脑组织不仅是人体中最复杂,也是最为敏感、脆弱的器官。外部载荷作用往往会引起内部脑组织的应力/应变,而应力/应变范围超过脑组织所能承受的载荷极限时,则会造成暂时性或永久性的脑部结构损伤与功能障碍。由于外部冲击而造成的外伤性脑损伤是导致中国人群死亡的重要因素,已成为我国重大的公共卫生问题。另一方面,脑组织自身的力学性能也在大脑发育、颅内疾病(如肿瘤发育、脑积水等)等领域发挥着重要的作用。因此,研究脑组织的力学行为不仅对脑神经发育、脑损伤机制分析等基础生命科学领域的研究提供重要理论基础,也对相关颅内疾病的有效防护、精确诊断和精准手术医疗具有重要的指导意义。相比于拉伸、压缩、剪切等宏观力学性能测试技术,压痕测试作为一种接触式微/无损检测方法,其检测过程不受材料表面形貌制约,并可基于不同尺度压头实现试样跨尺度区域特异性的力学表征,因此被视为一种理想的生物组织力学性能检测手段。然而,相比于传统工程材料的压痕测试技术与方法,生物压痕技术,尤其是以脑组织为代表的生物软组织压痕测试技术,在测试方法、数据分析等方面尚存在不足。对此,本文在自制的压痕测试系统的基础上,针对脑组织的特殊力学参数,对测试系统进行了生物压痕的功能性扩展,搭建了具有电场加载、宏/微观压头切换功能的生物压痕测试系统。结合生物(软)组织的本构特征,在传统压痕测试技术的基础上总结归纳了生物压痕测试过程中的关键技术与方法。通过对脑组织的压痕试验研究,获取了不同组织区域、不同条件下脑组织的力学性能差异,并分析了脑组织宏观力学性能与微观组织结构之间的联系。论文具体工作如下:(1)综述分析了脑组织力学性能研究及相关测试技术的发展现状,归纳了经典压痕测试理论与生物脑组织本构特征,并针对以脑组织为代表的生物软材料总结了生物压痕测试过程中涉及压头选择、参数优化、数据处理等方面的关键技术与方法。介绍了本文所采用的生物压痕测试系统的模块组成,对测试系统中的驱动元件与检测元件进行了标定。开展了不同扩展模块下水凝胶压痕的验证性试验,确保了生物压痕测试系统数据获取的可靠性与准确性。(2)开展了脑组织宏观压痕试验研究。(1)研究了不同半脑对脑组织力学性能的影响。开展了相同试验参数、相同位置下左、右脑组织的压痕对比试验,结果表明左、右脑组织在力学性能上并不存在显著性差异。(2)研究了不同区域对脑组织力学性能的影响。试验将大脑组织分为前、中、后三个区域,通过对比不同区域脑组织压痕测试结果,发现了不同区域脑组织力学性能的差异性。其中,后部区域脑组织强度较低;前部区域脑组织强度较高。(3)研究了不同试验参数对脑组织力学性能的影响。脑组织作为典型的粘弹性生物材料,其力学测试结果与加载速率有着直接的关系,而现阶段大多数脑组织压痕试验将加载速度作为试验参数。本文综合考虑压痕过程中压头尺寸、加载速度、压痕深度等相关参数,通过引入压痕应变速率这一参考量,研究了压痕应变速率对脑组织力学性能的影响。结果表明脑组织力学性能与应变速率相关:压痕应变速率越大,脑组织剪切模量越大,并且在应力松弛过程中展现出更强的粘性与更快的响应速度。(3)开展了电场作用下生物脑组织力学行为研究与作用机理分析。针对生物医学领域中涉及的电场治疗方法(如深部电刺激疗法)等应用背景,本文借助压痕测试系统中的电场加载模块,研究了不同电场强度对脑组织力学性能的影响。结果表明,电场强度的增加会弱化脑组织弹性性能,并使得其在粘弹性行为上粘性降低,响应速度加快。通过对脑组织测试过程中阻抗变化、温度影响及形貌特征的分析,获取了脑组织力学行为与电学参数间的演化规律与作用机理:电场加载过程中的热效应对脑组织力学性能的影响较小,脑组织电场作用下力学性能的变化可能与压头/脑组织间的氧还原反应及脑组织内部的分子结构变化有关。(4)跨尺度生物脑组织力学行为的表征。基于生物压痕测试系统中的宏/微观压头切换模块,获取了不同尺度(宏观与微观)压头作用下脑组织的压痕响应,研究了脑组织在不同尺度下力学性能的差异。结果表明,与宏观尺度相比,脑组织在微观条件下展现出较高的剪切模量与较快的响应速度。通过结合脑组织非均匀性等微观特征的分析,总结了脑组织宏观力学行为与微观结构间的功能特性演化关系:相同应变速率下宏观压痕深度远远大于微观压痕深度,使得脑组织内部白质的影响在宏观尺度下更为明显。与外部灰质相比,白质在微观结构上具有更多的细胞、蛋白多糖、与脂质。其中细胞作为组织中最软的成分,会弱化脑组织的强度;而蛋白多糖可与脑组织中水分子结合,使脑组织在压痕过程中展现出更明显的粘弹性行为。