腦組織粘彈性力學(xué)行為研究.pdf

1、大腦是自然界中最復(fù)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(xué)特性與損傷機(jī)理的研究有限，嚴(yán)重阻礙了腦損傷的有效防護(hù)、精確診斷和精準(zhǔn)手術(shù)醫(yī)療，研究腦組織的力學(xué)行為對于研發(fā)大腦安全防護(hù)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(qiáng)度小于10 kPa，切割過程易對其造成損傷。為獲得腦

2、組織準(zhǔn)確的力學(xué)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(xiàn)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(fù)振動切割出形狀規(guī)則的腦組織力學(xué)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(yīng)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(tuán)，將促進(jìn)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(jī)理，建立了腦干宏觀力學(xué)性能與其分子交互作用、有機(jī)官能團(tuán)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(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)在低應(yīng)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(yīng)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(yīng)變率（>0.005/s）下白質(zhì)比灰質(zhì)吸收更多的能量，而在低應(yīng)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(jìn)行分析，結(jié)果表明白質(zhì)中強(qiáng)極性基團(tuán)和氫鍵的存在強(qiáng)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