利用压痕与拉伸试验对人体软组织进行生物力学表征

该技术的总体目标是利用压痕和拉伸测试来表征人体软组织的力学性能。该方法有助于回答组织工程领域中的关键问题，例如，为了替代功能衰竭或受损的人体器官，我所设计的植入物应具备多大的刚度。这些技术的主要优势在于其具有非破坏性，且易于实施。

我们最初在设计合成耳部和鼻部植入物时产生了这种方法的想法，并思考材料应具备多大的刚度。通常，初次使用该方法的研究人员会因样品制备不当以及测试设置困难而遇到挑战。首先，从接受外科手术并签署知情同意书的患者，或为科研目的已签署同意书的遗体上获取皮肤样本或其他组织样本。

将皮肤样本放入培养皿中，并用 PBS 覆盖以保持组织湿润。使用手术刀片和镊子手动剥离样本中的脂肪组织和深层真皮的薄层。将分离得到的薄层皮肤切成 1 厘米 × 5 厘米的条状。

然后，将使用过的手术刀片丢弃至锐器盒中。最后，使用卡尺测量皮肤的厚度。机械测试后还需再次测量该厚度。

在室温下使用经过校准的材料试验机对皮肤样本进行单轴拉伸测试。首先，根据朗格氏线（Langer lines）的方向对皮肤样本进行定位，使所有样本中胶原纤维的自然取向保持一致。接着，将样本装入夹具中，使施加的力的方向与朗格氏线平行或垂直。

用手指拧紧夹具以固定样品，使样品约0.5厘米的部分插入每个夹具中。确保试验机的一个夹具连接到合适的负荷传感器，另一个连接到固定的底板上。固定后，在样品两侧覆盖凡士林，以防止试样干燥。

现在，将拉伸加载和应力松弛测试程序输入软件，使样品以每秒1毫米的速度加载，直至达到29.42牛顿的张力。当组织达到29.42牛顿的张力后，设置程序保持位移恒定1.5小时，以使组织发生应力松弛，同时持续监测张力的变化。测试结束后，再次使用卡尺测量样品的厚度。

从知情同意的个体获取软骨样本后，将其放入培养皿中，并用 PBS 覆盖。使用手术刀片和镊子去除样本上的皮肤和筋膜。然后将软骨样本切成 1.5 厘米见方的小块。

切割后，使用卡尺测量待加载软骨的厚度。最终样品的尺寸应至少为压头直径的八倍以上。将软骨样品置于大面积不透水基座上，并居中对准压头，调整方向使其表面与压头垂直。

这可使压缩为单轴方向，并限制任何剪切力。然后用磷酸盐缓冲液（PBS）覆盖软骨，并在整个测试过程中保持样品湿润。将压缩加载和应力松弛测试程序输入软件，使样品以每秒1毫米的速度加载，直至达到2.94牛顿的压缩力。

当达到 2.94 牛顿的载荷后，保持压头位置不变，使软骨松弛 15 分钟。完成后，释放样品，并再次测量样品的厚度。为了评估拉伸测试后皮肤组织的黏弹性，在计算杨氏模量时需包含应力-应变图中的所有数值，直至线性拟合曲线的 R 值最小达到 0.98。

应力随时间变化的曲线用于评估皮肤的应力松弛特性。松弛速率由采集数据的最后200秒计算得出，本样品的松弛速率为3.1 × 10⁵ MPa/s。此处显示的曲线为应力-应变数据示例，展示了对人体软骨进行压痕测试的结果。

与皮肤样本的杨氏模量计算类似，只要符合最小R值为0.98的要求，即使用应力-松弛曲线末端的数据来计算软骨的相应参数。软骨的应力松弛速率为8.78 × 10⁻⁶ 兆帕/秒，绝对最终松弛水平为0.028 兆帕。若操作得当，熟练掌握该技术后可在7小时内完成整个实验流程。

在进行该操作时，重要的是要记住采用可重复的解剖方案和标准化的样本尺寸。通过遵循此操作流程，还可以建立其他方法，例如循环加载，以回答更多问题，比如组织在生理动态载荷下的力学行为如何。该技术为生物力学领域的研究人员探索使用这种非破坏性技术进行体内无创力学测试铺平了道路。

请务必注意，处理人体组织可能具有极高的危险性，因此在进行此操作时，应始终采取防护措施，例如佩戴手套。