腦組織粘彈性力學行為研究.pdf

1、大腦是自然界中最復雜的信息處理和決策系統(tǒng)，是調(diào)控人體各種功能的中樞。腦組織將近80%的含水量使其成為身體中最脆弱的部分。目前，腦損傷已經(jīng)成為威脅人類健康的重大疾病之一。然而關(guān)于腦組織的力學特性與損傷機理的研究有限，嚴重阻礙了腦損傷的有效防護、精確診斷和精準手術(shù)醫(yī)療，研究腦組織的力學行為對于研發(fā)大腦安全防護裝置以及探索腦損傷和腦疾病治療的新方法具有重要意義。
　　腦組織的拉伸斷裂強度小于10 kPa，切割過程易對其造成損傷。為獲得腦

2、組織準確的力學性能數(shù)據(jù)，無損切割得到腦組織（腦干、腦白質(zhì)和腦灰質(zhì)）試樣是重要前提。與文獻報道模具壓制和手術(shù)刀具切割制備試樣的方式不同，基于蚊子“無痛吸血”的啟發(fā)，本文以帶微納米鋸齒結(jié)構(gòu)的金屬絲為刀具并結(jié)合往復振動切割出形狀規(guī)則的腦組織力學性能測試試樣。該切割刀具表面具有疏水性，有效降低了與腦組織的黏附性。
　　在不同應變率下（0.005/s,0.05/s,0.15/s）腦干的壓縮表現(xiàn)出典型的粘彈性特征，傅立葉紅外光譜分析（FT-I

3、R）表明，腦干中存在的CO-NH2、COO―和PO2―等極性基團，將促進生物分子之間以及生物分子與水分子之間的相互作用。差示掃描量熱分析（DSC）表明在加載過程中生物分子鏈的構(gòu)型改變、重排等將引起能量耗散，使腦干表現(xiàn)出粘彈性。上述研究，從微觀角度研究了腦干粘彈性的機理，建立了腦干宏觀力學性能與其分子交互作用、有機官能團的聯(lián)系。此外，通過Ogden、Fung和Gent三種本構(gòu)模型對腦干壓縮實驗數(shù)據(jù)進行擬合，發(fā)現(xiàn)在低應變率下Ogden模型更

4、能表現(xiàn)腦干的硬化現(xiàn)象。在腦白質(zhì)和腦灰質(zhì)不同應變率下（0.005/s,0.025/s,0.15/s,0.25/s）的拉伸實驗中，白質(zhì)比灰質(zhì)表現(xiàn)出更大的剛度，在較高應變率（>0.005/s）下白質(zhì)比灰質(zhì)吸收更多的能量，而在低應變率（0.005/s）下灰質(zhì)吸收更多的能量。為了理解白質(zhì)和灰質(zhì)粘彈性差異的原因，通過DSC和FT-IR對灰、白質(zhì)進行分析，結(jié)果表明白質(zhì)中強極性基團和氫鍵的存在強化了其生物分子間的交互作用，降低了生物分子的柔順性，因此在