基于自由場爆炸的小型豬內耳聽覺損傷模型

摘要： 建立真實爆炸環境下的小型豬內耳聽覺爆炸傷模型，研究不同爆炸沖擊波壓力對小型豬內耳聽覺損傷的影響。選取14 頭健康小型豬，在爆炸前進行聽性腦干反應（auditory brainstem response， ABR）測試。搭建自由場爆炸實驗平臺，使用1.9 和8.0 kg TNT 炸藥，爆源離地面1.8 m，身體固定于防護裝置中，僅暴露頭部。在不同距離布放小型豬，記錄沖擊波峰值壓力，計算即刻死亡率。爆炸后再次進行ABR 測試，并取耳蝸組織進行掃描電鏡觀察，分析毛細胞損傷情況。在1.8～3.8 m 范圍內，沖擊波峰值壓力從96.3 kPa 升至628.3 kPa，隨著距離的增大，峰值壓力減小。8 kg TNT爆炸在2.6 m 處（峰值壓力628.3 kPa）導致小型豬即刻死亡率為50%。比較爆炸前后ABR 閾值發現，短聲（click）和各頻率短純音（2、4 和8 kHz）誘發的ABR 閾值均顯著升高（P＜0.05），其中以4 kHz 閾值變化最顯著。掃描電鏡顯示，隨著沖擊波壓力的升高，內毛細胞的損傷程度高于外毛細胞。爆炸沖擊波可引起小型豬聽覺系統的明顯損傷，表現為ABR 閾值升高和耳蝸毛細胞結構破壞。內毛細胞對爆炸沖擊波更敏感。所建立的小型豬爆炸性聽覺損傷模型可為研究爆炸傷機制和防護措施提供了重要的實驗基礎。

關鍵詞： 爆炸傷；小型豬；內耳聽覺功能；耳蝸損傷

中圖分類號： O389 國標學科代碼： 13035 文獻標志碼： A

隨著現代軍事科技的不斷進步，爆炸性武器在戰爭中的廣泛應用使得爆炸傷成為戰爭中最常見的傷害形式之一。據統計，爆炸性武器造成的傷害占戰斗傷亡的50%～80%[1-2]。爆炸的特征是大氣壓瞬間升高，其能量的突然釋放會產生一個大的壓力鋒或正超壓，以超音速傳播，也稱為沖擊波[3]。爆炸產生的沖擊波對人體各個系統器官的影響廣泛。聽覺系統作為人體中最易受到爆炸沖擊波影響的靶器官，常見的損傷包括鼓膜破裂、聽骨鏈斷裂、內耳損傷等，甚至可能導致永久性聽力喪失[4-5]。通常認為，鼓膜對超壓高度敏感，0.14～0.35 kg/cm2 的沖擊波會造成鼓膜穿孔，4～7 kg/cm2 的沖擊波會造成聽骨鏈脫位或者斷裂[6]。Niwa 等[7] 研究發現，沖擊波可以直接導致外毛細胞靜纖毛的損失。Cho 等[8] 進一步指出，高強度沖擊波可能導致耳蝸基底膜的機械損傷。此外，譚君武等[9] 研究發現，爆炸可引起耳蝸微循環流速的改變，影響耳蝸內環境的穩定和毛細胞能量，引起毛細胞的損失。這些研究結果共同表明，爆炸對聽覺系統的損傷是多因素、多層次的。

在爆炸傷防治研究中，直接的人類研究非常有限，動物模型成為重要的研究途徑。現有的動物模型目前主要采用小鼠、大鼠、豚鼠和龍貓等嚙齒動物研究聽覺損傷[3， 10]。然而，這些小動物模型在模擬存在諸多局限性：小動物模型的耳蝸解剖結構與人類差異較大，不能準確反映爆炸對人類聽覺系統的損傷；小動物模型無法承受較高的爆炸沖擊波壓力，無法模擬真實爆炸環境中產生的聽覺損傷[11-12]。相比之下，豬作為一種大型哺乳動物，其耳蝸的形態、解剖結構與人類的高度相似，具有極高的實驗應用價值。Dahlquist 等[13] 的研究表明，豬的耳蝸在出生時已基本發育成熟，并具備正常聽力，其顳骨結構中的中耳、內耳、電生理等與人類的非常相似。此外，豬模型可以在更高強度的爆炸環境中生存，使其成為研究高強度爆炸對聽覺系統影響的理想模型。

基于以上背景，設計并建立一個模擬自由場爆炸環境的小型豬爆炸致傷平臺，旨在探討不同爆炸沖擊波壓力對小型豬內耳聽覺系統的損傷作用，進一步為爆炸傷的機制研究和防護措施開發提供實驗依據。

1 實驗方法

1.1 實驗動物

本實驗選用14 頭健康小型豬，均為雄性，質量約15 kg。實驗前一天送至實驗場地，并禁食水12 h。小型豬在爆炸前后均接受聽性腦干反應（auditory brainstem response， ABR）測試，以評估聽覺功能的變化。實驗獲得動物實驗倫理委員會批準，倫理編號為IACUC20241384。

1.2 小型豬麻醉

麻醉采用2% 戊巴比妥鈉，質量為20 mg/kg，待小型豬角膜反射消失后，判定麻醉完成。在進行聽力測試過程中保持深度麻醉，以避免對測試結果產生干擾。

1.3 小型豬聽性腦干反應測試

在隔音室內進行ABR 測試。測試前用棉簽清潔小型豬雙側外耳道，重復2～3 次。記錄電極安置于小型豬雙耳廓上緣連線中點與顱頂交界處，參考電極插入測試耳側耳垂，地極置于鼻尖，測量電極之間阻抗小于3 kΩ。測試使用短聲（click）及不同頻率短純音（1、2、4 和8 kHz）作為刺激聲音，濾波寬度為300～3 000 Hz，刺激頻率為11 s?1，掃描時程為10 ms，疊加次數為512 次，最大刺激聲強度為90 dB，按20 dB遞減，當出現無規律難以辨認的波形時，遞增10 dB，將誘發出可重復規律波形的最低刺激強度記為ABR 閾值。通過測量其ABR 閾值的變化，評估爆炸對聽覺功能的損害程度。

1.4 實驗平臺的設計與構建

本研究搭建了一個小型豬爆炸致傷平臺，能夠在自由場爆炸條件下實施爆炸實驗。該平臺由爆炸源、小型豬防護裝置、測壓系統等組成，確保實驗環境能夠模擬真實爆炸情景。爆炸源采用不同當量的TNT 炸藥，分別為1.9 和8.0 kg，布置于離地面1.8 m 的位置，模擬高能爆炸沖擊波的作用（圖1（a）～（b））。動物布放位置均頭朝向爆心，與爆源同高，動物均處于淺麻醉狀態。在防護裝置方面，采用焊制3 mm 厚的鐵質框架將小型豬身體固定，并在縫隙處填充泡沫膠保證密封性，爆炸前后防護裝置如圖1（c）～（d） 所示，僅露出頭部，確保沖擊波作用集中在頭部的聽覺系統，同時保護其胸腹部位不受損傷。這一設計確保了聽覺系統的重點損傷評估，減少其他因素干擾實驗結果。在不同距離（1.8～3.8 m）處布放小型豬，高精度壓力傳感器分別測試在不同距離下的沖擊波峰值壓力及正壓持續時間。高精度壓力傳感器（型號PCB137B22/PCB137B23）能夠準確測量爆炸沖擊波的壓力峰值及其持續時間。爆炸后復測ABR 閾值，并統計即刻死亡率：爆炸后即刻記錄每個布放距離下死亡和存活數量，計算每個布放距離即刻死亡率（死亡動物數/總動物數）。

1.5 手術取耳蝸步驟

測聽后小型豬放置在解剖臺上，麻醉狀態下，以斷頸放血的方式處死動物。沿顱頂正中線切開皮膚，線鋸進行開顱，暴露雙側腦組織，去除腦組織及腦膜，可見雙側半頭側顱底區域不規則狀骨塊，底面積約1.0 cm×1.5 cm，使用彎頭止血鉗仔細撬出，迅速放入電鏡固定液室溫固定2 h，再轉移至4 ℃ 保存。隨后將固定好的樣品經濃度為0.1M （0.1 mol/L） 的磷酸緩沖液PB （PH 值為7.4）漂洗3 次，每次15 min。0.1M 磷酸緩沖液PB （PH7.4）配制1% 鋨酸室溫避光固定1～2 h。0.1M 磷酸緩沖液PB（PH7.4）漂洗3 次，每次15 min。將組織依次放入30%、50%、70%、80%、90%、95%、100% 和100% 的酒精每次15 min，乙酸異戊酯15 min。將樣本放入臨界點干燥儀內進行干燥。樣本緊貼于導電碳膜雙面膠上放入離子濺射儀樣品臺上進行噴金30 s 左右，利用掃描電子顯微鏡觀察采圖。通過電鏡觀察耳蝸毛細胞的損傷情況，特別是外毛細胞和內毛細胞的損傷程度，并分析耳蝸基底膜的裂痕和細胞排列結構變化。

1.6 統計分析

采用SPSS 24.0 軟件對實驗數據進行統計分析，采用配對樣本t 檢驗分析爆炸前后小型豬各頻率的ABR 閾值變化。對比爆炸前后的聽力閾值，分析不同的TNT 載荷和爆炸距離對小型豬聽覺功能的影響。

2 實驗結果

2.1 不同距離爆炸物理參數特征及趨勢

在爆炸沖擊波作用范圍內1.8～3.8 m 處，實驗測得峰值壓力為96.3～628.3 kPa，沖擊波持續時間為1.30～4.26 ms。實驗數據表明，隨著到爆心的距離增大，沖擊波的峰值壓力逐漸減小，同時正壓持續時間有所延長，這一現象符合爆炸沖擊波的衰減規律（表1）。

2.2 即刻死亡率統計

在第1 發爆炸實驗中，所有小型豬均存活。在第2 發實驗中，8.0 kg TNT 爆炸后，距離爆心2.6 m 處的峰值壓力為628.3 kPa，導致1 頭小型豬死亡，死亡率為50%。而距離爆心2.9 m 處的峰值壓力為528.7 kPa，小型豬均存活。這提示峰值壓力超過600 kPa 可能會導致小型豬死亡。

2.3 爆炸前后聽性腦干反應

在短聲（click）和短純音（2、4 和8 kHz）誘發條件下，爆炸前后的ABR 聲壓級閾值均具有顯著性差異，如表2 所示。結果顯示在4 kHz 時閾值變化最顯著，證實爆炸沖擊波對小型豬聽覺系統的損傷在4 kHz 時表現最明顯（圖2）。

2.4 耳蝸損傷情況

在不同爆炸條件下，耳蝸的損傷程度呈現顯著變化（圖3）。隨著自由場壓力的增大，耳蝸螺旋器受損加重。內毛細胞（inner hair cells， IHCs）的纖毛數量逐漸減少，出現退化，甚至完全消失，損傷程度明顯高于外毛細胞（outer hair cells， OHCs）。外毛細胞的纖毛V 形結構部分消失分布不均勻，且基底膜出現裂痕。總體而言，內毛細胞對爆炸沖擊更敏感，其損傷隨著自由場壓力的提高而顯著加重，這可能是引起聽力損傷的主要原因。

3 討 論

成功建立了小型豬爆炸內耳聽覺損傷模型，從聽覺功能和形態學兩個方面評估了爆炸沖擊波對內耳聽覺系統的影響。研究結果顯示，爆炸沖擊波顯著提高小型豬的ABR 閾值，尤其在4 kHz 頻率時變化最明顯；掃描電鏡觀察顯示，內毛細胞損傷程度高于外毛細胞，且損傷隨沖擊波壓力的升高而加重。這些發現為深入理解爆炸性聽覺損傷的機制提供了重要依據。

小型豬作為爆炸引起內耳聽覺損傷的動物模型，主要基于其在解剖和生理特性上與人類的高度相似性[14]。首先，小型豬的耳蝸形態和大小與人類幾乎一致，這使得研究結果更具臨床相關性。相比之下，其他嚙齒類動物的耳蝸結構與人類存在顯著差異，限制了結果的外推應用。其次，小型豬的內耳在出生時已基本發育成熟，具備正常的聽覺功能，這與人類的聽覺發育過程相似。此外，小型豬作為大型哺乳動物，能夠耐受真實爆炸條件下產生的高強度沖擊波，而不至于立即死亡，這為評估爆炸對聽覺系統的直接影響提供了可能[15]。雖然小型豬的外耳道比人類更彎曲，可能對沖擊波有一定的緩沖作用，但本研究結果顯示，其聽覺系統仍然受到明顯損傷，證明了該模型的適用性。因此，選擇小型豬作為爆炸傷動物模型，不僅提高了研究結果的可靠性和可轉化性，還為深入探索爆炸沖擊波對聽覺系統的損傷機制提供了理想的平臺。

爆炸性武器所產生的沖擊波是產生生物損毀的重要因素，其毀傷效果主要取決于兩個物理參數：沖擊波峰值壓力和正壓作用時間[16]。本研究設計了2 次不同載荷真實環境爆炸傷和不同距離的爆炸傷，隨著距離增加，沖擊波峰值壓力減小，符合沖擊波衰減規律[17]。當峰值壓力超過600 kPa 時，小型豬出現即刻死亡，提示高壓沖擊波對生物體具有致命性。內耳聽覺系統損傷程度與沖擊波壓力呈正相關關系，提示在爆炸傷防護中，應重點關注高壓沖擊波對聽覺系統的保護。

爆炸沖擊波導致小型豬的ABR 閾值顯著升高，尤其在4 kHz 頻率下變化最明顯。這一結果與人類和其他動物模型的研究一致，表明爆炸沖擊波對聽覺系統的損傷具有普遍性。人類暴露于爆炸沖擊波后，患者常出現高頻聽力下降和ABR 閾值升高[18]。在動物模型中，龍貓和小鼠在暴露于高強度噪聲后，導致ABR 閾值持久升高，且在4～8 kHz 較明顯，常伴隨耳蝸毛細胞的丟失和突觸連接的破壞[19-20]。爆炸沖擊波對4 kHz 頻率的損傷尤為顯著，因為耳蝸在該頻段具有較高敏感性[21]。此外，可能由于4 kHz位于耳蝸基底轉，聲波在耳蝸內傳播時易產生共振，導致局部能量集中，造成細胞損傷。

爆炸沖擊波對耳蝸的內毛細胞和外毛細胞均可造成損傷，然而廣泛的外毛細胞丟失是爆炸誘發的聲損傷的特征性發現[22-23]。而本研究發現，爆炸沖擊波的高壓峰值直接損傷內毛細胞的纖毛結構，導致纖毛斷裂、融合或消失。而爆炸沖擊波導致外毛細胞的纖毛排列紊亂，V 形結構消失，外毛細胞最外結構較內排更易缺失。相比內毛細胞，外毛細胞對爆炸沖擊波的抵抗力稍強。爆炸沖擊波可導致小型豬內毛細胞和外毛細胞均損傷，但內毛細胞更易受損。損傷機制涉及機械性損傷[24]、氧化應激[25]、興奮性毒性、炎癥反應和血流障礙等多種因素。深入研究這些機制，將有助于開發新的防護和治療方法，減輕爆炸傷對聽覺系統的影響。

本研究存在以下局限：首先，ABR 測試耗時較長，未進行全頻率的聽覺功能評估，未來將結合其他檢測方法進行測試。其次，爆炸參數僅限于1.9 和8 kg TNT 當量，樣本數量較少，未涵蓋其他類型和當量的爆炸物，結果的適用性有限。此外，未考慮長期效應，缺乏對長期暴露于爆炸環境中的累積影響研究，未來應進行長期觀察。

該小型豬爆炸損傷模型具有廣泛的應用前景。首先，它為深入研究爆炸沖擊波對聽覺系統的損傷機制提供了理想平臺，可用于探討不同爆炸條件下聽覺損傷的累積效應，有助于揭示聽覺系統對爆炸沖擊波的長期適應和損傷機制[26]。其次，該模型可用于聽力保護裝置的開發與評估，尤其是在高強度爆炸環境中[27]。利用本研究的實驗平臺，可測試和優化各種聽力保護設備的設計，為軍事和工業領域提供有效的防護措施。此外，該模型還可支持爆炸性聽覺損傷的醫學干預和康復治療研究，如藥物治療和聽力植入設備等，為改善爆炸傷患者的生活質量提供新的科學依據和治療策略。

4 結 論

通過構建小型豬爆炸致傷平臺，采用不同當量的TNT 炸藥，在自由場條件下對小型豬進行了爆炸沖擊波損傷實驗，多維度評估了爆炸對聽覺系統的影響，得到的結論如下。

（1） 爆炸沖擊波顯著損傷小型豬的聽覺功能。爆炸后，所有頻率下的聽性腦干反應閾值均顯著升高，尤其在4 kHz 頻率時，閾值變化最明顯。這表明爆炸對聽覺系統的損傷具有頻率依賴性，4 kHz 可能是受損最敏感的頻率。

（2） 耳蝸損傷程度與爆炸壓力密切相關。隨著爆炸峰值壓力的增大，耳蝸受損加重，基底膜出現裂痕，細胞排列結構發生變化。

（3） 內毛細胞對爆炸沖擊波可能更為敏感。掃描電子顯微鏡觀察顯示，內毛細胞的纖毛數量減少，排列紊亂甚至消失，損傷程度明顯高于外毛細胞。內毛細胞的嚴重損傷可能是引起聽力損傷的主要原因，這強調了其在聽覺系統中的關鍵作用。

（4） 小型豬內耳聽覺爆炸傷模型模實用性和推廣性。在不同實驗中，使用相同的爆炸參數對小型豬進行測試，觀察到一致的聽力損傷結果，表明建立的小型豬聽覺爆炸傷模型具有較好的重復性和穩定性，可以作為評估聽力損傷和防護措施效果的有效工具，適用于更廣泛的爆炸傷害研究。

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（責任編輯 張凌云）

基金項目： 國家重點研發計劃（2022YFC2402701）