等邊距直線槽導(dǎo)向切割法對大截面及大厚度腦組織切片的便捷制備

張文超,李 巖

(1. 煙臺大學(xué)藥學(xué)院, 山東 煙臺 264005; 2. 煙臺大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院, 山東 煙臺 264005)

近年來,隨著社會的快速發(fā)展,人們面臨的生活、工作壓力越來越大,不良的生活方式增加了疾病的發(fā)病率,這其中又以神經(jīng)核團(tuán)功能失調(diào)性疾病尤為嚴(yán)重,患者呈現(xiàn)出一系列的行為、意志、認(rèn)知、情感等精神活動障礙疾病,如帕金森病、癲癇或老年癡呆[1]．鑒于腦組織的生理及病理變化與腦組織的材料力學(xué)屬性緊密相關(guān),許多學(xué)者利用壓縮、剪切或壓痕-松弛等方法對腦組織材料力學(xué)屬性進(jìn)行了相應(yīng)研究[2-4]．HARDING和SNEEDDON[5-6]將壓痕測試中硬質(zhì)圓柱形平壓頭對大外形尺寸各向同性彈性材料的壓力與壓深及被壓材料剪切模量的關(guān)系解析為

(1)

(2)

式中,P為壓頭的壓力,R為硬質(zhì)圓柱形平壓頭的半徑,δ為壓深,G為大外形尺寸被壓材料的剪切模量,v為被壓材料的泊松比．為了更加有效地應(yīng)用式(1)表達(dá)硬質(zhì)圓柱形平壓頭與有限厚度腦組織切片之間的作用,需將修正系數(shù)κ引入公式(1),得公式(2).κ的數(shù)值由硬質(zhì)圓柱形平壓頭的半徑和腦組織切片的厚度共同決定[6],由此可見,腦組織切片厚度的均勻性尤為重要．

受醫(yī)學(xué)倫理及取材途徑的限制,生物工程技術(shù)研究過程中多使用動物器官作為人體器官的替代品．常用的大鼠腦結(jié)構(gòu)的外形及核團(tuán)布局與人腦差異明顯;豬腦、牛腦等高等哺乳動物的腦組織在結(jié)構(gòu)和材料力學(xué)屬性上接近于人腦,常作為人腦研究的理想替代品[7]．

在腦組織研究中,大截面切片不僅可以用于觀察并測試病變核團(tuán)的全貌及材料力學(xué)屬性,還可以觀察并測試周圍及遠(yuǎn)隔部位的組織狀態(tài),特別是手術(shù)路徑沿線的連續(xù)全組織狀況．根據(jù)測試要求,大截面腦組織切片的厚度一般大于5 mm．因此,腦組織材料力學(xué)性能的研究需大量大截面及大厚度的腦組織切片．

然而,目前振動切片機(jī)的振幅低于1 mm[8],無法滿足大厚度腦組織切片的制作需求;腦切片模具的面向?qū)ο笠话銥榇笫竽X組織,凹模體積較小,豬腦或牛腦無法直接放置其中[9-10];以往實(shí)驗(yàn)報(bào)道多利用切刀直接手工切割豬腦或牛腦以制作大截面大厚度腦組織切片,切片往往厚度不均,表面起伏不整,影響后續(xù)材料力學(xué)屬性的準(zhǔn)確測試．

為了高質(zhì)量地便捷制作豬腦或牛腦的大截面及大厚度腦組織切片,以滿足腦組織材料力學(xué)屬性的準(zhǔn)確測試,本文提出了一種等邊距直線槽導(dǎo)向切割法,闡述了大截面及大厚度腦組織切片的制備原理,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的制備裝置,闡明了裝置的關(guān)鍵連接關(guān)系,并便捷制備了高質(zhì)量的豬腦大截面及大厚度腦組織切片．

1 裝置的設(shè)計(jì)原理

如圖1,若兩平行平面之間的距離確定,兩平面之間的空間即為等厚的大截面切片結(jié)構(gòu)．根據(jù)需求靈活調(diào)整兩平行平面之間的距離,即可得所需厚度的大截面切片結(jié)構(gòu),因此2個(gè)平行平面可作為大截面及大厚度腦組織切片的切割基準(zhǔn)．

圖1 等厚大截面切片的切割原理

Fig.1 Cutting mechanization of slices with isobaric thickness and large section

因此,本文提出了一種等邊距直線槽導(dǎo)向切割法 (圖2),即在方形底板的每個(gè)側(cè)面邊緣部位分別開設(shè)與側(cè)面平行的直線槽,直線槽右側(cè)面與方形底板毗鄰側(cè)面之間的空間即為等厚度的大截面切片結(jié)構(gòu)．將方形底板緊貼底板側(cè)擋板,且將直線槽的右側(cè)面作為平口刃切刀的切割基準(zhǔn),將底板側(cè)擋板的左側(cè)面作為腦組織已切平面的定位基準(zhǔn)．腦組織的已切平面緊靠底板側(cè)擋板后,手持平口刃切刀的后端,在后端施加如圖2所示的力和力矩,快速揮動平口刃切刀,即可制備出等厚度的大截面及大厚度腦組織切片．剩余腦組織的已切割平面緊貼底板側(cè)擋塊左側(cè)面,重復(fù)平口刃切刀的動作過程,即可便捷制備一系列等厚的大截面大厚度腦組織切片．

依據(jù)切片的厚度需求,在方形底板的不同側(cè)面提前定制距側(cè)面不同距離的平行直線槽,如圖2和圖3(b) 所示．更換與底板側(cè)擋板接觸的側(cè)面,即可進(jìn)行相應(yīng)厚度大截面腦組織切片的制備．為制備第一個(gè)切面平面,在方形底板的中心部位也開設(shè)一條直線槽,便于完整腦組織的分離或切割前第一個(gè)待切平面與直線槽平面的對齊．

2 裝置的結(jié)構(gòu)與連接關(guān)系

本裝置結(jié)構(gòu)簡單,如圖2,主要由帶空腔的底座、帶直線槽的方形底板、底板側(cè)擋板和平口刃切刀四部分組成．帶空腔的底座放置在實(shí)驗(yàn)臺的合適位置,帶直線槽的方形底板與底座按照圖2的布局連接,底板側(cè)擋塊的左側(cè)面與方形底板的右側(cè)面貼緊．將平口刃切刀插入直線槽,使其右側(cè)面貼緊直線槽的右側(cè)面以作為切割動作的導(dǎo)向面．底座的前端為允許平口刃切刀動作的空腔,防止切割時(shí)平口刃切刀與底座的干涉．直線槽的寬度略大于平口刃切刀的厚度,以便平口刃切刀動作的順暢性．

圖2 等邊距直線槽導(dǎo)向切割裝置的結(jié)構(gòu)

Fig.2 The structure of the device based on guide-cutting method of isobaric distance grooves

如圖3(a) 所示,底座上表面的左側(cè)有3個(gè)螺紋孔,方形底板的中心對稱分布4個(gè)沉頭孔,使得3個(gè)螺紋孔能與4個(gè)沉頭孔其中3個(gè)合理配合,將方形底板靈活固定在底座上;底座的右側(cè)有2個(gè)沉頭通孔,可利用螺釘將帶螺釘孔的底板側(cè)擋塊固定在底座上;底板側(cè)擋塊的上、下表面與側(cè)面相互垂直,底板側(cè)擋塊的左側(cè)面安裝時(shí)需緊貼方形底板的右側(cè)面．此外,方形底板上中心對稱的4個(gè)沉頭孔可保證任意側(cè)面與底板側(cè)擋塊配合時(shí)方形底板在底座上的正確安裝．各部分連接完畢后,完整的等邊距直線槽導(dǎo)向切割裝置的結(jié)構(gòu)如圖3 (c) 所示．

圖3 底座、方形底板與底板側(cè)擋板的結(jié)構(gòu)連接關(guān)系

Fig.3 The connected relations of lampstand, a square bottom and the side baffle of bottom plate

3 豬腦組織切片的制備

下面以含丘腦底核穿刺路徑的5 mm厚度豬腦組織切片的制備為例,描述等邊距直線槽導(dǎo)向切割法的便捷應(yīng)用過程及制備結(jié)果．

豬腦組織的購買及使用已得到當(dāng)?shù)貏游镒o(hù)理與使用委員會的批準(zhǔn)并按照國家健康指導(dǎo)中心的管理和使用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行．切片制備當(dāng)日凌晨,從當(dāng)?shù)赝涝讏鲑徺I生長時(shí)間約6個(gè)月,按照標(biāo)準(zhǔn)流程屠宰的健康活豬的完整腦組織．當(dāng)豬腦從顱骨及硬腦膜中取出后,立即浸入含氧氣的冰凍人造類腦脊液中,以保持豬腦的活性．裝入恒溫箱后,便快速運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行大截面及大厚度腦組織切片的制備．

3.1 完整豬腦組織左右半球的分離

如圖3 (c)所示,首先將直線槽邊距為5 mm 的側(cè)面貼緊底板側(cè)擋塊的左側(cè)面．豬腦半球在形態(tài)及生理結(jié)構(gòu)上左右對稱,材料力學(xué)屬性基本相同,因此每個(gè)豬腦半球都有一條合適的穿刺路徑．為方便含丘腦底核穿刺路徑的腦組織切片的制備,先利用方形底板中部的直線槽將豬腦組織從正中矢狀面切割、分離．

將豬腦正中矢狀面與方形底板中部直線槽的右側(cè)面對齊,將切刀嵌入直線槽內(nèi),使切刀右側(cè)面緊靠直線槽的右側(cè)面,利用直線槽的右側(cè)面作為切割動作的導(dǎo)向面將豬腦快速切割為左、右兩半球,結(jié)果如圖4所示．

圖4 完整腦組織初步分離前后

Fig.4 The pictures of a whole brain before and after the first cutting

3.2 含丘腦底核穿刺路徑的豬腦組織切片的制備

基于MRI影像資料和D’HAESE報(bào)道的顱內(nèi)核團(tuán)位置結(jié)果[11],并在神經(jīng)外科醫(yī)師的指導(dǎo)下,確定STN在正中矢狀面的投影位置,如圖5 (a) 中的黑點(diǎn)所示．經(jīng)過多個(gè)切面的試切割之后,得出經(jīng)過較粗虛線的平面能夠較好地滿足穿刺路徑的規(guī)劃原則,因此將此平面作為所需切片的第一個(gè)切面．為保證后續(xù)測試樣本的一致性及測試的方向性,將經(jīng)過較細(xì)虛線的平面作為所需切片的另一個(gè)切面．腦組織右半球的切割平面選擇原則與此類似．

如圖5 (a)所示,若對較粗虛線所在平面進(jìn)行切割,需用手輔助將豬腦左半球以特定的姿態(tài)放置在方形底板上,使包含穿刺路徑的切割平面與中部的直線槽右側(cè)面重合．快速動作切刀,即可得第一個(gè)切面,如圖5 (b)所示．然后將獲得的平面與底板側(cè)擋板的左側(cè)面貼緊,將切刀嵌入邊距為5 mm直線槽內(nèi),快速動作切刀,即可得含丘腦底核穿刺路徑的、上下表面平行且整齊、厚度為5 mm腦組織切片,如圖5 (c)所示．重復(fù)以上過程,便可便捷獲得所需數(shù)量的大截面及大厚度腦組織切片．

圖5 腦組織的切面選取原則及切割結(jié)果

4 小 結(jié)

針對腦組織研究中大截面及大厚度腦組織切面的制備難題,本文提出了等邊距直線槽導(dǎo)向切割法,闡述了該方法制備大截面及大厚度腦組織切片的原理,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的制備裝置,并便捷制備了含丘腦底核穿刺路徑的、上下表面平行且整齊、厚度為5 mm腦組織切片．

本方法的設(shè)計(jì)原理為若兩平行平面之間的距離確定,兩平面之間的空間即為等厚的大截面切片結(jié)構(gòu);兩平行平面可作為腦組織切面的切割基準(zhǔn)．本方法裝置結(jié)構(gòu)簡單,操作便捷,主要由帶空腔的底座、帶直線槽的方形底板、底板側(cè)擋板和切刀四部分組成．本方法可作為振動切片機(jī)和腦切片模具的有效補(bǔ)充,可解決現(xiàn)有振動切片機(jī)振動幅度小且腦切片模具凹模體積小的弊端．