豬氣管黏彈性的實驗研究

鄧衛軍,史宏燦,裴 昶

(1.江蘇省漣水縣人民醫院,江蘇漣水,223400;2.揚州大學臨床醫學院,江蘇揚州,225001)

目前,國內外對骨組織、心臟、血管等生物力學作了廣泛地研究[1-4],而氣管生物力學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力松弛與蠕變進行研究,擬合應力松弛與蠕變函數,對其生物黏彈性性能進行測試評價,旨在以生物力學觀點研究氣管軟骨環部與膜部的黏彈性特征,以期為氣管疾病的發病機制及氣管替代材料提供生物力學參數。

1 材料與方法

實驗材料為成年豬氣管,豬體質量75～90 kg,雌雄不拘。將新鮮氣管外周的結締組織剔除,確保氣管膜部完好。測試分為軟骨環和膜部兩部分,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 應力松弛實驗

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

2.2 蠕變測試

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

3 結 果

應力松弛實驗的曲線呈對數關系下降趨勢,當應力、應變達到某一個值時,保持應變不變,應力不斷減小,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關系上升,當應力、應變達到某一個值時,保持應力不變,應變還在不斷地增加,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。

對實驗數據取統計學處理,前300s每10s取1組數據,300～800s每50s取 1組數據,后則每100s取1組數據,用MATLAB軟件仿真處理實驗數據模擬得出應力松弛與蠕變方程。

膜部應力松弛方程:

軟骨環部應力松弛方程:

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:氣管膜部與軟骨環的在應變恒定時,應力隨時間不斷變小,最后趨向于恒定;在應力保持恒定時,應變隨時間不斷增加,最后趨向于恒定。

4 討 論

彈性體的特點是其內部任一點、任一時刻的應力,完全取決于當時當地的應變,與應變的歷史過程無關。當外力去除后,彈性體將立刻恢復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、任一時刻的應力狀態,不僅取決于當時當地的應變,而且與應變的歷史過程有關,即材料是有“記憶”的。黏彈性材料的應變通常由彈性應變、延遲彈性應變、黏性應變疊加形成,與材料的分子和黏性。應力松弛試驗和蠕變是研究生物材料黏彈性的重要方法[6]。當黏彈體發生形變時,若使黏彈體應變維持恒定,應力隨時間的增加而緩慢減小,這種現象稱為應力松弛;若黏彈體維持應力恒定,應變隨時間增加而增大的現象稱為蠕變[7]。

本研究對經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部組織的應力松弛與蠕變數據與方程,從方程及其曲線可知氣管膜部和軟骨環部組織完全符合黏彈性特征,即表明在生理狀態下的豬氣管組織為黏彈性組織。氣管軟骨環部與氣管膜部在維持應變不變的條件下,達到1200s時軟骨環部試樣與膜部的應力松弛量分別約為5 N、2.4 N。在應力保持恒定的情況下,氣管軟骨環部與膜部蠕變量分別約為4%。氣管軟骨環部與膜部的應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性質有所不同。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的應力變化有關,還與組織的細胞骨架、細胞內部結構的分布和細胞的運動等因素以及血管壁細胞所含的化學成分中有刺激平滑肌細胞生長因素有關[8]。

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

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