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1、1气管软骨应力松弛的实验研究作者：孙长江，冯铁健，吕雅平，马洪顺【摘要 】 以应力松弛的试验方法研究气管软骨的应力松弛特性，为临床提供气管软骨的应力松弛特性参数。在日本岛津电子万能试验机上对 10 个软骨进行应力松弛实验，应力松弛实验应变增加速度为 50%/min，实验温度为(36.50.65)，设定实验时间 7 200 s，采集 100 个实验数据，以一元线性回归分析的方法处理实验数据。结果表明：气管软骨 7 200 s 应力松弛量为 0.316 MPa，7 200 s 时应力松弛曲线基本达到平衡。气管软骨应力松弛曲线是以对数关系变化的，气管软骨为非线性粘弹性材料。 【关键词】 气管软骨;应
2、力松弛;粘弹性;力学特性Abstract：To research the tracheal cartilage stress relaxation characteristic and provide the tracheal cartilage stress relaxation characteristic parameter for the clinical.10 cartilages were taken on the electronic universal testing machine to carry on the stress relaxation experiment.Th
3、e increasing speed of the stress relaxation experiment strain was 50%/min.Experimental temperature was (36.50.65)，2the experimental time was set at 7 200 s.Then 100 empirical data were gathered and processed by the method of Unary Linear Regression Analysis.The tracheal cartilage 7 200 s stress rela
4、xation quantity was 0.316 MPa，the 7 200 s stress relaxation curve achieved the balance basically.The tracheal cartilage stress relaxation curve is changed by the logarithm relations， the tracheal cartilage is the non-linear viscoelastic material.Key words：Tracheal cartilage;Stress relaxation;Viscoel
5、astic;Mechanics characteristic1 引 言国内外学者对气管损伤气道功能重建，对人工气管的基础研究和临床实践做了一定的研究，但对气管软骨的生物力学研究报道较少。前田富兴等1对人工气管的抗变形能力进行了研究。ToomesH 等2 以人工气管气道再建进行运动物实验研究。刘德若等3对人工气管进行了实验研究。徐艳等4研究了纺织结构复合材料人工气管。关于气管软骨的生物力学特性实验国内、外学者们也进行了一定的研究，邓卫军等5对成年离体猪气管进行了生物力学的特性实验。王忆勤6等对大鼠气管的零应力状态进行了研究。 3杨林等7对旋转生物反应器用于提高组织工程气管软骨力学强度进行了研究。
6、以往对气管软骨力学特性研究多以动物气管软骨和一维拉伸实验居多5-7，对人气管软骨应力松弛粘弹性力学特性研究较少。生物材料的粘弹性主要以应力松弛蠕变为表现形式，应力松弛是软组织在恒应变作用下，对载荷松弛适应性的反应，虽然机制尚不清楚，但气管软骨的应力松弛力学特性对于认识吻合口张力，确定气管损伤后的张力临界点具有重要意义。气管由于炎症、肿瘤、损伤等疾患需要进行气道再建，现代呼吸道(气道 )外科手术对气管病变不超过 1/2 程度，可切除病变部位气管后直接缝合吻接,修复和重建气管的功能。当气管切除超过其直接的吻合长度,则需要置换人工气管。鉴于临床实际需要，我们对正常国人尸体气管软骨进行了应力松弛实验，
7、得出了气管软骨 7 200 s 应力松弛量，得出了应力松弛曲线和归一化应力松弛函数曲线。以一元线性回归分析的方法处理实验数据，得出了应力松弛函数方程。2 材料与方法2.1 材料实验标本正常国人新鲜尸体气管标本 2 个，均为男性，25 岁4尸体 1 具，30 岁尸体一具。由白求恩医科大学解剖教研室提供。将气管标本生理盐水浸泡的纱布包裹，装入塑料袋中密封后置于-20冰箱内保存。实验前取出标本在常温下解冻后，以手术刀切取软骨环试样 10 个。2.2 试验装置日本岛津 AG-10TA 自动控制电子万能试验机，该机具有自动控制应力、应变增加速度和使应力或应变保持恒定的功能。载荷通过载荷传感器传递，载荷传
8、感器最大量程 100 N，使用量程 10 N。2.3 应力松弛实验方法首先测量式样的原始尺寸。在软组织测量实验中，测量试样的原始尺寸非常关键。作者采用国内外均认可的准长度理论，即在每一给定条件下式样的长度等尺寸。将试样装夹在软组织实验夹具上，给予满量程 1%的初载做为准长度的基础。利用读数显微镜测量其长度、宽度和厚度，试样的长度为 25 mm，宽度为 5 mm，厚度为 1.82.2 mm，韧带和其他软组织一样，其弹性主要来自熵的改变。因而不存在唯一的自然状态，所以首先对试样进行预调处理，即在同一应力水平下加载-卸载 20 次。对每个试样分别预调处理后5进行实验。将经过预调的 10 个试样分别装
9、夹到软组织专用夹具上，夹具与有机玻璃缸连接，玻璃钢内装 pH 值为 7.4 的生理盐水，试样置于生理盐水中，装有试样的夹具与实验机上、下头连接。试验机带有-35 250 环境温箱。可自动调节温度并保持恒温。本实验模拟正常人体温，在(36.55)的温度场下进行。预先设定好程序，记录方式为 X-T，其中 X 轴为应力，T 轴为时间。本实验以50%/min 的速度对试样施加载拉应变，当应变达到 9.28%，应力达到 1.207 MPa 时保持恒定，应力随时间的改变不断下降。计算机程序设定从时间 t0 开始采集数据，每 10 s 采集一个数据 40 次，之后每 136 s 采集一个数据，采集 50 次
10、，共采集 90个数据，历时 7 200 s 达到设定时间后，计算机自动输出实验曲线和数据。3 结果3.1 应力松弛实验数据和归一化应力松弛函数数据10 个气管软骨试样应力松弛实验数据经统计分析后结果见表1。10 个气管软骨试样归一化应力松弛函数数据见表 2。表 1 应力6松弛实验数据(xs)表 2 归一化应力松弛函数数据3.2 应力松弛曲线对每组 10 个应力松弛试样的实验数据拟合应力松弛曲线见图 1。对每组 10 个试样归一化应力松弛函数数据拟合曲线见图 2。图 1 应力松弛曲线Fig 1 The stress relaxation curve图 2 归一化应力松弛函数曲线Fig 2 Nor
11、malized stress relaxation function curve3.3 归一化应力松弛函数方程的计算归一化应力松弛函数方程的建立：以一元线性回归方法处理实验数据，松弛曲线是以对数关系变化的，因此设G(t)=1c lnt+d t=07t0(1)令 (a,d)=nt=1G(t)-G(实)2则c=0 d=0c11i=1ln2t+d11i=1lnt-11i=1G 实=0c11i=1lnt+d11i=1d-11i=1G 实=0(2)将实验数据带入(2)式，结出屈肌腱 c=-0.0396,d=1.0306。将 c、d 代入(1) 式得出气管软骨：G(t)=1t=0-0.0313lnt+1.
12、0626t04 讨论试验结果表明，气管软骨 7 200 s 应力松弛量为 0.316 MPa，应力松弛最初 600 s 变化较快，达总松弛量的 30%，之后应力缓慢下降，达到 7 200 s 时曲线基本达到平衡，气管软骨的应力松弛曲线是以对数关系变化的。气管软骨在生理上主要是具有一定8的舒张性，吸气时伸长而变粗，呼气时复原。气管具有一定的屈、伸性，屈、伸时气管和气管软骨都承受着一定的生理载荷。气管的力学性能的保持主要是胶原纤维的合理排列分布为弹性支架，通过蛋白多糖的亲水作用来形成局部的张力和渗透张力，当组织受载时，由于压力差大于局部张力使水缓慢流出，当去载时由于组织的膨胀压和渗透压使水流回组织
13、内8。在正常的生理状态下，气管软骨能在生理载荷范围内适应外力的牵拉，表现出一定抗张性。气管组织内含有胶原纤维，胶原纤维具有一定的韧性，胶原蛋白是动物体内含量最丰富的蛋白质，它是一种高级结构，可形成最佳的力学特性。胶原蛋白最最重要的力学性质是拉伸刚度和抗拉强度。软骨是一种多孔的粘弹材料，组织间隙为液体所充满。在应力作用下，液体可在组织中流进或流出(当组织膨胀时流进，收缩时流出)，软骨力学性能随液体的含量而变化。事实上，液体在应力下的流动似乎是这种无血管组织取得营养的主要途径。因此，研究气管软骨应力-应变的关系不仅对于了解软骨传递载荷的特性有必要，而且对于了解组织的健康状况也是非常重要的9，软骨是
14、由一种液相和固相组成，液相主要是水，固相主要是包括胶原纤维和弹性纤维，蛋白多糖和细胞成份。液相主要功能是通过自身的媒介作用把小的溶质传送或扩散于组织内外，固相胶原纤维的网状支架是张应9变和张应力的表述10-11。蛋白多糖的亲水性很强，对维持软骨的粘弹性及对抗压力起着重要作用。本实验初始应力与文献12相同，但本实验 7 200 s 应力松弛量低于文献12 中髋关节软骨和膝关节软骨。承重部位软骨和非承重部位软骨具有不同的力学特性。本实验结果支持软骨的力学性质与软骨的胶原含量呈正相关的观点。软骨所处不同的生理解剖位置及不同的生理功能决定了其粘弹性的存在和其间的差异。本实验以正常人青年新鲜尸体气管软骨
15、为研究对象。更充分地揭示气管软骨作为生物粘弹性材料的力学特性，对临床更具有实际意义。【参考文献】1 前田富兴，久保良彦 Mesh 人工气管的耐变形能研究J.人工脏器，1991，20(2)：641-647.2ToomesH.Experinen tal with prostheticre constructionofthe trachea and bafu-rcationJ.Thorax，1985，40(1)：32-36.3刘德若，王福忠.人工气管的实验研究 J.白求恩医科大学10学报，1888，14(增刊)：147-150.4徐艳，张佩华，王文祖.纺织结构生物复合材料人工气管的开发J.安徽教育学
16、院学报， 2004 20(4)： 11-13.5邓卫军，史宏灿，裴昶.成年离体猪气管生物力学特性的实验研究J.医用生物力学， 2008，(5)：389-393.6王忆勤，滕忠照.大鼠气管零应力状态 J.医用生物力学，2001，(1)：6-9.7杨林，武延格，纪灵，等.旋转生物反应器用于提高组织工程气管软骨力学强度的实验研究J.中国生物医学工程学报，2009，28(1)：103-107.8李振宇，马洪顺，姜洪志.关节软骨力学性能研究 J.试验技术与试验机，1989，(2)：7-9.9冯元桢著.生物力学 M.北京：科学出版社，1983：251.10Askew M J and Mow V C. The biome chanical function of collagen fibril ultrastructure
