皮下脂肪组织本构模型及其生物力学性能研究进(2)
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【摘要】COMLEY 等[21-23]基于猪的皮下脂肪组织进行大范围应变率(10-4~5 000 s-1)的力学性能试验。低应变率试验样本直径为10 mm,厚度为8 mm,中、高应变率试验样本
COMLEY 等[21-23]基于猪的皮下脂肪组织进行大范围应变率(10-4~5 000 s-1)的力学性能试验。低应变率试验样本直径为10 mm,厚度为8 mm,中、高应变率试验样本直径为10 mm,厚度为3 mm。采用霍普金森压杆(SHPB)装置进行脂肪组织的高应变率(1 000 ~5 700 s-1)单轴压缩试验。根据准静态条件下应变为25%的拉伸压缩循环加载试验结果,提出脂肪组织在拉伸压缩时具有对称的力学响应。该研究发现在准静态到高应变率的应变率范围内,应力的大小随应变率增加而增加,但应力-应变曲线的形状是不变的,仅其弹性模量的缩放因子有所不同。同时,当应变率低于10 s-1时,脂肪组织对应变率响应不灵敏,弹性模量值约1 kPa。通过对比Ogden 本构模型曲线与3 组典型的脂肪组织应力-应变曲线,指出Ogden 应变能密度模型可以充分描述各个应变率试验中的数据。根据脂肪组织表现出的不可压缩性与非线性行为,该研究认为在任何给定的应变率下,单项Ogden 本构模型都能够体现脂肪组织的应力-应变关系。基于试验数据拟合得到Ogden系数范围为20~23,给出0~5 700 s-1内脂肪组织的剪切模量。此外,该研究还提出脂肪组织密度为920 kg/m3,体积模量为0.5 GPa,这与SARAF 等[24]在动态载荷下所测量的人体胃、心脏、肝、肺等软组织体积模量结果相一致。
随后,COMLEY 等[25]对脂肪组织微观结构进行了研究,建立了一个脂肪组织弹性模量的微观力学模型。利用电子扫描显微镜对脂肪组织细胞微观结构进行观察,测得脂肪细胞密度与胶原小叶间隔相对密度分别为0.1 与3×10-4。指出脂肪组织的模量由脂肪细胞周围的胶原网格决定,在37 ℃下可将其理想化为不可压缩的无粘性流体。提出低应变率下脂肪组织的弹性模量约为1 kPa。通过试验并参考相关研究,认为增强基底膜在宏观模量中占主导地位,整体有效模量由增强基底膜和隔膜纤维的模量累加,进而建立了一个脂肪组织弹性模量的微观力学模型,用以确定微观结构与宏观模量之间的关系。该研究基于微观结构,从生物解剖学角度阐述了脂肪组织表现出的几乎不可压缩性,并构建了微观力学模型。
ALKHOULI 等[29]研究并比较了具有不同生理功能的人体皮下脂肪组织与网膜组织的力学性能。脂肪样本来自于44 名接受手术的患者,长8 ~17 mm,宽3 ~6.5 mm,厚度1.5 ~3.5 mm,测得拉伸与应力松弛试验数据,并提出当应变高于30%时脂肪组织出现撕裂的风险很高。在人体脂肪组织的拉伸试验中观测到的非线性应力-应变行为与COMLEY 等[19,21,28]及GEFEN 等[18]的研究结果类似。该研究基于人体皮下脂肪,对脂肪组织损伤容限的确定具有极大参考价值。
CALVO-GALLEGO 等[33]采用单轴压缩应力松弛试验,研究了人体腹部脂肪组织的粘弹性力学性能。使用准线性粘弹性模型和内部变量粘弹性模型来拟合试验数据,每一个粘弹性模型都分别用4 种不同的超弹性应变能密度函数表征弹性响应,5 项多项式函数、一阶Ogden 函数、各向同性Gasser-Ogden-Holzapfel 函数以及Neo-Hookean 与指数函数的组合,提出内部变量粘弹性模型与Ogden 函数是拟合试验数据的最佳组合。在模拟脂肪组织的本构模型中,CHAGNON 等[35]的研究指出Neo-Hookean 模型适用于小应变。
1.3 剪切试验
PATEL 等[17]基于流变剪切试验与恢复试验,对人体腹部脂肪组织力学性能进行了研究,该研究样本来自女性腹部真皮组织下方2 ~4 mm。通过流变试验测量脂肪组织的粘度、弹性模量和粘性模量,发现脂肪组织随剪切速率增大粘度不断降低,呈现剪切稀化特性。利用压痕仪在不同应变率下测量脂肪组织变形的可恢复性能,发现即使在脂肪组织发生最小的变形卸载后,其变形也不能恢复。此外,在加载力不断增大时脂肪组织会发生失效损坏。
GEERLIGS 等[19]测量和描述了皮下脂肪组织小应变情况下的线性粘弹性行为。利用猪背部中层皮下脂肪组织进行剪切试验,样本直径为8 mm,厚度为1.5 ~2 mm。研究发现在线性粘弹性状态下,0.1%应变内,储能模量与耗能模量对频率及温度具有依赖性行为,且在37℃时10 rad/s 加载下脂肪组织剪切模量为7.5 kPa,并引入幂函数模型来描述恒温下的脂肪组织频率相关行为与应力松弛行为。该研究还分析了脂肪样本快速冷冻保存方法的效果,指出组织学检查显示冷冻后可能出现组织损伤,但机械性质没有改变。而后GEERLIGS 等[27]基于剪切试验,研究了白脂肪的触变性和抗触变性,并提出如果样本卸载后给予足够的恢复时间,其能够完全恢复形变。
文章来源:《医用生物力学》 网址: http://www.yyswlx.cn/qikandaodu/2021/0417/391.html