大鼠顱骨生物力學參數的影響因素*

李曼， 李明杰， 李俊豪， 馬雨晗， 姜倩， 蔣婷珍， 陳東東， 夏冰*， 汪家文*

(1.貴州醫科大學 法醫學院， 貴州 貴陽 550004； 2.廣西醫科大學第一附屬醫院 病理科， 廣西 南寧 530021)

顱骨由多塊形狀不一、大小不等的扁骨和不規則骨組成，起著保護和支持大腦、小腦及腦干等生命中樞的作用[1]。創傷性腦損傷(traumatic brain injury，TBI)是法醫病理學最常見的機械性損傷之一，在暴力性死亡中占首要位置[2]。為了更好地理解TBI的機制，目前已有較多研究開發了包含詳細人體頭部解剖特征的頭顱有限元模型，以研究多種載荷條件下的顱腦內部動態響應機制，取得了較好的效果[3-8]。然而，這些模型的仿真度在很大程度上取決于模擬生物組織的材料參數的準確性，但是由于世俗倫理道德的限制，頭顱材料力學參數檢測至今仍很缺乏，顱腦有限元模型依然不夠精準[8]。因此，有必要對外力作用下顱腦組織的本構行為進行更為系統的研究。已有報道，不同年齡人群顱骨材料屬性和力學參數存在差異[9-10]，但是，關于不同溫度、不同性別和不同壓縮速率對材料力學參數的影響研究較少[11-12]，相關影響及機制仍有待于進一步深入研究。為此，本研究選取實驗大鼠頭顱為研究對象，采用電子萬能材料試驗機對大鼠頭顱進行準靜態壓縮試驗，檢測不同溫度、性別及壓縮速率下大鼠顱骨的極限載荷(ultimate load)、壓縮強度(compressive strength)及壓縮模量(modulus of compressibility)3個生物力學參數，探討影響大鼠顱骨生物力學參數檢測的因素，為深入研究顱骨材料生物力學參數以及建立更為精準的頭顱有限元模型提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1實驗動物及分組 健康3月齡Sprague Dawley(SD)大鼠54只，雄性48只、雌性6只，體質量(280±20)g，由學校實驗動物中心提供[動物合格證號SCXK(黔)2018-0001]。本研究經學校動物實驗倫理委員會批準(1901050)，實驗嚴格按照動物倫理要求進行。

1.1.2主要試劑和儀器 10%水合氯醛溶液(天津科密歐化學試劑有限公司)、牙托粉(上海宗信牙科有限公司)、冷柜(星星牌，星星集團有限公司)、智能人工氣候箱(上海比朗儀器制造有限公司)及電子萬能材料試驗機(KDⅡ-0.2型，深圳市凱強利試驗儀器有限公司)。

1.2 方法

1.2.1動物分組及頭顱壓縮模型制作 健康SD大鼠按溫度、性別及壓縮速率不同，24只雄性大鼠均分為-4、4、25及65 ℃溫度組，12只大鼠(雄雌性各半)均分為雄性組和雌性組，18只雄性大鼠均分為1、5及10 mm/min壓縮速率組。10%水合氯醛溶液按1.0 mL/100 g腹腔注射、麻醉處死所有大鼠，從頸部將大鼠頭顱和軀體分離；去除顱蓋骨上方的頭皮組織，充分暴露顱骨；將大鼠頭顱固定在牙托粉模具上以防止實驗中頭顱滑脫，模具凝固冷卻至室溫，大鼠頭顱模型制備完成。溫度差異實驗按設定溫度-4、4、25 及65 ℃將頭顱材料及牙托粉模具放入冰柜或智能人工氣候箱，3 h后取出立即檢測；性別差異實驗和壓縮速率差異實驗各組頭顱模型均在常溫條件下保存，模型制作完成后2 h內完成所有生物力學參數檢測。

1.2.2生物力學參數檢測試驗 將頭顱模型置于電子萬能材料試驗機承重底座上，調節直徑3.0 mm圓柱形壓具接觸面高度至剛好接觸大鼠右側顱頂骨中部。預調3次達到穩定狀態后采用縱向壓縮法進行壓縮試驗(圖1)。加載參數設置：溫度和性別差異實驗試驗速度v=5 mm/min，壓縮速率差異實驗試驗速度分別為v=1、5 及10 mm/min，預加載力0.5 N，停機條件為壓縮位移達5.0 mm(預實驗證實未接觸顱底)。實驗結束后安裝于配套計算機上的電子萬能材料試驗機軟件自動計算輸出極限載荷(檢測試樣在外載荷作用下使樣品整體或某一局部的全層均由彈性狀態進入塑性狀態時所對應的載荷)、壓縮強度(在壓縮試驗中，試樣被壓縮至破裂或產生屈服時所承受的最大應力)、壓縮模量(在完全側限條件下豎向附加應力與相應豎向應變之間的比值)等參數。

圖1 顱骨單向縱軸壓縮試驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of skull compression test

1.3 統計學分析

2 結果

2.1 溫度

不同溫度組大鼠顱骨的極限載荷、壓縮強度及壓縮模量參數比較，總差異均有統計學意義(F極限載荷=16.986、F壓縮強度=16.996、F壓縮模量=25.049，P<0.05)，進一步兩兩比較顯示，4 ℃組、25 ℃組及65 ℃組大鼠顱骨的極限載荷、壓縮強度和壓縮模量參數均值分別與-4 ℃組比較、差異均有統計學意義(P<0.05)；4 ℃組和65 ℃組大鼠顱骨的極限載荷、壓縮強度參數均值比較差異有統計學意義(P<0.05)，其余各溫度組組間比較、差異均無統計學意義(P>0.05)。見圖2。

注：(1) 與-4 ℃組比較，P<0.05，(2) 與4 ℃組比較，P<0.05。圖2 不同溫度組大鼠顱骨生物力學參數的比較Fig.2 Comparison of biomechanical parameters of rat skulls in different temperature groups

2.2 性別

雄性組大鼠的極限載荷、壓縮強度參數均值分別高于雌性組，差異均有統計學意義(t極限載荷=2.640、t壓縮強度=2.638，P<0.05)；2組大鼠顱骨壓縮模量組間差異無統計學意義(t=-1.673，P>0.05)。見圖3。

注：(1) 與雄性組比較，P<0.05。圖3 不同性別組大鼠顱骨生物力學參數的比較Fig.3 Comparison of biomechanical parameters of rat skulls in different gender groups

2.3 壓縮速率

不同壓縮速率組大鼠顱骨的極限載荷和壓縮強度參數比較差異均有統計學意義(P<0.05)，但壓縮模量參數比較差異無統計學意義(P>0.05)；10 mm/min組大鼠顱骨極限載荷和壓縮強度參數分別高于1 mm/min組，差異均有統計學意義(P<0.05)，其余速率組間的差異均無統計學意義(P>0.05)。見圖4。

注：(1) 與1 mm/min速率組比較，P<0.05。圖4 不同壓縮速率組大鼠顱骨生物力學參數的變化Fig.4 Changes in biomechanical parameters of rat skulls in different compression rate groups

3 討論

顱骨材料參數檢測是人體生物力學研究領域之一，與顱骨的受力、損傷與功能重建密切相關，對顱腦有限元建模及其虛擬損傷仿真實驗具有重要的支撐作用[13]。研究表明，準靜態三點彎曲試驗方法可以檢測出人體顱骨的載荷、形變等材料參數，并得到載荷-變形曲線、極限彎曲強度等試驗結果，使用這種試驗方法可以有針對性地開展特定加載條件下的顱骨材料參數及損傷響應檢測[13-15]。顱骨壓縮、拉伸及三點彎曲方面的文獻報道已有不少，但結果存在較大差異，其原因與檢測條件的不一致有關[13,16]。研究表明，測試樣本的狀態(新鮮、防腐保存)、測試方式(拉伸、壓縮及彎曲)及測試速率(動態、準靜態)等均可影響材料參數的檢測[17-18]。準靜態壓縮測試速率、溫度及年齡是否對顱骨的材料參數存在影響，少見相關報道。

顱骨類似于“三明治”結構，由外板、板障及內板組成，其成分包含有機物質、礦物質及水分[19]。研究表明，活體大白兔股骨組織內部產生的熱應力隨溫度升高而逐漸增大，當溫度達到42 ℃時應力出現最大值，隨后隨著溫度的升高，應力值逐漸減小；溫度較高區域，軟質骨呈減少趨勢，而密質骨和硬質骨的體積增加[19]。溫度的改變是否可通過改變離體顱骨骨骼特性進而影響其材料參數，目前未見相關報道。本研究發現，-4 ℃組大鼠顱骨的極限載荷、壓縮強度及壓縮模量均高于4、25 及65 ℃組，而4 ℃組高于25和65 ℃組，提示隨著溫度升高，顱骨的生物力學極限載荷、壓縮強度和壓縮模量存在降低趨勢。Hrapko等[20]檢測了溫度為7、15、23、30 及37 ℃時新鮮家豬大腦組織的剪切力學性能，發現組織生物力學性能與溫度呈負相關，即溫度越低組織生物力學參數越大，雖然所檢測組織不同，但其結果與本研究存在一致性。本研究與田偉等[19]的研究結果存在差異，但其所研究的為大白兔股骨埋沙治療后熱應力隨溫度升高的變化，而本文研究的是大鼠顱骨壓縮實驗極限載荷、壓縮強度和壓縮模量隨溫度升高的變化。本研究發現25和65 ℃組3個生物力學參數差異均無統計學意義(P>0.05)，提示上述3個參數隨溫度升高而降低可能存在一個臨界值，當超過該溫度值后則力學參數趨于平穩[21]。

現有研究表明，生物組織材料參數存在性別差異，如王曉雁[22]研究發現同年齡組雄性大鼠皮膚、肌肉軟組織應力、應變均大于雌性；史念珂等[23]的研究結果表明，雌性大鼠股骨壓縮模量、彎曲剛性系數及彎曲韌性系數均低于雄性。大鼠顱蓋骨是一種骨密度較高的具有獨特結構的硬組織[24]。本研究發現同年齡組雄性大鼠顱骨的極限載荷、壓縮強度參數均高于雌性，可能與雄性與雌性大鼠顱骨自身結構的差異相關。據報道，一般男性的骨骼比同年齡的女性骨骼, 其大小、長度、厚度、重量、突起、結節及隆線等均為強大，男性顱骨骨質粗壯，骨板較厚，而女性顱骨骨面細致，骨板較薄[25]；此外，大鼠顱骨厚度存在類似的性別差異[23]。Kiadaliri等[ 24]的研究結果顯示，日常生活中，女性受同等外界機械性暴力情況下較男性更易發生損傷和骨折，與本研究結論相符。本研究發現雄性大鼠顱骨的壓縮模量低于雌性，但差異無統計學意義(P>0.05)。

經對相同年齡段、相同性別大鼠的顱骨進行不同速率的壓縮試驗，發現隨著壓縮速率的增大，極限載荷、壓縮強度和壓縮模量參數均逐漸增大，并且發現10 mm/min高壓縮速率與1 mm/min低壓縮速率結果比較差異統計學意義(P<0.05)，且大鼠顱骨的各生物力學參數具有明顯的隨著壓縮速率增大而增大的變化趨勢。該研究結果還進一步證明了常規生物力學實驗時，選擇1～5 mm /min范圍內的壓縮速率對實驗結果不產生影響，綜合考慮選用5 mm/min速率最佳[ 26-27]。此外，在選擇壓縮速率前，通常需要對試件進行預調以獲得可重復的機械響應，即在試驗開始時多次加載-卸載試件，以達到生物力學性能穩態，通常在預調3～10次后達到可重復性狀態。

綜上所述，本研究以大鼠顱骨為研究對象，檢測并分析不同溫度、性別及壓縮速率條件對大鼠顱骨的極限載荷、壓縮強度及壓縮模量生物力學參數結果的影響，探討了大鼠顱骨材料生物力學的影響因素，為選取最佳的顱骨生物力學實驗條件奠定基礎，也為顱腦損傷的法醫學研究提供數據支撐[28]，同時為涉及顱骨材料生物力學或大鼠頭顱有限元模型研究提供參考依據[ 5，29]。