【摘 要】
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生物软组织力学性能是力学、医学、材料等领域的研究热点之一。脑组织是人体中最神奇,同时又是最软、最脆弱的器官。由于撞击引起的外伤性脑损伤是导致死亡或严重残疾的主要
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生物软组织力学性能是力学、医学、材料等领域的研究热点之一。脑组织是人体中最神奇,同时又是最软、最脆弱的器官。由于撞击引起的外伤性脑损伤是导致死亡或严重残疾的主要原因之一,例如,日常生活中磕碰、跌落、车祸等事故。大脑在撞击过程中,会产生压缩、拉伸、剪切变形,导致脑组织损伤。为了发展有效可靠的防护和预测措施,需要准确地测试脑组织的力学性能,以建立合适的设计和分析模型。另外,随着自动化技术和虚拟现实技术在医疗领域的发展,也需要基于脑组织力学性能给出的理论分析模型,实现对脑组织在外力作用下应力和应变的准确预测。本文在调研国内外研究现状的基础上,围绕着“脑组织的力学性能”这个问题展开分析和研究。鉴于脑组织白质和灰质混合试件并不能准确的反映脑组织的力学性能,利用自行研制的微创医用往复切割装置制备纯白质、灰质试件。探究白质和灰质在力学性能上的区别。主要内容如下：对脑组织白质和灰质进行系列拉伸、压缩和拉伸-松弛试验,结果显示白质和灰质在拉伸试验和压缩试验中的应力-应变关系均具有较强的率相关性且白质的弹性模量高于灰质(应变率>0.025/s)。在拉伸-松弛试验中,相同初始应变下,白质的弛豫时间要长于灰质,而初始应变的改变对应力衰减率的影响不明显。针对白质和灰质这些力学性能的差异,进行了脑组织力学性能机理的研究。通过差示扫描量热法(DSC)分析白质和灰质试样,分别计算焓变,发现在相变过程中灰质要会比白质耗散更多的能量。通过红外光谱分析(FTIR)发现白质中的强极性基团和氢键的存在提高了白质生物分子间的相互作用,降低了生物分子的柔顺度,解释为什么白质的能量耗散能力要低于灰质。最后,使用Matlab软件将不同应变率下脑组织的拉伸试验数据拟合得到超弹性力学本构模型,将拉伸-松弛试验数据拟合得到粘弹性力学本构模型。
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