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(yáng) 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(jiàn)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(kāi)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)象，采用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)大鼠頭顱進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，檢測(cè)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(cè)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(wàn)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(cè)；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(cè)。

1.2.2生物力學(xué)參數(shù)檢測(cè)試驗(yàn) 將頭顱模型置于電子萬(wàn)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(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)軟件自動(dòng)計(jì)算輸出極限載荷(檢測(cè)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(duì)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(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見(jiàn)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(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-1.673，P>0.05)。見(jiàn)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(wú)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(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見(jiàn)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(cè)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(duì)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(cè)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(xiàn)、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(duì)性地開(kāi)展特定加載條件下的顱骨材料參數(shù)及損傷響應(yīng)檢測(cè)[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(cè)條件的不一致有關(guān)[13,16]。研究表明，測(cè)試樣本的狀態(tài)(新鮮、防腐保存)、測(cè)試方式(拉伸、壓縮及彎曲)及測(cè)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(cè)[17-18]。準(zhǔn)靜態(tài)壓縮測(cè)試速率、溫度及年齡是否對(duì)顱骨的材料參數(shù)存在影響，少見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

顱骨類(lèi)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(shì)，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(guò)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(jiàn)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(shì)。Hrapko等[20]檢測(cè)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(cè)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(wú)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(guò)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(zhǎng)度、厚度、重量、突起、結(jié)節(jié)及隆線(xiàn)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(lèi)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(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

經(jīng)對(duì)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(shì)。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(duì)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(duì)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(kāi)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(duì)象，檢測(cè)并分析不同溫度、性別及壓縮速率條件對(duì)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]。