文摘

颅脑损伤是一个损伤生物力学领域的研究焦点。虽然实验的努力取得了某些进展描述的材料行为的大脑,大脑的温度依赖性机制迄今为止似乎是不确定的。部分解决这一知识差距,目前的研究测量了大脑物质行为通过无约束的单轴压缩试验在低应变率(0.0083 s¹)和高应变率(0.83 s¹)在四个不同的样品温度(13°C, 20°C, 27°C,和37°C)。每组有9 ~ 12样本。单向方差分析方法用于研究样品温度工程应力的影响。结果表明,温度对样品的影响脑组织的力学性能是重要的在高应变率下,特别是在低温(13°C),大脑组织硬化的非常明显。在低应变速率,没有大脑力学指出的温度依赖性。因此,当前的结果突出显示,大脑温度的样品应该保障时要按照生活主题研究活体组织的生物力学响应。

1。介绍

颅脑损伤是一种常见的损伤和死亡在交通事故的主要原因1]。马里昂显示84.1%的儿童严重的颅脑外伤的情况下是由道路交通事故和严重的颅脑外伤病例的72.5%成年人也造成交通事故(2]。因此,颅脑损伤一直是研究热点领域的损伤生物力学1,3- - - - - -5]。相比,生物力学实验,可以是几乎不可能的执行由于道德原因或极其困难与技术挑战和巨大的费用6- - - - - -12),有限元模拟方法是一个特别仪器方法来评估生物组织在各种负载条件下的力学响应,并进一步揭示颅脑损伤的机制4,13,14]。然而,有限元模型依赖于准确的biofidelity材料本构参数。因此,研究影响因素具有重要意义的脑组织材料本构参数。

脑组织中含有70%的水分,脂肪10% ~ 12%,蛋白质8%,无机盐、有机物、碳水化合物(15]。其高含水量使脑组织的体积模量几乎等于水的剪切强度较低;大脑组织倾向于剪切变形对体积变化(16,17]。迄今为止,大脑组织的生物力学特性研究了在不同加载模式,如拉伸(11,18,19),压缩10,18,20.,21),剪切12,18),和压痕法5,7]。研究表明,大脑组织是一个媒介展示超弹性(7,10,11,19,20.,22,23),非线性弹性(3),和非线性粘弹性12,18,21]。这些实验数据可以安装的本构模型,通过紧张有关压力的数学表达式的形式由模型相关的材料参数。例如,Budday等人相比,五个常用的本构模型(如新虎克,穆尼Rivlin, Demiray,绅士,和奥格登)和指出,奥格登模型能够更好地代表下脑组织的超弹性拉伸,压缩和剪切条件(12]。

应该指出,有许多因素影响脑组织的机械性能,如解剖位置(12,13,18),加载方向(1,3,13,18),样本年龄(12,13,21)和温度(1,3,4,9,20.]。实验结果得到了不同研究团队有很大的不同。脑组织的机械异质性和测试条件的不一致是很重要的原因不同的实验结果。尽管温度被认为是影响机械性能的重要因素之一的脑组织(1,3,4,20.),发现尚未达成一致。例如,西班牙舞等人对新鲜猪脑组织进行了单轴压缩试验(冠状, )利用分离式霍普金森酒吧。结果表明,当应变为10%,工程应力和切线模量的储存温度37°C的3.5倍和3.2倍比0°C,分别。通过增加应变为70%,工程应力和切线模量的储存温度37°C的2.4倍和2.2倍比0°C,分别为(9]。Hrapko等人研究了剪切力学性能的新鲜猪脑组织(放射冠, )5点温度37°C, 30°C, 23°C, 15°C,和7°C(不是显式声明示例温度或环境温度),表明大脑组织样本的动态剪切模量有很大的温度依赖性和硬化现象增加而降低温度1,3]。相反,拉希德等人表明,没有显著差异无约束压缩工程应力的新鲜猪脑组织样品(冠状, )的温度范围内22°C到37°C (20.]。

上述研究温度对力学性能的影响的脑组织已经达到不一致的结论。这可能是部分相关测试方法和生物力学响应参数。上述研究温度对力学性能的影响脑组织涉及到样品的保存温度、测试环境温度和样品温度。众所周知,较长的保存时间影响大脑组织的生物力学特性(9,24- - - - - -26),因此更多的新鲜样本用于生物力学研究。环境温度会影响样品的温度,这取决于两者之间的温差,样本的大小,和放置时间,样品本身的温度是影响其力学性能的直接因素。因此,本文将研究样本的温度的影响(13°C, 20°C, 27°C,和37°C)脑组织的力学性能在一个不受约束的单轴压缩试验通过控制样品温度和环境温度的一致性。

2。方法

2.1。样品制备

24成人(约8个月)新鲜猪脑组织从屠宰场获得和存储在一个生理盐溶液在4°C。大脑组织被分为两个对称的半球沿着胼胝体手术刀叶片,然后半球被切成使用组合铣刀片大约6毫米厚。圆柱刀盘(铣刀的内径是9毫米)面临的部分(冠状面),一个圆柱形样本约9毫米的直径和高度约6毫米和灰质和白质被切断从前线回来(如图1)[9,20.]。两个样本准备大脑半球和随机分配到低和高速压缩测试。在切割过程中,0.9%的盐水不断喷洒,所有的样品都在6小时内体外测试。

2.2。试验协议

实验设备,如图2。空调系统是打开实验室的环境温度保持在所需的温度进行测试(13°C, 20°C, 27°C,和37°C)。样本和支撑板,英斯特朗5985年被放在一个马(INSTRON Corp .),诺伍德,美国)测试机。样品受到在设定温度2分钟预热治疗使用环境室(美国mts - 651、伊甸草原、锰),和压缩试验后进行样品的温度达到了环境温度。预热磷酸盐(PBS)喷洒在支撑板和压板润滑以减少摩擦的影响的生物力学响应的样本20.]。样本加载在0.02 N正式加载(19,27]。压缩速度分为低速(0.05 mm / s)和高速(5毫米/秒)。相应的应变率0.0083秒¹和0.83年代¹,分别。的压缩率是50%压缩试验的控制。压缩力的实验是由一个力传感器测量(wmc - 1000接口Inc .)、美国)9.8 N和记录的数据采集系统(美国数据转换DT9838)采样频率为1000赫兹。

3所示。结果

在四个不同的压缩测试样品的温度(13°C, 20°C, 27°C,和37°C)两种不同载荷作用下率(0.05毫米/秒和5 mm / s)进行,并且每个样本压缩应变的50%。压缩力的比例参考横截面积的标本被定义为工程压力(20.,28]。一旦压缩试验完成后,所有数据都使用起源软件处理获得工程应力-应变曲线在两个应变率和特定的温度,和一般的工程应力应变曲线和标准偏差曲线计算使用线性插值方法(29日,30.),如图3和4。平均工程应力-应变曲线与温度对应的两种不同应变率下的四个样品图所示5。在低应变速率条件下,样品温度对工程应力-应变曲线的影响并不明显。在高应变速率条件下,工程应力-应变曲线在20°C, 27°C,和37°C没有显著不同,工程13°C压力明显高于其他三个样品。

为了研究温度对样品的影响样品的力学性能,相应的工程应力应变为50%时的样本进行了分析。结果如表所示1。当应变速率为0.0083 s¹工程应力 kPa, kPa, kPa, kPa 13°C, 20°C, 27°C,分别和37°C。应变速率为0.83 s¹工程应力应变下的0.5 kPa 13°C, kPa 20°C, kPa 27°C kPa在37°C。

温度对工程的影响,应力在两个应变率调查使用单向方差分析。在低速压缩条件下,温度对工程应力的影响不显著( )。然而,在高速压缩条件下,工程压力(温度有很大的影响 )。工程应力之间的不同样品在不同温度下进一步研究通过使用多个对比组,如图6。在低应变率(0.0083 s¹),工程应力逐渐降低随着温度的增加,但是组之间的差异没有统计学意义( )。在高应变率(0.83 s¹),标本13°C的工程应力显著不同的标本20°C ( ),27°C ( ),和37°C ( ),也没有统计上的显著差异在工程样品在20°C之间的压力,27°C, 37°C ( )。

4所示。讨论

本文未压缩的单轴压缩试验在不同加载率(0.05毫米/秒和5 mm / s)被用来研究脑组织的压缩力学性能在不同样本温度(13°C, 20°C, 27°C,和37°C)。样品温度对压缩性能的影响在高应变率条件下的脑组织是显而易见的,尤其是当样品温度是13°C,脑组织的硬化现象是明显的(如图5)。单向方差分析还表明,样品的温度有显著影响的工程应力在高应变率( )。因此,大脑组织样本的温度应符合体内状态研究旨在探索活组织的生物力学测试。

这项研究的结果还显示,没有显著差异的工程应力脑组织样品温度的20-37°C无论低应变率(0.0083秒¹)和高应变率(0.83 s¹)( ~ 0.961)。拉希德等人也进行了一个不受约束的单轴压缩试验的脑组织动力学火车30至50年代¹22°C和37°C和指出,22°C和37°C,没有统计上的显著差异在脑组织的工程压力( ~ 0.929)。在这项研究中,20°C和37°C之间,一群27°C大脑样本补充道,和准静态加载速率延伸,进一步说明没有显著差异的工程应力脑组织样品温度范围内20 ~ 37°C。这是符合拉希德的结果等。20.]。因此,从实验中获得的大脑组织的力学性能进行了室温下的文献仍然可以小心使用。

Hrapko等人分析了剪切力学性能的新鲜猪脑样品在不同温度下的37°C, 30°C, 23°C, 15°C,和7°C的应变率¹。结果表明,大脑组织的动态剪切模量显然是与温度有关的和硬化反应明显增加与温度的降低1,3]。在这项研究中,当样品温度是13°C,工程压力显著增加( )温度的降低高应变率条件下,由Hrapko与获得的结果相一致等。

本研究的实验结果也表明,样品温度没有明显影响脑组织的压缩响应在低应变速率,但它在高应变率有显著的影响。因此,应变速率的影响也可能发挥作用在样品温度对脑组织的机械性能,有必要进一步研究它在未来。

在这项研究中,脑组织的工程应力是用于分析样品温度的影响。在有限元模型中,大脑组织的生物力学特性可以通过各种材料本构模型和相应的特征参数。因此,它更有意义探索温度对材料的本构参数的影响。

5。结论

因为样品温度受环境温度的影响,更有价值的探索大脑组织的力学性能在样品的温度。在这项研究中,81个样本是由24个猪脑,随机分为8组。样品温度的影响(13°C, 20°C, 27°C,和37°C)的单轴压缩力学性能下脑组织低(0.05 mm / s)、高(5 mm / s)加载率进行了研究,分别。与样品的温度的降低,脑组织的工程压力逐渐增加。单向方差分析的结果表明,样品温度对力学性能的影响脑组织无统计学意义( )在低应变速率。在高应变率、温度对样品的影响脑组织的力学性能是重要的( )。当样品温度的范围27-37°C,脑组织的生物力学响应的差异并不明显。当样品温度低于14°C,大脑组织在高应变率出现明显的硬化。因此,有必要控制样品温度在大脑组织测试,以获得准确的大脑组织生物力学响应,特别是在高应变率条件下。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现尚未提供,因为数据也形成一个正在进行的研究的一部分。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由湖南省自然科学基金(2019 jj50721和2019 jj40034)。