山羊蹄灯泡组织的缓冲机制

文摘

白山羊的蹄子灯泡部分通过扫描电子显微镜观察和立体显微镜,以探索中的缓冲机制灯泡组织微观结构的有蹄动物的伤害。活着的灯泡由多层组织,包括表皮层,皮肤层,从外到内和皮下组织。仿生模型基于蹄灯泡组织复合结构是建立正常模型的控制。灯泡的微观力学组织通过有限元方法进行了分析。模拟表明,当仿生模型是影响顶板1 - 10 m / s的速度,压力集中在表皮层和均匀分布在皮肤层和真皮乳头,这有效地减少了影响到了地上。cornified表皮层可以抵御即时影响到了地上,而植入皮肤的真皮乳头层可以存储、释放,和冲动的能量消散,三个部分synergically法案的缓冲。

1。介绍

动物的脚由大量的骨头,肌肉、韧带、关节的负重和运动的重要组成部分。脚主要函数作为缓冲和支持并展示独特的功能和特点在动物的活动由于特殊的组织结构和生物力学性质(1]。

在移动过程中,脚是动物唯一的部分与地面接触,而且由于力量的突然变化联系,即时力是几倍的重量(2,3]。海浪冲击引起的地面传输反应从脚到四肢和躯干,然后通过骨干到大脑。在自然环境中,这些动物通常经历很多凹凸不平的地面,产生很大影响的动物的尸体。特别大的影响就会严重损害动物的身体和大脑4]。这些动物适应不均匀地面的原因是主要的保护脚的结构。

脚垫和爪子是一个伟大的设计的本质和脚的保护和轴承结构。骆驼的脚就像轮胎充满脂质(5]。骆驼由几层的鞋垫,包括唯一(cornified垫),常见的覆盖物,数字坐垫,和黄色的床上6]。广泛和脂肪垫连接脚趾防止骆驼陷入疏松砂岩,并允许他们在沙漠走或跑个不停(2]。他们独特的四肢让非洲象陆地生物能够支持最重的重量。除了其他形态特征,非洲大象的脚配有大型垫,可以忍受,商店,或吸收机械力和力分配至关重要7]。非洲象的脚垫是主要由片状或这种纤维结缔组织,形成掌骨之间差距太大,跖骨骨头,和趾骨,充满了脂肪组织和差距,和脚垫的内部由胶原蛋白和网络式弹性纤维(8]。组织学上,爪子和脚垫由柔软的蜂窝似的身体由分区或关闭collagen-strengthened弹性隔膜和充满了脂肪(脂肪组织)细胞(2,9,10]。脚垫是优秀的负重biostructures和依赖于封闭细胞充满液体或脂质组织缓冲大变形。在变形过程中,结构响应的非线性(11]。在过去的几十年里,许多生物力学研究已经开展了关于动物的爪子和脚垫,但集中在力学性能。尤其是有蹄动物,许多研究都集中在物质结构、机械性能和摩擦性能的马的蹄(12- - - - - -14]。

马的蹄墙组合结构和功能之间的关系通过形态学研究和机械研究[15,16]。形态学研究显示,大小、形状和螺旋中间丝马蹄壁可以指导蹄壁裂缝的发展方向,以抑制进口和向上的裂纹扩展机制(17- - - - - -19]。

白山羊,山羊也被称为国内,是最大量和广泛分布。与较强的适应能力和生存能力,他们可以在严酷的悬崖下生存的条件。生活环境使白山羊非常敏捷和强大。在觅食过程中,他们必须飞跃悬崖。为了避免追逐的天敌,它们必须快速,不断从几十米高跳下来。山羊和蓝色的羊是偶蹄类动物,蹄扮演重要角色的运动(20.]。山羊有一个粗略的柔软和灵活的五趾蹄垫在下面,这是一个减震器也生成一个摩擦力由于其纹理(21]。活着的屁股是宽,约球,和外部的脚趾高于内部,这样可以巩固土壤蹄(以下22]。所有这些行动不能由其他动物相似的身体形态。在这项研究中针对白山羊,未经加工的蹄灯泡组织扫描电镜(SEM)下观察。然后,灯泡组织染色,显微镜下组织学检查测试。最后,灯泡组织微观结构的生物力学功能模拟的有限元方法(FEM),和蹄灯泡的缓冲机制组织了。

2。材料和方法

2.1。道德宣言

这项研究审查委员会批准吉林大学(中国长春)。

总共6个成人和健康的白山羊不限制性别( )从一个农民买了长春郊区地区。山羊被麻醉,通过颈动脉出血死亡。从4的山羊、收集和肉蹄蹄胶囊。然后,灯泡1厘米的组织³被切断(图1为1周)和固定在4%多聚甲醛。之后,灯泡组织被投入一个软化的解决方案(75毫升的60%乙醇和25毫升的甘油)1月。软球组织在乙醇梯度脱水,然后在二甲苯溶液治疗直到透明度,沉浸在蜡,嵌入在一个MNT cool-hot嵌入(呼吸、德国)石蜡散货。散货是减少CUT5062段设备(呼吸)连续组织切片(5μ米),然后蔓延在40°C,水浴进发,烤烘焙机。染色后hematoxylin-eosin(他)、Weigert-VG Sacpic,片正上方荧光显微镜下观察(Axio成像仪A2,蔡司)。

从剩下的2山羊蹄被切断,蹄胶囊,可以很容易被污染的表面上,进行预处理。活着胶囊是先用去离子水清洗,然后dust-removed,自然干,与丙酮和无水乙醇清洗,去除表面油污和其他污染物。之后,蹄解剖获得蹄胶囊,使用清洁和冷冻。完整的蹄胶囊被从冰箱,解冻和软化后,用干净的水清洗和擦干毛巾。然后,用解剖刀蹄胶囊被切断。部分约5毫米宽,高5毫米,壁厚和灯泡是提取并放入玻璃幻灯片,这是自然干燥阴凉的地方。之后,通过电镀附着力的部分被困到一个示例表,这是放置在真空镀膜设备对黄金喷洒了30年代,紧随其后的是一个EVO 18扫描电子显微镜下观察(SEM,卡尔蔡司显微镜GmbH,耶拿,德国)。

2.2。显微观察

2.2.1。扫描电镜

蹄球组织和扫描电镜观察。微观结构(图2(一个))表明,纵向的蹄灯泡组织可分为两层。上层由许多蜂窝似的斜细管结构。如图3,管的参数测量和评估,这将是在模拟中使用。管分离的距离140 - 250μm(图3(一个)),直径是80 - 110μm(图3 (b)),夹角约为57°(图3 (c)),层厚度约1.3毫米(图3 (d))。

表皮层完全cornified(非常困难和角质层与地面接触(连同钉子),和相对平稳,甚至cornified表皮生长在一个级联方式,包含裂缝。层排列在平行和厚度紧密相连(cornified表皮层图2 (d)从组织结构表)叠加。没有缺陷或漏洞被发现(图2 (d))。

2.2.2。组织学检查

立体显微镜显示,白色的山羊的蹄子灯泡组织从上到分为表皮层(①),皮肤层(②),真皮乳头状突起(④),和皮下结缔组织(③)(图4 (b))。表皮层完全角质化的(图4 (c)),增厚的蹄下。这种结构有助于保护活着胶囊和避免微生物入侵,当从环境加剧磨损,可以有效地减少受伤蹄(23]。丰富的脂肪小叶在灯泡组织被发现,和每个小叶含有大量脂肪细胞主要是由松散的结缔组织包围和含有丰富的胶原纤维,弹性纤维,动静脉吻合(图4(一))。

2.3。有限元法(FEM)的建模和仿真

基于蹄灯泡组织微观结构的有限元模型是建立和使用研究这种复合结构的生物力学功能。复合组织建立了仿生模型以1/250蹄灯泡组织为原型。这种仿生模型由三部分组成:立方体内斜细管,倾斜油缸,和立方体弧表面,皮肤层(图表示5 (b)),真皮乳头(图5 (c)(图),表皮层5 (d)),分别。真皮乳头模型,管空间设置为160μ米,直径80毫米,倾斜角度50°,层厚度为1.3毫米。一个矩形板连接到顶部的仿生模型和被称为顶板(①)(图5(一个)),它代表了山羊身体质量和速度。在模拟过程中,顶板作为动态体诱导碰撞模型,模拟实际的事故来自山羊身体山羊蹄。另一个矩形板的下部固定在仿生模型来模拟硬底(②)(图5(一个))。一个3 d模型涉及的所有层仿生模型是建立和地面上的有限元软件有限元分析。通过动态仿真和有限元分析,分析白山羊的散步或跑步是模拟的过程,以及蹄胶囊灯泡接触地面。生物软组织通常表现为不均匀,各向异性,pseudoincompressible, nonlinear-plastic-viscoelastic材料(24]。为了简化复杂模型,研究人员理想化的脚底部组织均匀和各向同性线弹性材料(25]。蹄灯泡的不同部分的材料性质组织以及有限元分裂的元素(26- - - - - -28)如表所示1。正常模型的材料属性如表所示2。有限元的网格大小设置为0.02毫米。

当物体的质量或尺寸不同,对象与接触表面面积比小质量由脉冲压力的影响较小,因为当对象崩溃对地面速度相同的条件下,上述结论将通过以下公式:

的公式,代表了初始速度对板和顶部是时候从一开始顶板事故的速度为零。顶板的质量,代表模型的脉冲在顶板的崩溃。具有相同的初始速度,通常,我们考虑 随着仿生模型和正常模型之间的常数。质量越小,接触表面面积比( )是,冲动的压力越小是多少。一小部分的仿生模型模拟真实的蹄灯泡组织,顶板的质量要小得多比实际的山羊体重。根据公式(2),当越小,压力小,仿真比较结果不够明显。提高仿真准确性的实际情况,我们设置了初始速度顶板的有限元模拟为1 - 10 m / s,这是比山羊的脚接触到地面时的速度;一只山羊的实际崩溃速度约为0.69 m / s - 0.9 m / s根据我们实验高速摄影视频。这使得模拟结果更加明显。如图6首先发生在顶板压力,这表明,顶板移动板块。

研究山羊蹄灯泡的缓冲机制,一个普通的模型需要除了仿生模型。在正常模式下,真皮乳头和皮肤层被认为是作为一个身体,因此,该模型只包括两层,包括皮肤层和表皮层(图5 (e))。为仿生模型和正常模型,弹性模量、泊松比、密度不同层之间的不同,但这些模型都是由均匀、各向同性、线弹性材料。在这两个模型中,相同的初始速度和约束被加载,然后输出比较。

3所示。有限元结果与分析

山羊蹄灯泡接触地面的过程在有限元分析模拟。如图6在模拟过程中,瞬时初始速度对顶板首先。然后,顶板将能量转移到模拟模型。压力首先发生在顶板上。通过正在进行的模拟过程,模拟模型的其他部分会有压力和染色顶板的影响,对应。所以,顶板的应力将会改变不断在整个模拟(图6)。仿生模型和正常模型分别固定在支撑板在地面上,和上面的盘子被分配的初始冲击速度1 - 10 m / s,和模型输出的影响力量在支撑板(地面反应),皮肤层的上表面的位移和内部应力的模型(图6)。

3.1。地面反应

在山羊的运动过程中,反应蹄灯泡接触地面时的一个重要指标来衡量蹄灯泡组织的生物力学性能。在反应时间曲线(图所示7(一)),两个模型的支撑板的反应随时间变化在一个典型的单峰值模式,表明地面影响在蹄灯泡之间的联系,和地面的影响逐渐加强,然后削弱。仿生模型的地面接触时间超过正常的模型( vs。 ),和峰值的比值反应正常模型的仿生模型为0.85 (0.072 vs 0.084 N)。随着加载速度上面板块上涨,峰值反应的两个模型线性增加和增加率是更大的在正常模式(图7 (b))。随着加载速度上面板块从1到10 m / s,峰值反应的比例从仿生模型正常模型从0.85下降到0.62,而改变率降低了(图7 (c))。

3.2。上表面的位移

山羊蹄灯泡皮下组织富含脂肪组织和弹性组织,这在很大程度上减少与地面接触时的压力,可以分散各种外部力量强加在蹄行走过程中。蹄变形的灯泡是另一个蹄灯泡组织的生物力学性能的关键指标。在有限元分析中,由于模型的体积变化率可以不计算,上表面的位移被用来描述变形的蹄灯泡组织。

当加载速率在顶部板是5米/秒,最大位移的上表面仿生模型和正常模型是0.36和0.30毫米,分别单峰值的位移时间曲线都是典型的模式。在早期阶段,在影响到支撑板( ,两个模型的位移几乎是相同的,但随着时间的延长,两个模型之间的差异位移逐渐增大,最后稳定在0.09毫米(图8(一个))。随着顶板上的加载速度的增加,两种模型的最大位移增加,两种模型的区别是不变。

3.3。在表皮层内部应力分布模型

因为只有表皮层完全相同的两个模型,当地面反应在与地面接触最大化,中心轴上的应力大小和分布的表皮层两个两个模型之间的不同。沿中心轴的表皮层,17个网格节点都从上到提取压力(图9(一个))。

显然,最大化地反应时,应力集中在表皮层,它主要发生在表皮层(图的下方9(一个))。在影响到了地上,地上反应最大化时,表皮层从下到上的压力前先增加然后减少在两个模型(数据9(一个)- - - - - -9 (c))。加载速度1 m / s时,两个模型的stress-node曲线几乎重叠,压力从1.5增加到2.755,然后慢慢下降到0.25 MPa,表明在低速冲击,压力大小和分布在表皮层之间都是相同的两个模型(图9 (b))。加载速度是10 m / s时,正常模型的压力从2.5上升到7.5,然后拒绝5.5 MPa,仿生模型,首先从2.25增加到5.25,然后缓慢下降到2.5 MPa,表明应力分布在表皮层之间都是相同的两个模型(图9 (c))。随着加载速度上涨,压力较低的两个模型之间的部分都是相同的,但在上层节点,压力模型之间的差异被放大(数字9 (b)和9 (c))。随着加载速度上面板块从1到10 m / s,表皮从仿生模型应力峰值的比值正常模型从1.0增加到1.45(图9 (d))。

3.4。压力分布在仿生模型

山羊蹄灯泡组织由真皮乳头,皮肤层,表皮层。表皮层完全cornified加厚的蹄底部和主要功能。当环境磨损加剧,表皮层可以有效地减少伤害蹄。真皮乳头表皮和真皮之间的连接区域放大,导致该公司这两个之间的联系。

与有限元法、蹄灯泡的过程中影响地面模拟。真皮乳头的峰值应力和应力云图,皮肤层,表皮层在不同冲击速度(图中发现10)。

地面反应达到高峰时,内部压力分布在真皮乳头的皮肤层仿生模型都是统一的(数字10(一)和10(b))。当顶板上的加载速度从1到10 m / s,峰值应力增加从0.038到0.474 MPa在真皮乳头,从0.29到2.58 MPa在皮肤层,从2.66到5.6 MPa在表皮层。随着加载速率的增加,内部的变化速率峰值应力的真皮乳头仿生模型不变,真皮层中逐渐增加,但在表皮层逐渐下降。

4所示。讨论

SEM和组织学观察显示山羊蹄灯泡组织主要由表皮层、一层真皮和皮下结缔组织。表皮层是完全cornified和最难的部分组织和主要功能加厚蹄蹄灯泡底部和直接与地面接触。在运动期间,蹄和地面之间的影响加剧,环境穿加剧,蹄的伤害可以有效地降低了。皮肤层富含脂肪组织和弹性纤维,这很大程度上减少与地面接触时的压力,可以分散的各种外部力量强加到蹄在行走过程中,从而防止损坏蹄至关重要。真皮乳头表皮和真皮之间的连接区域放大,导致该公司这两个之间的联系。定期埋在皮肤真皮乳头层在57°倾斜角度,和蹄灯泡的真皮乳头组织更长、更有规律地分布比皮肤。

有限元分析表明,基于皮肤层微观结构的仿生模型可以减少地面反应,这种能力在一定范围内逐渐加强的增量加载速度。这是因为表皮层,皮肤层和真皮乳头是不同的在结构和材料特性,可以实现协同行动削弱地面的影响。在碰撞过程中,表皮层经历了小变形和内部应力集中,因此进行了很大一部分的影响。皮肤层很软,可以吸收产生的冲力很大的变形。真皮乳头定期安排50°倾角的非常柔软,可以有效地减少从表皮层的转移影响皮肤层也分散在皮肤层的影响,避免了应力集中,从而防止皮肤层遭到破坏。基于足垫属性研究其他动物,像猫的爪子,对地面的影响通常是减少脂肪的材料特性(29日,30.),而山羊蹄的缓冲机制是由复合结构和斜孔,不仅材料。这种复合结构洞可以产生更明显的缓冲能力的耦合方法(多层结构和孔结构)。根据一些研究马的蹄,小管也存在内在的蹄壁。小管的夹角是左派和右派之间不同的脚,从86.47°到104.85°安排;小管间距范围从0.36到0.53毫米;和直径约为0.2毫米31日,32]。山羊蹄内壁的夹角约为57°,这是比马小。和山羊蹄壁管分离的距离0.14 mm - 0.25 mm和0.08 - -0.11毫米直径;分开的距离和直径都小于马。我们考虑到相关的区别是不同生活环境的山羊和马:马通常运行在草原和崩溃活着的条件是土壤,而对于山羊,碰撞条件通常是岩石,比土壤,这山羊蹄可能需要更多的缓冲能力,和山羊蹄有更好的缓冲能力比马的蹄的结果从不同的小管的倾斜角度、密度和直径。

随着碰撞速度的增加,蹄灯泡的三层结构组织表现出不同的生物力学特征。随着速度上涨,影响到灯泡相应组织进一步加强,但表皮层的内部应力峰值,皮肤层和真皮乳头以不同的速率增加。内部峰值应力的增加率下降在表皮层,在皮肤层,在真皮乳头持平。它表明,特殊的微观结构层可以自动调整影响吸收比率在不同的层在不同地面的影响。在低速碰撞中,蹄灯泡受到低地面的影响;表皮层包括表皮层足够厚而硬,所以它可以承受的压力,保护内部的一部分蹄不受损坏。因此,表皮层进行大部分的影响。随着碰撞速度的增加,碰撞和表皮层与地面之间的摩擦加剧,这将进一步损害表皮层,表皮层遭受较小部分的影响(如图10(c))来保护自己不受损坏。它表明当蹄和地面之间的影响加剧,环境穿加剧,蹄的伤害可以有效地减少由于降低表皮层的破坏。这个特殊的微观结构具有良好的缓冲能力,有效减少地面影响到主干和防止动物被受到高强度的运动,比如跑步和跳远。

4.1。研究的局限性

根据有限元模拟的结果,该研究强调山羊蹄灯泡的缓冲机制建立组织结构和模型有三个结构具有不同的材料属性。但是每个仿生结构的材料是均匀和各向同性线弹性材料。压力分布可能不同与非均匀模型相比,各向异性,pseudoincompressible nonlinear-plastic-viscoelastic材料。模型在这项研究只讨论了均匀和各向同性线弹性材料模型的结果。进一步,我们可以研究非均匀、各向异性、pseudoincompressible, nonlinear-plastic-viscoelastic材料模型。基于综合考虑,在这篇文章中,有限元模型的大小被设置为0.02毫米调查模型的缓冲能力。然而,收敛可能成为不同的有限元模型的大小是否变化。在未来的研究中,我们将设计不同的有限元网格大小模型并分析不同类型的收敛。考虑到模拟的局限性,我们将设计根据设计模型和物理模型实现实物实验,验证模拟结果通过比较实物实验。

5。结论

SEM和组织学观察表明,山羊蹄灯泡组织主要由表皮层、一层真皮和皮下组织。皮肤层包含许多蜂窝似的斜细管,和柱状真皮乳头都埋在里面。full-cornified表皮层位于较低的部分皮肤层和生长在一个像,甚至相对光滑。表皮层、皮肤层和真皮乳头行为协同优秀的缓冲能力。表皮层、皮肤层和真皮乳头的复合结构可以自动调整影响吸收层之间的比率在地面的影响。根据仿真结果,缓冲容量增加随着撞击速度的增加。碰撞速度增加时,内部的峰值应力变化速率的不同组件之间的仿生模型;内部的变化速率峰值应力在真皮乳头不变,逐渐增加真皮层中,但在表皮层逐渐下降。山羊蹄灯泡组织的生物力学研究特征显示机械作用的特殊蹄微结构有蹄动物和为缓冲垫的设计提供了新线索。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者欣然承认的支持中国的国家自然科学基金(批准号。91748211,51305157),13日五年的项目共同技术(批准号41412040101)。

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