大鼠颅骨生物力学参数的影响因素*

李曼， 李明杰， 李俊豪， 马雨晗， 姜倩， 蒋婷珍， 陈东东， 夏冰*， 汪家文*

(1.贵州医科大学 法医学院， 贵州 贵阳 550004； 2.广西医科大学第一附属医院 病理科， 广西 南宁 530021)

颅骨由多块形状不一、大小不等的扁骨和不规则骨组成，起着保护和支持大脑、小脑及脑干等生命中枢的作用[1]。创伤性脑损伤(traumatic brain injury，TBI)是法医病理学最常见的机械性损伤之一，在暴力性死亡中占首要位置[2]。为了更好地理解TBI的机制，目前已有较多研究开发了包含详细人体头部解剖特征的头颅有限元模型，以研究多种载荷条件下的颅脑内部动态响应机制，取得了较好的效果[3-8]。然而，这些模型的仿真度在很大程度上取决于模拟生物组织的材料参数的准确性，但是由于世俗伦理道德的限制，头颅材料力学参数检测至今仍很缺乏，颅脑有限元模型依然不够精准[8]。因此，有必要对外力作用下颅脑组织的本构行为进行更为系统的研究。已有报道，不同年龄人群颅骨材料属性和力学参数存在差异[9-10]，但是，关于不同温度、不同性别和不同压缩速率对材料力学参数的影响研究较少[11-12]，相关影响及机制仍有待于进一步深入研究。为此，本研究选取实验大鼠头颅为研究对象，采用电子万能材料试验机对大鼠头颅进行准静态压缩试验，检测不同温度、性别及压缩速率下大鼠颅骨的极限载荷(ultimate load)、压缩强度(compressive strength)及压缩模量(modulus of compressibility)3个生物力学参数，探讨影响大鼠颅骨生物力学参数检测的因素，为深入研究颅骨材料生物力学参数以及建立更为精准的头颅有限元模型提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1实验动物及分组 健康3月龄Sprague Dawley(SD)大鼠54只，雄性48只、雌性6只，体质量(280±20)g，由学校实验动物中心提供[动物合格证号SCXK(黔)2018-0001]。本研究经学校动物实验伦理委员会批准(1901050)，实验严格按照动物伦理要求进行。

1.1.2主要试剂和仪器 10%水合氯醛溶液(天津科密欧化学试剂有限公司)、牙托粉(上海宗信牙科有限公司)、冷柜(星星牌，星星集团有限公司)、智能人工气候箱(上海比朗仪器制造有限公司)及电子万能材料试验机(KDⅡ-0.2型，深圳市凯强利试验仪器有限公司)。

1.2 方法

1.2.1动物分组及头颅压缩模型制作 健康SD大鼠按温度、性别及压缩速率不同，24只雄性大鼠均分为-4、4、25及65 ℃温度组，12只大鼠(雄雌性各半)均分为雄性组和雌性组，18只雄性大鼠均分为1、5及10 mm/min压缩速率组。10%水合氯醛溶液按1.0 mL/100 g腹腔注射、麻醉处死所有大鼠，从颈部将大鼠头颅和躯体分离；去除颅盖骨上方的头皮组织，充分暴露颅骨；将大鼠头颅固定在牙托粉模具上以防止实验中头颅滑脱，模具凝固冷却至室温，大鼠头颅模型制备完成。温度差异实验按设定温度-4、4、25 及65 ℃将头颅材料及牙托粉模具放入冰柜或智能人工气候箱，3 h后取出立即检测；性别差异实验和压缩速率差异实验各组头颅模型均在常温条件下保存，模型制作完成后2 h内完成所有生物力学参数检测。

1.2.2生物力学参数检测试验 将头颅模型置于电子万能材料试验机承重底座上，调节直径3.0 mm圆柱形压具接触面高度至刚好接触大鼠右侧颅顶骨中部。预调3次达到稳定状态后采用纵向压缩法进行压缩试验(图1)。加载参数设置：温度和性别差异实验试验速度v=5 mm/min，压缩速率差异实验试验速度分别为v=1、5 及10 mm/min，预加载力0.5 N，停机条件为压缩位移达5.0 mm(预实验证实未接触颅底)。实验结束后安装于配套计算机上的电子万能材料试验机软件自动计算输出极限载荷(检测试样在外载荷作用下使样品整体或某一局部的全层均由弹性状态进入塑性状态时所对应的载荷)、压缩强度(在压缩试验中，试样被压缩至破裂或产生屈服时所承受的最大应力)、压缩模量(在完全侧限条件下竖向附加应力与相应竖向应变之间的比值)等参数。

图1 颅骨单向纵轴压缩试验示意图Fig.1 Schematic diagram of skull compression test

1.3 统计学分析

2 结果

2.1 温度

不同温度组大鼠颅骨的极限载荷、压缩强度及压缩模量参数比较，总差异均有统计学意义(F极限载荷=16.986、F压缩强度=16.996、F压缩模量=25.049，P<0.05)，进一步两两比较显示，4 ℃组、25 ℃组及65 ℃组大鼠颅骨的极限载荷、压缩强度和压缩模量参数均值分别与-4 ℃组比较、差异均有统计学意义(P<0.05)；4 ℃组和65 ℃组大鼠颅骨的极限载荷、压缩强度参数均值比较差异有统计学意义(P<0.05)，其余各温度组组间比较、差异均无统计学意义(P>0.05)。见图2。

注：(1) 与-4 ℃组比较，P<0.05，(2) 与4 ℃组比较，P<0.05。图2 不同温度组大鼠颅骨生物力学参数的比较Fig.2 Comparison of biomechanical parameters of rat skulls in different temperature groups

2.2 性别

雄性组大鼠的极限载荷、压缩强度参数均值分别高于雌性组，差异均有统计学意义(t极限载荷=2.640、t压缩强度=2.638，P<0.05)；2组大鼠颅骨压缩模量组间差异无统计学意义(t=-1.673，P>0.05)。见图3。

注：(1) 与雄性组比较，P<0.05。图3 不同性别组大鼠颅骨生物力学参数的比较Fig.3 Comparison of biomechanical parameters of rat skulls in different gender groups

2.3 压缩速率

不同压缩速率组大鼠颅骨的极限载荷和压缩强度参数比较差异均有统计学意义(P<0.05)，但压缩模量参数比较差异无统计学意义(P>0.05)；10 mm/min组大鼠颅骨极限载荷和压缩强度参数分别高于1 mm/min组，差异均有统计学意义(P<0.05)，其余速率组间的差异均无统计学意义(P>0.05)。见图4。

注：(1) 与1 mm/min速率组比较，P<0.05。图4 不同压缩速率组大鼠颅骨生物力学参数的变化Fig.4 Changes in biomechanical parameters of rat skulls in different compression rate groups

3 讨论

颅骨材料参数检测是人体生物力学研究领域之一，与颅骨的受力、损伤与功能重建密切相关，对颅脑有限元建模及其虚拟损伤仿真实验具有重要的支撑作用[13]。研究表明，准静态三点弯曲试验方法可以检测出人体颅骨的载荷、形变等材料参数，并得到载荷-变形曲线、极限弯曲强度等试验结果，使用这种试验方法可以有针对性地开展特定加载条件下的颅骨材料参数及损伤响应检测[13-15]。颅骨压缩、拉伸及三点弯曲方面的文献报道已有不少，但结果存在较大差异，其原因与检测条件的不一致有关[13,16]。研究表明，测试样本的状态(新鲜、防腐保存)、测试方式(拉伸、压缩及弯曲)及测试速率(动态、准静态)等均可影响材料参数的检测[17-18]。准静态压缩测试速率、温度及年龄是否对颅骨的材料参数存在影响，少见相关报道。

颅骨类似于“三明治”结构，由外板、板障及内板组成，其成分包含有机物质、矿物质及水分[19]。研究表明，活体大白兔股骨组织内部产生的热应力随温度升高而逐渐增大，当温度达到42 ℃时应力出现最大值，随后随着温度的升高，应力值逐渐减小；温度较高区域，软质骨呈减少趋势，而密质骨和硬质骨的体积增加[19]。温度的改变是否可通过改变离体颅骨骨骼特性进而影响其材料参数，目前未见相关报道。本研究发现，-4 ℃组大鼠颅骨的极限载荷、压缩强度及压缩模量均高于4、25 及65 ℃组，而4 ℃组高于25和65 ℃组，提示随着温度升高，颅骨的生物力学极限载荷、压缩强度和压缩模量存在降低趋势。Hrapko等[20]检测了温度为7、15、23、30 及37 ℃时新鲜家猪大脑组织的剪切力学性能，发现组织生物力学性能与温度呈负相关，即温度越低组织生物力学参数越大，虽然所检测组织不同，但其结果与本研究存在一致性。本研究与田伟等[19]的研究结果存在差异，但其所研究的为大白兔股骨埋沙治疗后热应力随温度升高的变化，而本文研究的是大鼠颅骨压缩实验极限载荷、压缩强度和压缩模量随温度升高的变化。本研究发现25和65 ℃组3个生物力学参数差异均无统计学意义(P>0.05)，提示上述3个参数随温度升高而降低可能存在一个临界值，当超过该温度值后则力学参数趋于平稳[21]。

现有研究表明，生物组织材料参数存在性别差异，如王晓雁[22]研究发现同年龄组雄性大鼠皮肤、肌肉软组织应力、应变均大于雌性；史念珂等[23]的研究结果表明，雌性大鼠股骨压缩模量、弯曲刚性系数及弯曲韧性系数均低于雄性。大鼠颅盖骨是一种骨密度较高的具有独特结构的硬组织[24]。本研究发现同年龄组雄性大鼠颅骨的极限载荷、压缩强度参数均高于雌性，可能与雄性与雌性大鼠颅骨自身结构的差异相关。据报道，一般男性的骨骼比同年龄的女性骨骼, 其大小、长度、厚度、重量、突起、结节及隆线等均为强大，男性颅骨骨质粗壮，骨板较厚，而女性颅骨骨面细致，骨板较薄[25]；此外，大鼠颅骨厚度存在类似的性别差异[23]。Kiadaliri等[ 24]的研究结果显示，日常生活中，女性受同等外界机械性暴力情况下较男性更易发生损伤和骨折，与本研究结论相符。本研究发现雄性大鼠颅骨的压缩模量低于雌性，但差异无统计学意义(P>0.05)。

经对相同年龄段、相同性别大鼠的颅骨进行不同速率的压缩试验，发现随着压缩速率的增大，极限载荷、压缩强度和压缩模量参数均逐渐增大，并且发现10 mm/min高压缩速率与1 mm/min低压缩速率结果比较差异统计学意义(P<0.05)，且大鼠颅骨的各生物力学参数具有明显的随着压缩速率增大而增大的变化趋势。该研究结果还进一步证明了常规生物力学实验时，选择1～5 mm /min范围内的压缩速率对实验结果不产生影响，综合考虑选用5 mm/min速率最佳[ 26-27]。此外，在选择压缩速率前，通常需要对试件进行预调以获得可重复的机械响应，即在试验开始时多次加载-卸载试件，以达到生物力学性能稳态，通常在预调3～10次后达到可重复性状态。

综上所述，本研究以大鼠颅骨为研究对象，检测并分析不同温度、性别及压缩速率条件对大鼠颅骨的极限载荷、压缩强度及压缩模量生物力学参数结果的影响，探讨了大鼠颅骨材料生物力学的影响因素，为选取最佳的颅骨生物力学实验条件奠定基础，也为颅脑损伤的法医学研究提供数据支撑[28]，同时为涉及颅骨材料生物力学或大鼠头颅有限元模型研究提供参考依据[ 5，29]。