大鼠顱骨生物力學(xué)參數(shù)的影響因素*

李曼， 李明杰， 李俊豪， 馬雨晗， 姜倩， 蔣婷珍， 陳東東， 夏冰*， 汪家文*

(1.貴州醫(yī)科大學(xué) 法醫(yī)學(xué)院， 貴州 貴陽 550004； 2.廣西醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 病理科， 廣西 南寧 530021)

顱骨由多塊形狀不一、大小不等的扁骨和不規(guī)則骨組成，起著保護(hù)和支持大腦、小腦及腦干等生命中樞的作用[1]。創(chuàng)傷性腦損傷(traumatic brain injury，TBI)是法醫(yī)病理學(xué)最常見的機(jī)械性損傷之一，在暴力性死亡中占首要位置[2]。為了更好地理解TBI的機(jī)制，目前已有較多研究開發(fā)了包含詳細(xì)人體頭部解剖特征的頭顱有限元模型，以研究多種載荷條件下的顱腦內(nèi)部動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制，取得了較好的效果[3-8]。然而，這些模型的仿真度在很大程度上取決于模擬生物組織的材料參數(shù)的準(zhǔn)確性，但是由于世俗倫理道德的限制，頭顱材料力學(xué)參數(shù)檢測至今仍很缺乏，顱腦有限元模型依然不夠精準(zhǔn)[8]。因此，有必要對外力作用下顱腦組織的本構(gòu)行為進(jìn)行更為系統(tǒng)的研究。已有報(bào)道，不同年齡人群顱骨材料屬性和力學(xué)參數(shù)存在差異[9-10]，但是，關(guān)于不同溫度、不同性別和不同壓縮速率對材料力學(xué)參數(shù)的影響研究較少[11-12]，相關(guān)影響及機(jī)制仍有待于進(jìn)一步深入研究。為此，本研究選取實(shí)驗(yàn)大鼠頭顱為研究對象，采用電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)對大鼠頭顱進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，檢測不同溫度、性別及壓縮速率下大鼠顱骨的極限載荷(ultimate load)、壓縮強(qiáng)度(compressive strength)及壓縮模量(modulus of compressibility)3個(gè)生物力學(xué)參數(shù)，探討影響大鼠顱骨生物力學(xué)參數(shù)檢測的因素，為深入研究顱骨材料生物力學(xué)參數(shù)以及建立更為精準(zhǔn)的頭顱有限元模型提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及分組 健康3月齡Sprague Dawley(SD)大鼠54只，雄性48只、雌性6只，體質(zhì)量(280±20)g，由學(xué)校實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供[動(dòng)物合格證號(hào)SCXK(黔)2018-0001]。本研究經(jīng)學(xué)校動(dòng)物實(shí)驗(yàn)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(1901050)，實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格按照動(dòng)物倫理要求進(jìn)行。

1.1.2主要試劑和儀器 10%水合氯醛溶液(天津科密歐化學(xué)試劑有限公司)、牙托粉(上海宗信牙科有限公司)、冷柜(星星牌，星星集團(tuán)有限公司)、智能人工氣候箱(上海比朗儀器制造有限公司)及電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)(KDⅡ-0.2型，深圳市凱強(qiáng)利試驗(yàn)儀器有限公司)。

1.2 方法

1.2.1動(dòng)物分組及頭顱壓縮模型制作 健康SD大鼠按溫度、性別及壓縮速率不同，24只雄性大鼠均分為-4、4、25及65 ℃溫度組，12只大鼠(雄雌性各半)均分為雄性組和雌性組，18只雄性大鼠均分為1、5及10 mm/min壓縮速率組。10%水合氯醛溶液按1.0 mL/100 g腹腔注射、麻醉處死所有大鼠，從頸部將大鼠頭顱和軀體分離；去除顱蓋骨上方的頭皮組織，充分暴露顱骨；將大鼠頭顱固定在牙托粉模具上以防止實(shí)驗(yàn)中頭顱滑脫，模具凝固冷卻至室溫，大鼠頭顱模型制備完成。溫度差異實(shí)驗(yàn)按設(shè)定溫度-4、4、25 及65 ℃將頭顱材料及牙托粉模具放入冰柜或智能人工氣候箱，3 h后取出立即檢測；性別差異實(shí)驗(yàn)和壓縮速率差異實(shí)驗(yàn)各組頭顱模型均在常溫條件下保存，模型制作完成后2 h內(nèi)完成所有生物力學(xué)參數(shù)檢測。

1.2.2生物力學(xué)參數(shù)檢測試驗(yàn) 將頭顱模型置于電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)承重底座上，調(diào)節(jié)直徑3.0 mm圓柱形壓具接觸面高度至剛好接觸大鼠右側(cè)顱頂骨中部。預(yù)調(diào)3次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后采用縱向壓縮法進(jìn)行壓縮試驗(yàn)(圖1)。加載參數(shù)設(shè)置：溫度和性別差異實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)速度v=5 mm/min，壓縮速率差異實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)速度分別為v=1、5 及10 mm/min，預(yù)加載力0.5 N，停機(jī)條件為壓縮位移達(dá)5.0 mm(預(yù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)未接觸顱底)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后安裝于配套計(jì)算機(jī)上的電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)軟件自動(dòng)計(jì)算輸出極限載荷(檢測試樣在外載荷作用下使樣品整體或某一局部的全層均由彈性狀態(tài)進(jìn)入塑性狀態(tài)時(shí)所對應(yīng)的載荷)、壓縮強(qiáng)度(在壓縮試驗(yàn)中，試樣被壓縮至破裂或產(chǎn)生屈服時(shí)所承受的最大應(yīng)力)、壓縮模量(在完全側(cè)限條件下豎向附加應(yīng)力與相應(yīng)豎向應(yīng)變之間的比值)等參數(shù)。

圖1 顱骨單向縱軸壓縮試驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of skull compression test

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

2.1 溫度

不同溫度組大鼠顱骨的極限載荷、壓縮強(qiáng)度及壓縮模量參數(shù)比較，總差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F極限載荷=16.986、F壓縮強(qiáng)度=16.996、F壓縮模量=25.049，P<0.05)，進(jìn)一步兩兩比較顯示，4 ℃組、25 ℃組及65 ℃組大鼠顱骨的極限載荷、壓縮強(qiáng)度和壓縮模量參數(shù)均值分別與-4 ℃組比較、差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；4 ℃組和65 ℃組大鼠顱骨的極限載荷、壓縮強(qiáng)度參數(shù)均值比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，其余各溫度組組間比較、差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見圖2。

注：(1) 與-4 ℃組比較，P<0.05，(2) 與4 ℃組比較，P<0.05。圖2 不同溫度組大鼠顱骨生物力學(xué)參數(shù)的比較Fig.2 Comparison of biomechanical parameters of rat skulls in different temperature groups

2.2 性別

雄性組大鼠的極限載荷、壓縮強(qiáng)度參數(shù)均值分別高于雌性組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t極限載荷=2.640、t壓縮強(qiáng)度=2.638，P<0.05)；2組大鼠顱骨壓縮模量組間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-1.673，P>0.05)。見圖3。

注：(1) 與雄性組比較，P<0.05。圖3 不同性別組大鼠顱骨生物力學(xué)參數(shù)的比較Fig.3 Comparison of biomechanical parameters of rat skulls in different gender groups

2.3 壓縮速率

不同壓縮速率組大鼠顱骨的極限載荷和壓縮強(qiáng)度參數(shù)比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，但壓縮模量參數(shù)比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；10 mm/min組大鼠顱骨極限載荷和壓縮強(qiáng)度參數(shù)分別高于1 mm/min組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，其余速率組間的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見圖4。

注：(1) 與1 mm/min速率組比較，P<0.05。圖4 不同壓縮速率組大鼠顱骨生物力學(xué)參數(shù)的變化Fig.4 Changes in biomechanical parameters of rat skulls in different compression rate groups

3 討論

顱骨材料參數(shù)檢測是人體生物力學(xué)研究領(lǐng)域之一，與顱骨的受力、損傷與功能重建密切相關(guān)，對顱腦有限元建模及其虛擬損傷仿真實(shí)驗(yàn)具有重要的支撐作用[13]。研究表明，準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法可以檢測出人體顱骨的載荷、形變等材料參數(shù)，并得到載荷-變形曲線、極限彎曲強(qiáng)度等試驗(yàn)結(jié)果，使用這種試驗(yàn)方法可以有針對性地開展特定加載條件下的顱骨材料參數(shù)及損傷響應(yīng)檢測[13-15]。顱骨壓縮、拉伸及三點(diǎn)彎曲方面的文獻(xiàn)報(bào)道已有不少，但結(jié)果存在較大差異，其原因與檢測條件的不一致有關(guān)[13,16]。研究表明，測試樣本的狀態(tài)(新鮮、防腐保存)、測試方式(拉伸、壓縮及彎曲)及測試速率(動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài))等均可影響材料參數(shù)的檢測[17-18]。準(zhǔn)靜態(tài)壓縮測試速率、溫度及年齡是否對顱骨的材料參數(shù)存在影響，少見相關(guān)報(bào)道。

顱骨類似于“三明治”結(jié)構(gòu)，由外板、板障及內(nèi)板組成，其成分包含有機(jī)物質(zhì)、礦物質(zhì)及水分[19]。研究表明，活體大白兔股骨組織內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力隨溫度升高而逐漸增大，當(dāng)溫度達(dá)到42 ℃時(shí)應(yīng)力出現(xiàn)最大值，隨后隨著溫度的升高，應(yīng)力值逐漸減??；溫度較高區(qū)域，軟質(zhì)骨呈減少趨勢，而密質(zhì)骨和硬質(zhì)骨的體積增加[19]。溫度的改變是否可通過改變離體顱骨骨骼特性進(jìn)而影響其材料參數(shù)，目前未見相關(guān)報(bào)道。本研究發(fā)現(xiàn)，-4 ℃組大鼠顱骨的極限載荷、壓縮強(qiáng)度及壓縮模量均高于4、25 及65 ℃組，而4 ℃組高于25和65 ℃組，提示隨著溫度升高，顱骨的生物力學(xué)極限載荷、壓縮強(qiáng)度和壓縮模量存在降低趨勢。Hrapko等[20]檢測了溫度為7、15、23、30 及37 ℃時(shí)新鮮家豬大腦組織的剪切力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)組織生物力學(xué)性能與溫度呈負(fù)相關(guān)，即溫度越低組織生物力學(xué)參數(shù)越大，雖然所檢測組織不同，但其結(jié)果與本研究存在一致性。本研究與田偉等[19]的研究結(jié)果存在差異，但其所研究的為大白兔股骨埋沙治療后熱應(yīng)力隨溫度升高的變化，而本文研究的是大鼠顱骨壓縮實(shí)驗(yàn)極限載荷、壓縮強(qiáng)度和壓縮模量隨溫度升高的變化。本研究發(fā)現(xiàn)25和65 ℃組3個(gè)生物力學(xué)參數(shù)差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，提示上述3個(gè)參數(shù)隨溫度升高而降低可能存在一個(gè)臨界值，當(dāng)超過該溫度值后則力學(xué)參數(shù)趨于平穩(wěn)[21]。

現(xiàn)有研究表明，生物組織材料參數(shù)存在性別差異，如王曉雁[22]研究發(fā)現(xiàn)同年齡組雄性大鼠皮膚、肌肉軟組織應(yīng)力、應(yīng)變均大于雌性；史念珂等[23]的研究結(jié)果表明，雌性大鼠股骨壓縮模量、彎曲剛性系數(shù)及彎曲韌性系數(shù)均低于雄性。大鼠顱蓋骨是一種骨密度較高的具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的硬組織[24]。本研究發(fā)現(xiàn)同年齡組雄性大鼠顱骨的極限載荷、壓縮強(qiáng)度參數(shù)均高于雌性，可能與雄性與雌性大鼠顱骨自身結(jié)構(gòu)的差異相關(guān)。據(jù)報(bào)道，一般男性的骨骼比同年齡的女性骨骼, 其大小、長度、厚度、重量、突起、結(jié)節(jié)及隆線等均為強(qiáng)大，男性顱骨骨質(zhì)粗壯，骨板較厚，而女性顱骨骨面細(xì)致，骨板較薄[25]；此外，大鼠顱骨厚度存在類似的性別差異[23]。Kiadaliri等[ 24]的研究結(jié)果顯示，日常生活中，女性受同等外界機(jī)械性暴力情況下較男性更易發(fā)生損傷和骨折，與本研究結(jié)論相符。本研究發(fā)現(xiàn)雄性大鼠顱骨的壓縮模量低于雌性，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

經(jīng)對相同年齡段、相同性別大鼠的顱骨進(jìn)行不同速率的壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著壓縮速率的增大，極限載荷、壓縮強(qiáng)度和壓縮模量參數(shù)均逐漸增大，并且發(fā)現(xiàn)10 mm/min高壓縮速率與1 mm/min低壓縮速率結(jié)果比較差異統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，且大鼠顱骨的各生物力學(xué)參數(shù)具有明顯的隨著壓縮速率增大而增大的變化趨勢。該研究結(jié)果還進(jìn)一步證明了常規(guī)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇1～5 mm /min范圍內(nèi)的壓縮速率對實(shí)驗(yàn)結(jié)果不產(chǎn)生影響，綜合考慮選用5 mm/min速率最佳[ 26-27]。此外，在選擇壓縮速率前，通常需要對試件進(jìn)行預(yù)調(diào)以獲得可重復(fù)的機(jī)械響應(yīng)，即在試驗(yàn)開始時(shí)多次加載-卸載試件，以達(dá)到生物力學(xué)性能穩(wěn)態(tài)，通常在預(yù)調(diào)3～10次后達(dá)到可重復(fù)性狀態(tài)。

綜上所述，本研究以大鼠顱骨為研究對象，檢測并分析不同溫度、性別及壓縮速率條件對大鼠顱骨的極限載荷、壓縮強(qiáng)度及壓縮模量生物力學(xué)參數(shù)結(jié)果的影響，探討了大鼠顱骨材料生物力學(xué)的影響因素，為選取最佳的顱骨生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)條件奠定基礎(chǔ)，也為顱腦損傷的法醫(yī)學(xué)研究提供數(shù)據(jù)支撐[28]，同時(shí)為涉及顱骨材料生物力學(xué)或大鼠頭顱有限元模型研究提供參考依據(jù)[ 5，29]。