鼻部軟骨彈性模量的測定

董雷 王盛章 宋建星

鼻部的軟骨主要包括大翼軟骨、側鼻軟骨和鼻中隔軟骨，是鼻部的主要力學結構。本研究測量上述鼻軟骨的彈性模量，經統(tǒng)計分析獲得較為準確的鼻部軟骨結構力學性質的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，為進一步運用生物力學方法分析鼻及相關畸形提供數(shù)據(jù)基礎。

鼻部結構的生物力學性質的主要指標為彈性模量和泊松比。彈性模量(Elastic Modulus，EM)是材料發(fā)生應力-應變過程中的比例常數(shù)，用以說明不同組織對變形的抵抗能力，彈性模量越高，產生一定應變所需的力越大，組織抵抗變形的能力越大。泊松比(Poisson's ratio)是在材料的比例極限內，橫向應變與縱向應變之比，也叫橫向變性系數(shù)，是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)。在物體的力學分析中，彈性模量是最為重要的指標。對于鼻部的生物力學分析，鼻部結構中的軟骨是主要的力學結構，也就是我們力學分析中所關注的重點和關鍵結構。因此，鼻部軟骨的生物力學性質，是我們進行鼻部生物力學分析的基礎性數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要實驗器材

SONY數(shù)碼照相機；手術切開包；電子游標卡尺；INSTRON 3365萬能試驗機(美國Instron公司)；Bluehill 2材料測試軟件；Microsoft Excel軟件。

1.2 一般資料

成人鼻部軟骨組織，包括大翼軟骨、側鼻軟骨和鼻中隔軟骨，均來自成人尸體鼻部。尸體來自上海第二軍醫(yī)大學解剖教研室2008～2013年中儲存的成人尸體。共采集尸體鼻部標本10例，死亡年齡范圍為23～65歲，平均年齡40.3歲，其中男性尸體7例，女性尸體3例。尸體均經過10%福爾馬林浸泡3個月以上，尸體標本固定良好，無腐爛、變形等。

1.3 標本的保存和制備

1.3.1 標本的保存

將成人尸體鼻部軟骨解剖分離，然后完整離斷鼻部大翼軟骨、側鼻軟骨和中隔軟骨，將取出的軟骨組織放入盛有10%福爾馬林的密閉良好的容器中，在容器上標示相關編號和軟骨名稱，常溫儲存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 標本的制備

從福爾馬林液容器中分別取出大翼軟骨、側鼻軟骨和中隔軟骨，然后對各標本用直尺和手術刀進行切割處理。制作壓縮彈性模量測量標本時，將大翼軟骨、側鼻軟骨和中隔軟骨分別制成10 mm×10 mm薄片，并進行厚度測量；制作拉伸彈性模量測量標本時，將大翼軟骨、側鼻軟骨和中隔軟骨分別制成20 mm長條狀薄片，各標本的寬度和厚度分別測量。將制備好的各測量樣本進行編號和標示，儲存于生理鹽水密閉容器中。

1.4鼻部軟骨標本的彈性模量測量

1.4.1 壓縮彈性模量的測量

萬能試驗機的測試臺換為測試壓縮彈性模量的上下托盤(圖1)；將制備好的正方形測試標本從生理鹽水中取出，稍拭干，放置于萬能試驗機的下方托盤上；啟動萬能試驗機和控制電腦，進入Bluehill 2材料測試軟件，選擇壓縮模量測試方法，輸入測試標本的邊長和厚度等數(shù)值；壓縮位移速度為2 mm/min；設定壓縮后材料的形變可能數(shù)值；設定輸出的曲線圖和其他數(shù)據(jù)；移動萬能試驗機上方托盤至緊貼測試標本上方；將初始力量和位移調零；進行10次左右的壓縮預調實驗；上述所有條件準備完成后，開始進行測試；測試過程中查看測量曲線，發(fā)現(xiàn)異常及時中斷及調整；測量后查看測試標本并移除，擦拭托盤，準備下一輪測量。

圖1 壓縮實驗的托盤Fig.1Pallet in compression experiment

圖2 拉伸實驗的夾具Fig.2Fixture in tensile experiment

1.4.2 拉伸彈性模量的測量

萬能試驗機的測試臺換為測試拉伸彈性模量的上下夾具(圖2)；將制備好的長方形測試標本從生理鹽水中取出，稍拭干，放置于萬能試驗機的夾具中夾緊；為了夾緊標本的同時又不至于將軟骨標本夾碎，在樣本和夾具之間墊上兩層紗布；測量上下夾具之間的軟骨標本長度；啟動萬能試驗機和控制電腦，進入Bluehill 2材料測試軟件；選擇拉伸模量測試方法；輸入測試標本的長度、寬度和厚度等數(shù)值；拉伸位移速度為2 mm/min；設定拉伸后材料的形變估算數(shù)值；設定輸出的曲線圖和其他數(shù)據(jù)；將初始力量和位移調零；進行10次左右的拉伸預調實驗；上述所有條件準備完成后，開始進行測試；測試過程中查看測試曲線，發(fā)現(xiàn)異常及時中斷及調整；測試后查看測試標本并移除，擦拭夾具，準備下一輪測試。

2 結果

在鼻部主要軟骨的彈性模量測試中，曲線的斜率就是彈性模量值。我們采用最小二乘法，直線擬合曲線初始部分，獲得擬合直線的斜率，作為其初始部分的彈性模量值。初始部分彈性模量即為我們所需要的最為接近鼻部軟骨實際狀態(tài)的彈性模量值。

2.1 壓縮彈性模量數(shù)據(jù)

應力－應變曲線和統(tǒng)計學分析表明，大翼軟骨具有最小的壓縮彈性模量[(1.142±0.336)MPa]；側鼻軟骨壓縮彈性模量最大[(5.84±1.246)MPa]；中隔軟骨壓縮彈性模量居中[(3.85±1.685)MPa](表1)。

表1 鼻部主要軟骨的壓縮彈性模量值(MPa)Table 1The compression modules of three kinds of nasal cartilage(MPa)

2.2 拉伸彈性模量數(shù)據(jù)

大翼軟骨拉伸彈性模量最小[(4.679±1.641)MPa]；側鼻軟骨的拉伸彈性模量最大[(8.601±2.131)MPa]；中隔軟骨的拉伸彈性模量居中[(6.907±1.621)MPa](表2)。

表2 鼻部主要軟骨的拉伸彈性模量值(MPa)Table 2The tensile modules of three kinds of nasal cartilage(MPa)

2.3 彈性模量數(shù)據(jù)分析

本研究結果及統(tǒng)計學分析表明，成人尸體鼻部主要軟骨的彈性模量中，①拉伸彈性模量普遍大于壓縮彈性模量；②側鼻軟骨彈性模量＞中隔軟骨彈性模量＞大翼軟骨彈性模量；③鼻部軟骨的彈性模量均為個位數(shù)的數(shù)量級(單位:MPa)，提示相對于人體其他荷重軟骨和骨性結構，鼻部主要軟骨的彈性模量值相對較小，這就是外鼻部在受力的情況下易產生較大位移的原因，也是我們能夠利用較小彈性模量植入物支撐起塌陷畸形鼻翼的原因。

3 討論

人體軟骨主要有透明軟骨、彈性軟骨和纖維軟骨等，其彈性模量測定是生物力學和生物醫(yī)學工程中較為常見的測量工作。鼻部軟骨主要是彈性軟骨，但是其彈性模量的測量較少報道。Richmon等[1]于2005年報道了鼻中隔軟骨的拉伸彈性模量實驗數(shù)據(jù)[(4.99±0.49 MPa]；2006年，Richmon等[2]報道了鼻中隔軟骨的壓縮彈性模量數(shù)據(jù)[(0.44～0.71)MPa]。但是,對于鼻大翼軟骨和側鼻軟骨的彈性模量測定至今未有報道。本實驗首次測量了成人尸體鼻部各主要軟骨的壓縮和拉伸彈性模量，獲得了相關數(shù)據(jù)。

在鼻整形領域，組織工程學是今后的發(fā)展方向之一[3]，而各種植入材料已得到了廣泛的應用[4]，其強度、彈性、滲透性等物理性質的研究具有重要意義[5]。因此，鼻部軟骨組織彈性模量的測定，是我們分析比較各類鼻部植入材料的力學性質的重要的參考標準。

鼻部軟骨從生物力學角度可以看作是一個固液二相材料[6]，即由固體基質的膠原(蛋白多糖、彈性纖維)和不可壓縮的組織液等組成的具有一定滲透作用的材料。鼻部軟骨的力學性質和其構成緊密相關，這些成份的結構和相對含量的變化可引起軟骨生物力學性質的變化[7-9]。同時，軟骨內基質和彈性纖維的結構和分布，決定了該材料的彈性模量性質是各向同性還是各向異性[10-11]。所謂各向同性是指材料在不同的方向所測得的性能數(shù)值完全相同，各向異性則是指材料在不同的方向所測得的性能數(shù)值不同。對于鼻部軟骨的彈性模量來講，以往的測試實驗顯示，在壓縮彈性模量的測試中，鼻中隔軟骨的各方向彈性模量數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計學差別，顯示出各向異性[2]；而在拉伸彈性模量的測試中，鼻中隔軟骨的各方向彈性模量數(shù)據(jù)沒有統(tǒng)計學差別，顯示出各向同性[1]。各向異性的形成，與鼻中隔軟骨的位置、形成、載荷等因素密切相關，取決于軟骨內基質和彈性纖維的結構、分布和走向等因素[12-13]。本實驗中，對鼻部軟骨的彈性模量測量未涉及各向異性的問題，即將鼻部各主要軟骨視為各向同性的材料來進行彈性模量的測量[14-17]。這樣處理的原因主要為以下幾方面:①雖然以往有實驗提示，在壓縮彈性模量的測試中鼻中隔軟骨表現(xiàn)出各向異性，但是就統(tǒng)計學數(shù)據(jù)來看，其各方向的彈性模量絕對數(shù)值相差很小，在垂直、矢狀和橫斷位上分別為0.71 MPa、0.66 MPa和0.44 MPa，在同一個數(shù)量級中差距都很??；②假設成人尸體的鼻部軟骨存在各向異性，在經過10%福爾馬林浸泡后，其各向異性的性質可能已被破壞；③在我們下一步要進行的有限元生物力學分析中，可以將鼻部軟骨看作各向同性的材料進行分析；④對于鼻部軟骨這樣微小的組織結構而言，目前我們的材料制備設備和測試設備尚存在較大的誤差，條件尚不具備。因此，本實驗中我們只測試了鼻部軟骨單個方向的彈性模量，并將其視為各向同性的材料[14-17]。

通過鼻部軟骨彈性模量的測試，我們發(fā)現(xiàn)隨著應力和應變的增加，軟骨的應力-應變曲線呈現(xiàn)階段性的變化，其彈性模量總體呈現(xiàn)增大趨勢，說明對于鼻部各軟骨來講，當其所受的應力逐步增加時，彈性模量呈現(xiàn)出動態(tài)變化，總體趨勢不斷增加直至軟骨被拉斷或壓縮至極限。相對于關節(jié)軟骨等負重軟骨，鼻部軟骨屬于非負重軟骨[18]，在鼻部外形中起到的是維持形態(tài)的作用，在鼻部外形發(fā)生形變后起到復原形態(tài)的作用，這對于我們分析鼻軟骨的彈性模量測試曲線具有重要意義。鼻軟骨的受力和功能決定了我們在分析鼻軟骨彈性模量測試曲線時，彈性模量的取值應該取受較小的力或者發(fā)生微小形變階段時的彈性模量值，這時的彈性模量值是鼻部軟骨最接近現(xiàn)實情況的數(shù)值。

本實驗中，我們采集了10具成人尸體的鼻部軟骨進行彈性模量的測試。尸體經過10%福爾馬林浸泡后，組織得到固定，鼻部軟骨的彈性模量和正常成人活體相比，必然發(fā)生改變。在與以往的活體鼻中隔軟骨的彈性模量數(shù)據(jù)進行比較后，我們發(fā)現(xiàn)成人尸體的鼻部軟骨彈性模量數(shù)值較大[19-20]，分析原因如下:①尸體鼻部軟骨中的基質和彈性纖維經固定后，發(fā)生變性，彈性下降，彈性模量增大，但基本結構未發(fā)生明顯變化；②經福爾馬林浸泡后，鼻部軟骨組織中的組織液發(fā)生了變化，部分被福爾馬林液所取代；③和國外活體鼻軟骨彈性模量數(shù)據(jù)相比，東西方人鼻部軟骨彈性模量本來就有所差別。由于現(xiàn)實因素的制約，我們尚不能取得較多的活體鼻翼軟骨、側鼻軟骨等軟骨組織進行測量分析。將尸體和活體鼻中隔軟骨彈性模量進行對比分析發(fā)現(xiàn)，兩者彈性模量值在絕對值上存在較大差異，但在數(shù)量級上沒有差別，所以我們認為經尸體采集鼻部軟骨的彈性模量值仍適用于單側唇裂鼻畸形的生物力學研究。

綜上所述，本研究測試了鼻部3種主要軟骨的壓縮彈性模量和拉伸彈性模量，獲得了成人鼻部主要構成軟骨的彈性模量數(shù)值。經統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，鼻部主要軟骨的拉伸彈性模量普遍大于壓縮彈性模量，這可能與鼻部軟骨主要起維持鼻部形態(tài)的功能相關，與鼻軟骨的基質結構和彈性纖維的分布、走行相關。同時，我們發(fā)現(xiàn)側鼻軟骨彈性模量＞中隔軟骨彈性模量＞大翼軟骨彈性模量，這可能與鼻部各軟骨在外鼻結構中所處的位置和作用相關。另外，鼻部軟骨的彈性模量均為個位數(shù)的數(shù)量級(單位:MPa)，提示相對于人體其他荷重軟骨和骨性結構，鼻部主要軟骨的彈性模量值相對較小[21]，導致外鼻部在受力情況下產生較大位移，也是我們能夠利用較小彈性模量植入物支撐起單側塌陷鼻翼畸形的原因。當然，目前對于鼻部各軟骨的彈性、強度、滲透性等物理性質仍沒有詳盡的研究數(shù)據(jù)[22]，尤其是活體的鼻大翼軟骨和側鼻軟骨的相關研究數(shù)據(jù)更是缺乏。對該問題的深入研究，將為組織工程、生物醫(yī)學工程、生物材料學以及生物力學的發(fā)展提供有效的標準化參考數(shù)據(jù)，從而為推動組織工程學、生物醫(yī)學工程學、生物材料學以及生物力學的發(fā)展奠定良好的人體組織結構數(shù)據(jù)庫基礎[23]。

[1]Richmon JD,Sage AB,Wong VW,et al.Tensile biomechanical properties of human nasal septal cartilage[J].Am J Rhinol,2005,19(6):617-622.

[2]Richmon JD,Sage AB,Wong VW,et al.Compressive biomechanical properties of human nasal septal cartilage[J].Am J Rhinol,2006,20(5):496-501.

[3]Randolph MA,Anseth K,Yaremchuk MJ.Tissue engineering of cartilage[J].Clin Plast Surg,2003,30(4):519-537.

[4]Donald PJ.Cartilage grafting in facial reconstruction with special consideration of irradiated grafts[J].Laryngoscope,1986,96(7):786-807.

[5]Mow VC,Hayes WC.Basic Orthopaedic Biomechanics,2nd ed[M].New York:Raven Press,1997:514.

[6]徐小川,王玉瑋,康宏,等.人顳下頜關節(jié)軟骨彈性模量的測定[J].口腔頜面修復學雜志,2000,1(1):14-17.

[7]Broom ND.Structural consequences of traumatizing articular cartilage[J].Ann Rheum Dis,1986,45(3):225-234.

[8]Chen MH,Broom N.On the ultrastructure of softened cartilage:a possible model for structural transformation[J].J Anat,1998,192(Pt 3):329-341.

[9]Akizuki S,Mow VC,Muller F,et al.Tensile properties of human knee joint cartilage:I.influence of ionic conditions,weight bearing,and fibrillation on the tensile modulus[J].J Orthop Res,1986,4(4):379-392.

[10]Jurvelin JS,Buschmann MD,Hunziker EB.Mechanical anisotropy of the human knee articular cartilage in compression[J].Proc Inst Mech Eng,2003,217(3):215-219.

[11]Chahine NO,Wang CC,Hung CT,et al.Anisotropic straindependent material properties of bovine articular cartilage in the transitional range from tension to compression[J].J Biomech,2004,37(8):1251-1261.

[12]Kurtis MS,Schmidt TA,Bugbee WD,et al.Integrin-mediated adhesion of human articular chondrocytes to cartilage[J].Arthritis Rheum,2003,48(1):110-118.

[13]Cárdenas-Camarena L1,Gómez RB,Guerrero MT,et al.Cartilaginous behavior in nasal surgery:A comparative observational study[J].Ann Plast Surg,1998,40(1):34-38.

[14]Fry H.Interlocked stresses in human nasal septal cartilage[J].Br J Plast Surg,1966,19(3):276-278.

[15]Fry HJ.The distorted residual cartilage strut after submucous resection of the nasal septum[J].Br J Plast Surg,1968,21(2):170-172.

[16]Murakami WT,Wong LW,Davidson TM.Applications of the biomechanical behavior of cartilage to nasal septoplastic surgery[J].Laryngoscope,1982,92(3):300-309.

[17]Fry H,Robertson WV.Interlocked stresses in cartilage[J].Nature,1967,215(5096):53-54.

[18]Rotter N,Bonassar LJ,Tobias G,et al.Age dependence of biochemical and biomechanical properties of tissue-engineered human septal cartilage[J].Biomaterials,2002,23(15):3087-3094.

[19]Eisenberg SR,Grodzinsky AJ.Electrokinetic micromodel of extracellular matrix and other polyelectrolyte networks[J].Physico-Chem Hydrodyn,1988,10:517-539.

[20]Armstrong CG,Mow VC.Variations in the intrinsic mechanical properties of human articular cartilage with age,degeneration,and water content[J].J Bone Joint Surg Am,1982,64(1):88-94.

[21]Treppo S,Koepp H,Quan EC,et al.Comparison of biomechanical and biochemical properties of cartilage from human knee and ankle pairs[J].J Orthop Res,2000,18(5):739-748.

[22]Homicz MR,Chia SH,Schumacher BL,et al.Human septal chondrocyte redifferentiation in alginate,polyglycolic acid scaffold,and monolayer culture[J].Laryngoscope,2003,113(1):25-32.

[23]Kaufman MR,Tobias GW.Engineering cartilage growth and development[J].Clin Plast Surg,2003,30(4):539-546.