軟骨環(huán)部組織的應(yīng)力松弛與蠕變數(shù)據(jù)與方程,從方程及其曲線可知氣管膜部和軟骨環(huán)部組織完全符合黏彈性特征,即表明在生理狀態(tài)下的豬氣管組織為黏彈性組織。氣管軟骨環(huán)部與氣管膜部在維持應(yīng)變不變的條件下,達到1200s時軟骨環(huán)部試樣與膜部的應(yīng)力松弛量分別約為5 N、2.4 N。在應(yīng)力保持恒定的情況下,氣管軟骨環(huán)部與膜部蠕變量分別約為4%。氣管軟骨環(huán)部與膜部的應(yīng)力松弛與蠕變是有差異的,可以看出生物組織隨其解剖位置和生理作用不同黏彈性力學(xué)性質(zhì)有所不同。組織的拉伸與破裂的原因多種多樣,但都與組織所受的各種非生理狀態(tài)的應(yīng)力變化有關(guān),還與組織的細胞骨架、細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分布和細胞的運動等因素以及血管壁細胞所含的化學(xué)成分中有刺激平滑肌細胞生長因素有關(guān)[8]。

氣管組織作為黏彈性組織,在受到外力作用時,將在表現(xiàn)為彈性的同時還會表現(xiàn)為黏性,在達到一定的應(yīng)變后,還會斷續(xù)伸展或壓縮,這一特性有助于氣管維持其自身的生理結(jié)構(gòu)與狀態(tài)而不易破壞,這也將為研究人體氣管及人工氣管提供實驗方法與依據(jù)。

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