脑组织粘弹性力学行为研究
目录
摘要............................................................................................................................. I Abstract ............................................................................................................................. II 1 绪论 (1)
1.1 研究背景及意义 (1)
1.2 人体颅脑结构 (2)
1.3 国内外研究现状 (3)
1.3.1 脑组织力学性能研究方法 (3)
1.3.2 脑组织离体实验影响因素 (6)
1.3.3 脑组织离体实验面临的挑战 (9)
1.3.4 脑组织医用水凝胶 (10)
1.4 本文主要研究内容 (12)
1.5 本章小结 (13)
2 脑组织切割工具的设计准则 (14)
2.1 疏水基本理论 (14)
2.2 表面微纳结构对疏水性的影响 (18)
2.3 微纳金属丝刀具 (20)
2.4 本章小结 (22)
3 脑组织的粘弹性特征 (23)
3.1 实验样本制备 (23)
3.2 力学装置和实验环境 (24)
3.3 脑干粘弹性特征 (25)
3.3.1 压缩实验 (25)
3.3.2 差示扫描量热分析 (27)
3.3.3 红外光谱表征 (28)
3.3.4 本构模型拟合 (30)
3.4 白质和灰质粘弹性特征 (32)
3.4.1 拉伸实验 (32)
3.4.2 差示扫描量热分析 (35)
3.4.3 红外光谱表征 (36)
3.4.4 松弛实验 (37)
- IV -
3.5 本章小结 (38)
4 脑科医用可注射水凝胶的制备与性能表征 (39)
4.1 前言 (39)
4.2 材料和方法 (40)
4.2.1 实验材料与仪器 (40)
4.2.2 壳聚糖/甘油磷酸钠/透明质酸钠可注射水凝胶制备方法 (41)
4.2.3 水凝胶流变分析 (42)
4.2.4 水凝胶形貌表征 (42)
4.2.5 阿霉素体外缓释实验 (43)
4.3 结果与讨论 (43)
4.3.1 水凝胶形成机理 (43)
4.3.2 水凝胶成胶温度及其力学强度 (44)
4.3.3 水凝胶形貌分析 (47)
4.3.4 体外缓释实验 (48)
4.4 本章小结 (51)
结论 (52)
参考文献 (54)
攻读硕士学位期间发表学术论文情况 (63)
攻读硕士学位期间获得荣誉奖励情况 (65)
致谢 (66)
大连理工大学学位论文版权使用授权书 (68)
1 绪论
1.1 研究背景及意义
人脑是位于颅腔内的复杂生物软组织结构，脑内与表面布满了脑血管、脑神经等复杂网络，脑神经与脑紧密联系，进出脑部各个区域[1-3]，是调控人体各种功能的中枢，因而人脑成为身体中最复杂的生物组织系统，并且脑中含有接近80%的水分，其等效弹性模量和拉伸断裂强度均在0.1～10 kPa范围[4-6]，同时也成为身体最脆弱的部分。脑组织遇到意外事故极易造成损伤，对脑组织的损伤往往会导致终身残疾，甚至会危及生命。脑损伤主要是指由突发外力引起的脑组织内部应力和应变（拉、压、剪）超过某一极限引起的物理损伤。按其致伤因素可分为直接与间接暴力两种，引起损伤的力直接作用于头部称为直接暴力，例如头部遭受外物打击迫使其瞬间运动（加速性损伤）或者运动者的头部突然碰到外物瞬间转变为静态（减速性损伤）等；间接暴力指力作用于身体的其他部位而后传递到脑部，如胸部受到挤压导致其内部压力增加致使血液逆流至颅内造成脑组织损伤等。日常生活中磕碰、跌落、体育运动、工业生产、车祸等都可能造成脑损伤。通过数据调查发现在欧美等国家脑损伤引起的残疾和死亡已经达到伤亡总人数的15%[7, 8]，每年因为脑损伤事故在欧盟地区的损失估值就高达1600亿欧元[9]。全世界范围内，各种类型的交通事故是导致脑损伤的第一因素。据统计，全世界仅仅由于交通事故平均每天就有近3300人死亡，其中脑损伤致死比例高达68％。根据美国疾病控制与预防中心的统计数据[10]，每年创伤性脑损伤影响的总人数约有250万，超过56000人死亡，其中20%来自车祸。交通事故导致脑损伤的病人不但伤情严重，而且合并多脏器损伤比例高。在发生事故时许多轻微创伤性脑损伤不会立即有明显的症状，这会让伤者错过最佳的治疗时间，即使康复后也往往会留下后遗症，严重威胁人身健康。
由于脑在人类生命健康中占有如此特殊地位，无论在日常生活还是突发的意外事故中，对脑组织进行有效防护都至关重要。为了制定有效的预测和防护措施，需要建立合适的力学分析模型，针对不同事故可能出现的损伤情况进行评估，从而能更为有效的防范和指导伤后的治疗恢复。脑组织是非均质各向异性的复杂生物超软物质，研究其力学问题涉及多尺度、固液两相耦合作用，完全搞清脑组织在外力作用下的损伤机理依然是最具挑战性的生物力学问题。当脑损伤或者颅内疾病（如脑肿瘤、脑溢血等）不幸发生而需要开颅手术治疗时，若要保证超软、超低强度的脑组织不发生二次损伤（或者损伤最低），需要脑组织力学知识作指导。随着无损影像技术和自动化技术在脑科医疗领域的应用，为了实现对脑组织应力与应变的精准预测以达到诊治效果，也需要知道用于脑