董雷 王盛章 宋建星

鼻部的軟骨主要包括大翼軟骨、側(cè)鼻軟骨和鼻中隔軟骨，是鼻部的主要力學(xué)結(jié)構(gòu)。本研究測(cè)量上述鼻軟骨的彈性模量，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析獲得較為準(zhǔn)確的鼻部軟骨結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步運(yùn)用生物力學(xué)方法分析鼻及相關(guān)畸形提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

鼻部結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)性質(zhì)的主要指標(biāo)為彈性模量和泊松比。彈性模量(Elastic Modulus，EM)是材料發(fā)生應(yīng)力-應(yīng)變過程中的比例常數(shù)，用以說明不同組織對(duì)變形的抵抗能力，彈性模量越高，產(chǎn)生一定應(yīng)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(nèi)，橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)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(xué)分析中，彈性模量是最為重要的指標(biāo)。對(duì)于鼻部的生物力學(xué)分析，鼻部結(jié)構(gòu)中的軟骨是主要的力學(xué)結(jié)構(gòu)，也就是我們力學(xué)分析中所關(guān)注的重點(diǎn)和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。因此，鼻部軟骨的生物力學(xué)性質(zhì)，是我們進(jìn)行鼻部生物力學(xué)分析的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要實(shí)驗(yàn)器材

SONY數(shù)碼照相機(jī)；手術(shù)切開包；電子游標(biāo)卡尺；INSTRON 3365萬能試驗(yàn)機(jī)(美國Instron公司)；Bluehill 2材料測(cè)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(cè)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(xué)解剖教研室2008～2013年中儲(chǔ)存的成人尸體。共采集尸體鼻部標(biāo)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(jīng)過10%福爾馬林浸泡3個(gè)月以上，尸體標(biāo)本固定良好，無腐爛、變形等。

1.3 標(biāo)本的保存和制備

1.3.1 標(biāo)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(cè)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(biāo)示相關(guān)編號(hào)和軟骨名稱，常溫儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 標(biāo)本的制備

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

1.4鼻部軟骨標(biāo)本的彈性模量測(cè)量

1.4.1 壓縮彈性模量的測(cè)量

萬能試驗(yàn)機(jī)的測(cè)試臺(tái)換為測(cè)試壓縮彈性模量的上下托盤(圖1)；將制備好的正方形測(cè)試標(biāo)本從生理鹽水中取出，稍拭干，放置于萬能試驗(yàn)機(jī)的下方托盤上；啟動(dòng)萬能試驗(yàn)機(jī)和控制電腦，進(jìn)入Bluehill 2材料測(cè)試軟件，選擇壓縮模量測(cè)試方法，輸入測(cè)試標(biāo)本的邊長和厚度等數(shù)值；壓縮位移速度為2 mm/min；設(shè)定壓縮后材料的形變可能數(shù)值；設(shè)定輸出的曲線圖和其他數(shù)據(jù)；移動(dòng)萬能試驗(yàn)機(jī)上方托盤至緊貼測(cè)試標(biāo)本上方；將初始力量和位移調(diào)零；進(jìn)行10次左右的壓縮預(yù)調(diào)實(shí)驗(yàn)；上述所有條件準(zhǔn)備完成后，開始進(jìn)行測(cè)試；測(cè)試過程中查看測(cè)量曲線，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)中斷及調(diào)整；測(cè)量后查看測(cè)試標(biāo)本并移除，擦拭托盤，準(zhǔn)備下一輪測(cè)量。

圖1 壓縮實(shí)驗(yàn)的托盤Fig.1Pallet in compression experiment

圖2 拉伸實(shí)驗(yàn)的夾具Fig.2Fixture in tensile experiment

1.4.2 拉伸彈性模量的測(cè)量

萬能試驗(yàn)機(jī)的測(cè)試臺(tái)換為測(cè)試?yán)鞆椥阅Ａ康纳舷聤A具(圖2)；將制備好的長方形測(cè)試標(biāo)本從生理鹽水中取出，稍拭干，放置于萬能試驗(yàn)機(jī)的夾具中夾緊；為了夾緊標(biāo)本的同時(shí)又不至于將軟骨標(biāo)本夾碎，在樣本和夾具之間墊上兩層紗布；測(cè)量上下夾具之間的軟骨標(biāo)本長度；啟動(dòng)萬能試驗(yàn)機(jī)和控制電腦，進(jìn)入Bluehill 2材料測(cè)試軟件；選擇拉伸模量測(cè)試方法；輸入測(cè)試標(biāo)本的長度、寬度和厚度等數(shù)值；拉伸位移速度為2 mm/min；設(shè)定拉伸后材料的形變估算數(shù)值；設(shè)定輸出的曲線圖和其他數(shù)據(jù)；將初始力量和位移調(diào)零；進(jìn)行10次左右的拉伸預(yù)調(diào)實(shí)驗(yàn)；上述所有條件準(zhǔn)備完成后，開始進(jìn)行測(cè)試；測(cè)試過程中查看測(cè)試曲線，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)中斷及調(diào)整；測(cè)試后查看測(cè)試標(biāo)本并移除，擦拭夾具，準(zhǔn)備下一輪測(cè)試。

2 結(jié)果

在鼻部主要軟骨的彈性模量測(cè)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(shí)際狀態(tài)的彈性模量值。

2.1 壓縮彈性模量數(shù)據(jù)

應(yīng)力－應(yīng)變曲線和統(tǒng)計(jì)學(xué)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(cè)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(cè)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(jié)果及統(tǒng)計(jì)學(xué)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(cè)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(gè)位數(shù)的數(shù)量級(jí)(單位:MPa)，提示相對(duì)于人體其他荷重軟骨和骨性結(jié)構(gòu)，鼻部主要軟骨的彈性模量值相對(duì)較小，這就是外鼻部在受力的情況下易產(chǎn)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(cè)定是生物力學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程中較為常見的測(cè)量工作。鼻部軟骨主要是彈性軟骨，但是其彈性模量的測(cè)量較少報(bào)道。Richmon等[1]于2005年報(bào)道了鼻中隔軟骨的拉伸彈性模量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[(4.99±0.49 MPa]；2006年，Richmon等[2]報(bào)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(duì)于鼻大翼軟骨和側(cè)鼻軟骨的彈性模量測(cè)定至今未有報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)首次測(cè)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(guān)數(shù)據(jù)。

在鼻整形領(lǐng)域，組織工程學(xué)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(yīng)用[4]，其強(qiáng)度、彈性、滲透性等物理性質(zhì)的研究具有重要意義[5]。因此，鼻部軟骨組織彈性模量的測(cè)定，是我們分析比較各類鼻部植入材料的力學(xué)性質(zhì)的重要的參考標(biāo)準(zhǔn)。

鼻部軟骨從生物力學(xué)角度可以看作是一個(gè)固液二相材料[6]，即由固體基質(zhì)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(xué)性質(zhì)和其構(gòu)成緊密相關(guān)，這些成份的結(jié)構(gòu)和相對(duì)含量的變化可引起軟骨生物力學(xué)性質(zhì)的變化[7-9]。同時(shí)，軟骨內(nèi)基質(zhì)和彈性纖維的結(jié)構(gòu)和分布，決定了該材料的彈性模量性質(zhì)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(cè)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(cè)得的性能數(shù)值不同。對(duì)于鼻部軟骨的彈性模量來講，以往的測(cè)試實(shí)驗(yàn)顯示，在壓縮彈性模量的測(cè)試中，鼻中隔軟骨的各方向彈性模量數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差別，顯示出各向異性[2]；而在拉伸彈性模量的測(cè)試中，鼻中隔軟骨的各方向彈性模量數(shù)據(jù)沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)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(guān)，取決于軟骨內(nèi)基質(zhì)和彈性纖維的結(jié)構(gòu)、分布和走向等因素[12-13]。本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)鼻部軟骨的彈性模量測(cè)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(jìn)行彈性模量的測(cè)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(shí)驗(yàn)提示，在壓縮彈性模量的測(cè)試中鼻中隔軟骨表現(xiàn)出各向異性，但是就統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)來看，其各方向的彈性模量絕對(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)中差距都很??；②假設(shè)成人尸體的鼻部軟骨存在各向異性，在經(jīng)過10%福爾馬林浸泡后，其各向異性的性質(zhì)可能已被破壞；③在我們下一步要進(jìn)行的有限元生物力學(xué)分析中，可以將鼻部軟骨看作各向同性的材料進(jìn)行分析；④對(duì)于鼻部軟骨這樣微小的組織結(jié)構(gòu)而言，目前我們的材料制備設(shè)備和測(cè)試設(shè)備尚存在較大的誤差，條件尚不具備。因此，本實(shí)驗(yàn)中我們只測(cè)試了鼻部軟骨單個(gè)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(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力和應(yīng)變的增加，軟骨的應(yīng)力-應(yīng)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(shì)，說明對(duì)于鼻部各軟骨來講，當(dāng)其所受的應(yīng)力逐步增加時(shí)，彈性模量呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化，總體趨勢(shì)不斷增加直至軟骨被拉斷或壓縮至極限。相對(duì)于關(guān)節(jié)軟骨等負(fù)重軟骨，鼻部軟骨屬于非負(fù)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(fù)原形態(tài)的作用，這對(duì)于我們分析鼻軟骨的彈性模量測(cè)試曲線具有重要意義。鼻軟骨的受力和功能決定了我們?cè)诜治霰擒浌菑椥阅Ａ繙y(cè)試曲線時(shí)，彈性模量的取值應(yīng)該取受較小的力或者發(fā)生微小形變階段時(shí)的彈性模量值，這時(shí)的彈性模量值是鼻部軟骨最接近現(xiàn)實(shí)情況的數(shù)值。

本實(shí)驗(yàn)中，我們采集了10具成人尸體的鼻部軟骨進(jìn)行彈性模量的測(cè)試。尸體經(jīng)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(jìn)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(zhì)和彈性纖維經(jīng)固定后，發(fā)生變性，彈性下降，彈性模量增大，但基本結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化；②經(jīng)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(shí)因素的制約，我們尚不能取得較多的活體鼻翼軟骨、側(cè)鼻軟骨等軟骨組織進(jìn)行測(cè)量分析。將尸體和活體鼻中隔軟骨彈性模量進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，兩者彈性模量值在絕對(duì)值上存在較大差異，但在數(shù)量級(jí)上沒有差別，所以我們認(rèn)為經(jīng)尸體采集鼻部軟骨的彈性模量值仍適用于單側(cè)唇裂鼻畸形的生物力學(xué)研究。

綜上所述，本研究測(cè)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(gòu)成軟骨的彈性模量數(shù)值。經(jīng)統(tǒng)計(jì)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(guān)，與鼻軟骨的基質(zhì)結(jié)構(gòu)和彈性纖維的分布、走行相關(guān)。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)側(cè)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(jié)構(gòu)中所處的位置和作用相關(guān)。另外，鼻部軟骨的彈性模量均為個(gè)位數(shù)的數(shù)量級(jí)(單位:MPa)，提示相對(duì)于人體其他荷重軟骨和骨性結(jié)構(gòu)，鼻部主要軟骨的彈性模量值相對(duì)較小[21]，導(dǎo)致外鼻部在受力情況下產(chǎn)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(cè)塌陷鼻翼畸形的原因。當(dāng)然，目前對(duì)于鼻部各軟骨的彈性、強(qiáng)度、滲透性等物理性質(zhì)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(cè)鼻軟骨的相關(guān)研究數(shù)據(jù)更是缺乏。對(duì)該問題的深入研究，將為組織工程、生物醫(yī)學(xué)工程、生物材料學(xué)以及生物力學(xué)的發(fā)展提供有效的標(biāo)準(zhǔn)化參考數(shù)據(jù)，從而為推動(dòng)組織工程學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)、生物材料學(xué)以及生物力學(xué)的發(fā)展奠定良好的人體組織結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)[23]。

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