冷凍儲藏對心肌力學(xué)性能的影響

楊陽，賈云超，荊騰，曾培，陸建飛，賀照明,3*

(1. 江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 3. 德州理工大學(xué)機(jī)械工程系，美國 拉伯克TX79409)

心肌對心臟的跳動發(fā)揮著關(guān)鍵作用.心臟疾病是引起人類死亡最常見的原因之一，例如舒張性心力衰竭.研究發(fā)現(xiàn)心肌彈性成分的變化是引發(fā)該疾病的直接原因[1],所以認(rèn)識健康和病態(tài)的心室行為是非常緊迫且重要的.當(dāng)前，心臟領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)是構(gòu)建計算模型以及研制仿生材料，以便更清楚地了解并治愈心臟疾病[2-3].因此需要對心肌組織的力學(xué)性能進(jìn)行探究.研究常用的方法是對心肌組織進(jìn)行雙向拉伸來得到組織的力學(xué)特性.通常研究心肌的生物和力學(xué)性質(zhì)會采取將心肌組織冷凍的方法來保證樣本新鮮[4-5]，這是基于之前的研究者測試其他生物材料力學(xué)性質(zhì)的結(jié)論[6-8].

目前，生物材料的力學(xué)特性是否會受到冷凍的影響還沒有得出統(tǒng)一的結(jié)論.CHANGOOR等[6]對軟骨組織進(jìn)行冷凍試驗，將冷凍至4 ℃的軟骨組織存儲6 d，對樣本完成了機(jī)電測試和壓縮試驗，結(jié)果顯示4 ℃下保存6 d的組織力學(xué)性能沒有發(fā)生顯著變化.然而，GIANNINI等[9]利用生物力學(xué)分析法研究了冷凍至-80 ℃腱索的生物力學(xué)性能后發(fā)現(xiàn)，與新鮮樣本組相比，冷凍組的極限應(yīng)力、載荷以及應(yīng)變均降低，但在剛度上增強(qiáng).總之，冷凍前后腱索的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和生物性能均有顯著的變化.另外，也有學(xué)者研究了如動脈[7]、主動脈組織[8]、皮膚[10]等生物組織的性能，其中部分研究的結(jié)論是新鮮組織與冷凍組織的力學(xué)性能沒有發(fā)生顯著變化[7-8]，但其他研究卻得出相反的結(jié)論，即冷凍前后的組織性能如彈性模量或破壞應(yīng)變顯著變化[10].

已有對心肌性質(zhì)的研究通常采取冷凍心肌的方法，這是基于其研究者測試其他生物材料力學(xué)性質(zhì)的結(jié)論[6-8].然而，并沒有學(xué)者真正研究過新鮮與冷凍心肌組織的性能，因此這種做法并不一定適用于心尖組織.文中詳細(xì)探討新鮮與冷凍心尖組織的力學(xué)性質(zhì).試驗結(jié)果將有利于深入理解心尖組織的特定存儲方式，并可為今后使用冷凍心尖組織的試驗提供一定的參考.

1 試驗材料和方法

1.1 雙軸拉伸試驗系統(tǒng)

計算機(jī)控制著步進(jìn)電動機(jī)滑臺運(yùn)動，每個支架上的力傳感器測量施加在樣本上的平面內(nèi)載荷，同時安裝在樣本正上方的工業(yè)相機(jī)以30 Hz的幀速監(jiān)測著樣本中心區(qū)域的形變.圖1為雙向拉伸心肌的原理圖和實物圖，圖中FD為心肌組織的主要纖維走向，CFD為與主要纖維走向垂直的交叉纖維方向.

圖1 雙向拉伸心肌的原理圖和實物圖

1.2 樣本準(zhǔn)備

圖2為樣本獲取位置和心尖切割實物.

圖2 樣本獲取位置和心尖切割實物圖

先從屠宰場獲取新鮮健康的10個成年豬心臟，每個豬心重量在300～370 g內(nèi)，隨后立即轉(zhuǎn)移到實驗室.試驗前，將豬心浸泡在生理鹽水中，生理鹽水可以抑制心肌組織受到興奮、代謝等因素的影響.在豬心左心室較均勻光滑的位置獲得試驗所需的心尖樣本，如圖2a的黑色框線所示.利用模具控制所有樣本的厚度和長寬，這樣可以使得試驗結(jié)果更加精準(zhǔn).規(guī)整后的樣本長寬為30 mm，厚度為3 mm，切割心尖組織的方法如圖2b所示.控制樣本厚度為3 mm[1,11]可以在保證樣本薄的同時盡可能避免在拉伸過程中樣本出現(xiàn)撕裂的現(xiàn)象.樣本4周使用3根4-0型號的縫合線將其固定安裝在拉伸機(jī)上.另外，通過肉眼觀察，判斷樣本主要的纖維走向[11].確保心肌的纖維方向與拉伸機(jī)的軸線x方向?qū)R，交叉纖維方向與裝置的y方向?qū)R.另外，雙向拉伸機(jī)下方簡易的水浴裝置可以讓樣本浸泡懸浮在生理鹽水上，這樣能保持樣本的生理活性，并且減少因懸掛形成的自重.在樣本的表面用黑色中性筆標(biāo)記4個小黑點(diǎn)，在無應(yīng)力狀態(tài)下這些標(biāo)記點(diǎn)處于樣本1/3的中心區(qū)域，這樣可以形成均勻的應(yīng)變測量區(qū)域.設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的拉伸速率為100 mm/min，實驗室室溫為15 ℃左右，HUNTER等[12]研究表明生物組織的力學(xué)特性與應(yīng)變速率無關(guān)，且當(dāng)溫度在5～37 ℃內(nèi)，溫度不會對生物組織性能產(chǎn)生影響.

1.3 雙軸力學(xué)測試

為比較新鮮的與冷凍存儲后的心肌樣本的雙軸力學(xué)特性，通過以下的步驟展開試驗：① 雙軸測試新鮮(控制)組樣本；② 在-14 ℃下將樣本冷凍48 h;③ 將冷凍過后的樣本解凍并同樣采用步驟①的方法，對該樣本進(jìn)行力學(xué)測試.力學(xué)測試對樣本進(jìn)行6次預(yù)加載處理，記錄應(yīng)力值，直至將其拉伸至15 kPa[13-14]的目標(biāo)應(yīng)力.預(yù)加載可以得到心肌樣本的力學(xué)重復(fù)性，使試驗更具說服力.當(dāng)樣本在15 kPa的應(yīng)力下試驗時，可以模擬在正常生理情況下心肌的載荷情況[13-14].預(yù)處理后，實行TFD∶TCFD=1.0∶1.0的等應(yīng)力試驗和TFD∶TCFD=0.5∶1.0,TFD∶TCFD=1.0∶0.5的不等應(yīng)力試驗，式中TFD為沿著樣本纖維方向上的柯西應(yīng)力，TCFD為交叉纖維方向上的柯西應(yīng)力.所有試驗方案均重復(fù)4次，每個試驗方案在3次預(yù)處理后取第4次的應(yīng)力作為最終的試驗結(jié)果.所有的試驗方案都在新鮮組織與冷凍樣本上實施.

1.4 應(yīng)力與應(yīng)變分析

圖3 等雙軸拉伸分析的參數(shù)

1.5 統(tǒng)計分析

2 試驗結(jié)果與分析

圖4 新鮮與冷凍組織的峰值拉伸圖

圖5 預(yù)加載拉伸和力學(xué)拉伸圖

圖6為3種試驗方案下心肌組織在高應(yīng)力模量EHT，低應(yīng)力模量ELT、延展性指數(shù)λ*和各向異性指數(shù)AI的統(tǒng)計分析比較.試驗僅發(fā)現(xiàn)在TFD∶TCFD=1.0∶1.0的等應(yīng)力拉伸下，交叉纖維方向上的低應(yīng)力模量ELT有接近顯著性差異p=0.056，其余參數(shù)均無統(tǒng)計學(xué)差異.值得注意的是，試驗數(shù)據(jù)顯示新鮮組織的延展性不如冷凍組織，且冷凍組織比新鮮組織的各向異性也略強(qiáng).

圖6 高應(yīng)力模量EHT、低應(yīng)力模量ELT、延展性指數(shù)λ*和各向異性指數(shù)AI圖

3 討 論

文中將心尖組織冷凍儲存48 h后進(jìn)行雙軸拉伸測試，探究冷凍是否對心肌的力學(xué)性能產(chǎn)生影響.采用統(tǒng)計分析法對比10組新鮮樣本和冷凍樣本在TFD∶TCFD=1.0∶1.0,TFD∶TCFD=0.5∶1.0,TFD∶TCFD=1.0∶0.5的這3種拉伸方案下的應(yīng)變數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：所有的參數(shù)均無顯著性差異，這顯示48 h的冷凍貯藏對心尖的力學(xué)性質(zhì)無顯著性影響.

不同的解凍溫度，可能會導(dǎo)致最終的試驗結(jié)論不同.部分研究者發(fā)現(xiàn)樣本在冷凍前后力學(xué)性能沒有發(fā)生變化[7-8]，這與文中的試驗結(jié)果一致.如DELGADILLO等[7]將冷凍至-20 ℃的動脈在4 ℃下解凍；SIOBHAN等[8]的樣本在相對低溫下解凍，這些結(jié)果都表明新鮮與冷凍樣本的性質(zhì)沒有統(tǒng)計學(xué)差異.而如GIANNINI等[9]將冷凍的樣本置于37 ℃的水浴中解凍，其得出的結(jié)論是冷凍后樣本的力學(xué)性能發(fā)生了顯著性變化.李波[15]使用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀探究了溫度對心肌的影響，試驗發(fā)現(xiàn)溫度的變化會讓心肌降解成小分子的速率顯著變快，因此過高的解凍溫度會影響研究試驗結(jié)果.文中建議在相對較低的溫度下解凍樣本.

冷凍存儲樣本的時長也可能會影響組織的力學(xué)性質(zhì).CHANGOOR等[6]的軟骨冷凍試驗顯示：冷凍6 d軟骨的力學(xué)性能無顯著性變化，但冷凍12 d后的軟骨無論在硬度還是力學(xué)性能上都有了明顯的變化.未來可以研究冷凍時長對心肌力學(xué)性質(zhì)的影響.

研究局限性：① 樣本明確的冷凍速率是未知的.② 文中選取的是心尖部位，可能并不適用于心肌的其他部位.③ 本試驗是在-14 ℃的冷凍溫度，48 h 的冷凍時長下完成，不具有廣泛代表性.④ 試驗未對冷凍前后心尖的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，缺少微觀結(jié)構(gòu)與宏觀結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)分析.

4 結(jié) 論

1) 新鮮與冷凍組織的力學(xué)參數(shù)沒有統(tǒng)計學(xué)差異.

2) 在文中特定的冷凍溫度和時長下，冷凍不會對心尖部位產(chǎn)生影響.

3) 研究結(jié)果對后續(xù)采用冷凍系統(tǒng)來保存心尖組織研究有參考價值.