气管软骨应力松弛的实验研究
【关键词】 气管软骨;应力松弛;粘弹性;力学特性
【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(36.5±0.65)℃，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;应力松弛;粘弹性;力学特性
the experimental study of tracheal cartilage stress relaxationsun changjiang1，feng tiejian2，lu¨ yaping3，ma hongshun4
(1.china-japan friendship hospital, jilin university，changchun 130031，china;
2.nanling campus hospital of jilin university，changchun 130022;
3.daqing petroleum institute mechanical science and engineering college，province daqing 163308，china;
4.project strength departments of nanling school,jilin university changchun 130022)
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.the increasing speed of the stress relaxation experiment strain was 50%/min.experimental temperature was (36.5±0.65)℃，the 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 relaxation 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;viscoelastic;mechanics characteristic
1 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。WWW.11665.com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。 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。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，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1.8～2.2 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进行实验。
将经过预调的10个试样分别装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(36.5±5)℃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，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 应力松弛实验数据(x±s)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 normalized stress relaxation function curve
3.3 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)=1
c lnt+d t=0
t>0(1)
令φ(a,d)=∑nt=1[g(t)-g(实)]2
则φc=0 φd=0
c∑11i=1ln2t+d∑11i=1lnt-∑11i=1g实=0
c∑11i=1lnt+d∑11i=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+1.0626t>0
4 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】
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