家兔腓腸肌拉伸試驗(yàn)設(shè)備和夾具的選擇

劉守堯 ，王云亭 ，蔡蓉蓉，徐前威 ，王榮國

（1.北京中醫(yī)藥大學(xué)，北京 100029；2.中日友好醫(yī)院，北京 100029）

應(yīng)用生物力學(xué)方法檢測肌肉的再生情況是驗(yàn)證肌肉功能恢復(fù)程度的重要指標(biāo)之一[1]。目前在骨骼肌再生后的力學(xué)研究，大多以大鼠及家兔腓腸肌鈍器傷模型為研究對象，采用拉伸試驗(yàn)[2]，檢測拉伸試驗(yàn)過程中腓腸肌的極限載荷、屈服載荷、楊氏模量等，以此評價(jià)腓腸肌的力學(xué)性能恢復(fù)情況。肌肉拉伸試驗(yàn)機(jī)目前應(yīng)用較多的有BOSE 3330動(dòng)態(tài)力學(xué)測試平臺(tái)[3]、CMT系列萬能材料試驗(yàn)機(jī)[4]、Instron 5569 試驗(yàn)機(jī)[5]、ZWICK 萬能材料試驗(yàn)機(jī)[6，7]等。我們應(yīng)用不同試驗(yàn)機(jī)、不同夾具進(jìn)行了多次腓腸肌拉伸試驗(yàn)，以期為腓腸肌生物力學(xué)檢測提供準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 資料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

健康成年新西蘭大白兔45只 （2.0～2.5kg，北京芳元緣養(yǎng)殖場，SYXK（京）2009-0029），雌雄不限，普通環(huán)境飼養(yǎng)。按照隨機(jī)數(shù)字表法，將45只新西蘭大白兔隨機(jī)分為9組，每組5只。

1.2 腓腸肌試樣制備

解剖過程中保持腓腸肌肌膜及肌纖維完整無損傷。為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，避免腓腸肌裝載及夾持損傷，保留腓腸肌起止端的股骨遠(yuǎn)端和跟骨結(jié)節(jié)，在試樣裝載過程中通過夾持殘留的骨端，使腓腸肌牢固固定。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

分別采用BOSE 3330動(dòng)態(tài)力學(xué)測試平臺(tái)（BOSE 公司，美國）、CMT5205（MTS Industrial Systems，美國）、ZWICK/Z005萬能材料試驗(yàn)機(jī)（ZWICK Roell，德國）以及冰凍夾具、氣動(dòng)夾具、機(jī)械加壓夾具交替進(jìn)行腓腸肌拉伸試驗(yàn)，具體分組如表1，各實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)見表2。

拉伸參數(shù)：拉伸速度20mm/min，預(yù)載荷2N，腓腸肌80%斷裂時(shí)停止試驗(yàn)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

應(yīng)用SAS 8.2統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析總結(jié)，各組組間比較釆用單因素方差分析（one-way anova），并運(yùn)用SNK方法進(jìn)行組間比較。

2 結(jié)果

2.1 BOSE 3330動(dòng)態(tài)力學(xué)測試平臺(tái)

應(yīng)用BOSE 3330動(dòng)態(tài)力學(xué)測試平臺(tái)，配備冰凍夾具夾持腓腸肌進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度20mm/min，預(yù)載荷2N。測試過程中夾具夾持不穩(wěn)，a、b兩點(diǎn)出現(xiàn)滑移，導(dǎo)致應(yīng)變與應(yīng)力不同步而產(chǎn)生較大的誤差。同樣條件下配備機(jī)械加壓夾具，由于此試驗(yàn)機(jī)拉伸范圍固定，最大應(yīng)變25mm，其拉伸不能達(dá)到極限應(yīng)變條件，故無法測得極限載荷數(shù)據(jù)（表1）。一般情況下，當(dāng)家兔腓腸肌拉伸應(yīng)變?yōu)榧∪忾L度的80%時(shí)，應(yīng)變可達(dá)40mm以上，故此實(shí)驗(yàn)設(shè)備不能滿足家兔腓腸肌拉伸實(shí)驗(yàn)要求。

表1 腓腸肌拉伸試驗(yàn)分組及極限載荷、屈服載荷檢測情況

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備相關(guān)參數(shù)

表3 ZWICK/Z005、CMT5205萬能材料試驗(yàn)機(jī)腓腸肌拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較（x-±s）

2.2 CMT 5205萬能材料試驗(yàn)機(jī)

應(yīng)用美國MTS公司生產(chǎn)的CMT 5205萬能材料試驗(yàn)機(jī)（傳感器1KN）配備氣動(dòng)夾具，安裝式樣后，外置氣泵持續(xù)最小壓力夾持（10KN）。由于夾持力度大，夾持瞬間可見到夾持部位肌纖維出現(xiàn)明顯結(jié)構(gòu)破壞和斷裂，我們采用紗布包裹夾持部位，仍難以避免試樣損毀。

2.3 CMT 5205、ZWICK/Z005萬能材料試驗(yàn)機(jī)和機(jī)械加壓夾具

應(yīng)用CMT 5205、ZWICK/Z005萬能材料試驗(yàn)機(jī) （傳感器1KN），采用表面有螺紋機(jī)械加壓夾具，拉伸速度20mm/min，預(yù)載荷2N，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。適當(dāng)加壓固定后，未見腓腸肌纖維有破損情況，并且拉伸過程中夾持穩(wěn)定，未見滑移。從此應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖可以分析得到準(zhǔn)確的楊氏模量、屈服載荷、極限載荷以及相對應(yīng)的應(yīng)變值。

通過以上萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行腓腸肌拉伸試驗(yàn)在家兔體重?zé)o統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的前提下，通過對2種試驗(yàn)機(jī)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，不論極限載荷、屈服載荷，還是極限應(yīng)變、屈服應(yīng)變等，結(jié)果相近，均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）（表 3）。

3 討論

我們將CMT 5205、ZWICK/Z005用于家兔腓腸肌拉伸試驗(yàn)，得到的極限載荷、屈服載荷、極限應(yīng)變、屈服應(yīng)變等數(shù)據(jù)十分接近，組間比較均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，結(jié)果滿意。

在夾具的選擇方面，我們選擇表面有波紋的機(jī)械加壓夾具，其腓腸肌試樣夾持手動(dòng)控制，適當(dāng)加壓，在保證試樣不被破壞的情況下，借助波紋摩擦阻擋，能夠基本避免拉伸過程中產(chǎn)生腓腸肌試樣滑移，其輸出應(yīng)力-應(yīng)變曲線滿足實(shí)驗(yàn)要求，能將實(shí)驗(yàn)誤差減小到最低；氣動(dòng)夾具在保持最低壓力條件下，將試樣肌腱附著處及周圍肌纖維組織擠壓變形，瞬間破壞肌組織結(jié)構(gòu)，部分纖維即刻斷裂，拉伸結(jié)果誤差較大；冰凍夾具雖是軟性材料，尤其是肌肉拉伸試驗(yàn)的最佳選擇，如大鼠腓腸肌、腰大肌以及小肌腱等，但由于家兔腓腸肌試樣制作過程中保留股骨遠(yuǎn)端及跟骨，夾具機(jī)械加壓較小（避免夾持力度過大導(dǎo)致二極管損壞），冰凍難以完全阻擋拉伸過程中的試樣滑移，即使腓腸肌起止點(diǎn)無骨質(zhì)保留，直接將腓腸肌起止點(diǎn)夾持冷凍，腓腸肌的不規(guī)則形態(tài)也會(huì)使其近端夾持困難，難以保持肌纖維受力的均衡性，也不足以滿足家兔腓腸肌拉伸實(shí)驗(yàn)要求。

綜上我們認(rèn)為，腓腸肌拉伸試驗(yàn)設(shè)備及夾具選擇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為：（1）設(shè)備：拉伸范圍 10～1000mm，力學(xué)傳感器500N、1000N，誤差≤0.5%。（2）夾具：腓腸肌夾持穩(wěn)定，無滑移；無腓腸肌肌纖維夾持損傷或斷裂。所以家兔腓腸肌拉伸試驗(yàn)應(yīng)選擇CMT 5205、ZWICK/Z005萬能材料試驗(yàn)機(jī)，其可選量程小（1000N）、拉伸范圍廣（10～1000mm）、精確度高（≥99.5%），而機(jī)械加壓夾具因其體積小、操作簡便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠并且夾持穩(wěn)定、無肌纖維損壞成為首選夾具。

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