试样温度和几何对脑组织生物力学响应的影响研究

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影响脑组织生物力学响应的因素有很多,其中温度和试样几何被认为是两个重要的方面。温度的影响涉及到试样保存环境的温度、试样自身的温度以及试验环境温度。不同的试样温度可能会对脑组织力学特性产生不同的影响,因此有必要研究试样温度对脑组织生物力学性能的影响。脑组织软易变形,导致无法获取标准的规则脑组织试样,这也是大多数研究者在对脑组织试样进行研究时多采用理想几何模型代替实际几何的原因。然而,以理想模型代替试样实际几何可能会带来较大误差。因此,研究试样几何对脑组织力学性能的影响也很有必要。  为研究试样温度对脑组织力学性能的影响,从新鲜的猪脑组织上获取尺寸为Ф9 mm×6 mm的圆柱体状试样,在四种不同的试样温度(13℃、20℃、27℃和37℃)下,分别以0.05 mm/s和5 mm/s的加载速率进行无约束单轴压缩试验,记录试样的压缩力-位移曲线,并采用转换公式获取相应的工程应力-应变曲线。使用单因素方差分析或非参数检验,研究试样温度对脑组织力学特性的影响。同时使用Tukey分析方法进行多重组间比较,分析不同试样温度间工程应力的差异。结果表明,无论高速还是低速工况下,试样温度在20-37℃范围内,脑组织的工程应力没有显著性差异。在试样温度为13℃时,高应变率工况下的工程应力显著增大。  为研究试样几何对脑组织力学响应的影响,采用内径为Ф14 mm的柱型刀模和间距为10 mm的组合刀具从新鲜猪脑中获取圆柱体状试样。通过逆向工程获取脑组织试样的实际几何,利用加载速率为5 mm/s的动态无约束单轴压缩试验获取每个试样的力-位移曲线。基于特定样本的有限元模型,通过求取材料参数拟合仿真和试验的力-位移曲线,并将最终拟合良好的材料参数代入标准尺寸圆柱形几何模型中计算力-位移曲线。结果表明,在相同的材料参数下,实际几何试样与理想几何试样的生物力学响应存在显著差异。  不同的试样温度会影响脑组织压缩力学特性,尤其在低温下影响更显著。因此,在探究活体组织生物力学试验的研究中,应该尽可能保证脑组织试样的温度与在体状态一致。以理想模型代替试样实际几何进行脑组织有限元分析或材料参数识别,会对脑组织材料本构参数带来较大影响。因此,在对脑组织的材料力学响应进行分析时,建议采用实际几何进行分析。
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