猪气管黏弹性的实验研究

邓卫军,史宏灿,裴 昶

(1.江苏省涟水县人民医院,江苏涟水,223400;2.扬州大学临床医学院,江苏扬州,225001)

目前,国内外对骨组织、心脏、血管等生物力学作了广泛地研究[1-4],而气管生物力学研究主要集中在气管的径向拉伸与纵向支撑等方面[5],对其黏弹性研究更是甚少。本实验拟对猪气管的应力松弛与蠕变进行研究,拟合应力松弛与蠕变函数,对其生物黏弹性性能进行测试评价,旨在以生物力学观点研究气管软骨环部与膜部的黏弹性特征,以期为气管疾病的发病机制及气管替代材料提供生物力学参数。

1 材料与方法

实验材料为成年猪气管,猪体质量75～90 kg,雌雄不拘。将新鲜气管外周的结缔组织剔除,确保气管膜部完好。测试分为软骨环和膜部两部分,沿轴向剪下气管膜部,长140mm、宽8 mm、厚 0.8～1.2 mm(A组),测试样品数为8个;沿轴向剪下软骨部分,长140 mm、宽8 mm、厚1.2～1.5 mm(B组),测试样品数为8个。测试仪器为TY8000系列:50～5000 N伺服控制拉力试验机。

2 方 法

2.1 应力松弛实验

实验分2组,即膜部和气管软骨环部,将膜部试样的两端夹在试验机的夹具上,游标卡尺测得夹具间距为100mm,以30%/min应变率增加(30 mm/min)进行拉伸测试,当应变达到 60%时,应力达到3.340 N,保持应变不变,记录应力随时间的变化。记录时间为1200s,计算机0.05 s记录1组数据,绘制应力松弛曲线。将软骨环部的试样以同样的方法和要求夹在夹具上,25%/min应变率增加(25 mm/min)进行拉伸测试,当应变达到60%时,应力达到17.648 N,保持应变不变,记录应力随时间的变化,记录时间为1200s,计算机0.05 s记录1组数据,绘制应力松弛曲线。

2.2 蠕变测试

实验分2组,即膜部和气管软骨环部,将膜部试样的两端夹在试验机的夹具上,游标卡尺测得夹具间距为100 mm,以30%/min应变率增加(30 mm/min)进行拉伸测试,当应力2.5 N,应变达到67.53%时,保持应力不变,记录应变随时间的变化,记录时间为1800s,计算机自动输出数据,绘出蠕变曲线。将气管软骨部试样的两端夹在试验机的夹具上,游标卡尺测得夹具间距为100 mm。以30%/min应变率增加(30 mm/min)进行拉伸测试,当应力20N时,应变达到42.48%时,保持应力不变,记录应变随时间的变化,记录时间为1800s,计算机每0.05 s记录1组数据自动输出,绘出蠕变曲线。

3 结 果

应力松弛实验的曲线呈对数关系下降趋势,当应力、应变达到某一个值时,保持应变不变,应力不断减小,减小到某一个值时,以这个值为渐近线而逐渐恒定。最初的300s曲线下降最快,膜部试样下降约2 N,软骨环试样下降约4N。后来的900s下降较慢,逐渐趋向于平行;蠕变试验的曲线呈指数关系上升,当应力、应变达到某一个值时,保持应力不变,应变还在不断地增加,增加到一个值时,以这个值为渐近线而逐渐恒定。膜部试样曲线最初的300s曲线上升最快,膜部试样上升约2.5%后来的300s上升约为0.4%,后曲线趋向平行;软骨环部试样最初的300s曲线上升最快,约2.9%,后来的300s上升约为0.4%,后曲线趋向平行。

对实验数据取统计学处理,前300s每10s取1组数据,300～800s每50s取 1组数据,后则每100s取1组数据,用MATLAB软件仿真处理实验数据模拟得出应力松弛与蠕变方程。

膜部应力松弛方程:

软骨环部应力松弛方程:

MATLAB软件仿真模拟方程图像。

膜部蠕变方程:

y=70.5604-1.9717×e(-t)软骨环部蠕变方程:

MATLAB软件仿真模拟方程图像。

从拟合方程及图像可知:气管膜部与软骨环的在应变恒定时,应力随时间不断变小,最后趋向于恒定;在应力保持恒定时,应变随时间不断增加,最后趋向于恒定。

4 讨 论

弹性体的特点是其内部任一点、任一时刻的应力,完全取决于当时当地的应变,与应变的历史过程无关。当外力去除后,弹性体将立刻恢复它原先的形状和大小。而黏弹性材料则与此不同,其中任一点、任一时刻的应力状态,不仅取决于当时当地的应变,而且与应变的历史过程有关,即材料是有“记忆”的。黏弹性材料的应变通常由弹性应变、延迟弹性应变、黏性应变叠加形成,与材料的分子和黏性。应力松弛试验和蠕变是研究生物材料黏弹性的重要方法[6]。当黏弹体发生形变时,若使黏弹体应变维持恒定,应力随时间的增加而缓慢减小,这种现象称为应力松弛;若黏弹体维持应力恒定,应变随时间增加而增大的现象称为蠕变[7]。

本研究对经生理盐水充分浸泡的猪气管进行黏弹性测试,得出气管膜部和软骨环部组织的应力松弛与蠕变数据与方程,从方程及其曲线可知气管膜部和软骨环部组织完全符合黏弹性特征,即表明在生理状态下的猪气管组织为黏弹性组织。气管软骨环部与气管膜部在维持应变不变的条件下,达到1200s时软骨环部试样与膜部的应力松弛量分别约为5 N、2.4 N。在应力保持恒定的情况下,气管软骨环部与膜部蠕变量分别约为4%。气管软骨环部与膜部的应力松弛与蠕变是有差异的,可以看出生物组织随其解剖位置和生理作用不同黏弹性力学性质有所不同。组织的拉伸与破裂的原因多种多样,但都与组织所受的各种非生理状态的应力变化有关,还与组织的细胞骨架、细胞内部结构的分布和细胞的运动等因素以及血管壁细胞所含的化学成分中有刺激平滑肌细胞生长因素有关[8]。

气管组织作为黏弹性组织,在受到外力作用时,将在表现为弹性的同时还会表现为黏性,在达到一定的应变后,还会断续伸展或压缩,这一特性有助于气管维持其自身的生理结构与状态而不易破坏,这也将为研究人体气管及人工气管提供实验方法与依据。

[1]Fung Y C,Springer Verlag,Berlin.Biome chanics Mechanical properties of living tissue[J].International Journal of Bio-Medical Computi-ng,1982,13(6):529.

[2]Peteris S,Romans L,Iveta O,et al.Comparison of biomechanical and structural propert-yes between human aortic andpulmonary valve[J].European Journal of Cardio-thoracic Surgery,2004,26(3):634.

[3]Z.Del Prete,S.Antoniucci,A.H.Hoffman,et al.Viscoelastic properties of skin in Mov-13 and Tsk mice[J].Journal of Biomechanics,2004,37(10):1491.

[4]Michael S S,Hirotsugu H,Jeanne M C,et al.In vivo biomechanical assessment of triglycidylamine crosslinked pericardium[J].Biomaterials,2007,28(35):5390.

[5]Satoshi K,Tatsuo N,Yasuhiko,et al.Mechanical properties of artificial tracheas com-posed of a mesh cylinder and a spiral stent[J].Biomaterials,2001,22(23):3085.

[6]Daniel K M,Savio L Y.W,Yoshiyuki T,et al.The effects of refreezing on the viscoel-astic and tensile properties of ligaments[J].Journalof Biomechanics,2006,39(6):1153.

[7]Scott R L,Cameron R B,Robert S S,et al.Viscoelastic properties of the cervical spinalligaments under fast strainrate deformations[J].Acta Biomaterialia,2008,4(1):117.

[8]黄丽红,马洪顺.升主动脉黏弹性实验研究[J].生物医学工程学杂志,2003,20(1):382.