正常人耳廓生物力學(xué)基本特征的研究.pdf

1、先天性小耳畸形為整形外科常見疾病，在不同國家和地區(qū)均具有較高的發(fā)病率。主要臨床表現(xiàn)為耳廓及外耳道缺如，患者治療意愿較為強(qiáng)烈。同時由于各種外傷導(dǎo)致的耳廓缺損亦需要進(jìn)行全耳再造及修復(fù)。目前經(jīng)典的全耳再造方法為Tanzer提出，但此法手術(shù)周期較長，給患者帶來較大痛苦。隨后得到了Nagata及Brent等對手術(shù)做了改進(jìn)，形成了經(jīng)典的Nagata法及Brent法。我國學(xué)者在其基礎(chǔ)上，改良使用擴(kuò)張器擴(kuò)張皮瓣后，再行肋軟骨支架雕刻及移植的全耳再造技術(shù)

2、，效果良好。以上各種不同術(shù)式全耳再造均是通過模擬構(gòu)建正常人耳軟骨支架細(xì)節(jié)，進(jìn)行耳再造。在進(jìn)行耳再造過程中，軟骨支架在表現(xiàn)出各個美學(xué)細(xì)節(jié)基礎(chǔ)上，能夠承受一定應(yīng)力對于再造耳廓形態(tài)的維持非常重要。由于耳廓外形復(fù)雜，細(xì)節(jié)較多，純手工雕刻的支架無法完全顯示其全部細(xì)節(jié)，而影響術(shù)后效果及術(shù)后患者滿意度，因此有學(xué)者希望通過計算機(jī)輔助技術(shù)指導(dǎo)術(shù)中支架雕刻，力求取得良好的再造耳外形，亦需要了解耳廓應(yīng)力分布情況。
　　鑒于目前全耳再造術(shù)式的缺點，有學(xué)者

3、探索通過組織工程的方法構(gòu)建人耳外形軟骨。在研究組織工程軟骨過程中，缺乏正常人軟骨生物力學(xué)數(shù)據(jù)指導(dǎo)其構(gòu)建，因此，有必要對耳軟骨進(jìn)行基本的生物力學(xué)試驗，了解其基本材料屬性。在進(jìn)行有限元分析過程中，生物材料的材料屬性極其重要，因此若要分析耳廓結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況，就需要明確耳軟骨生物力學(xué)基本屬性，同時綜合分析以往研究資料，以明確其基本材料屬性。
　　宏觀的生物力學(xué)特性往往與生物材料微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。目前對于耳軟骨生物力學(xué)及其與生物力學(xué)特征相

4、關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)的研究相對較少。耳軟骨主要由軟骨細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)組成。動物實驗研究表明，耳軟骨基質(zhì)由蛋白多糖、膠原纖維及彈力纖維等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在發(fā)育畸形的耳軟骨中，其微觀成分也會發(fā)生相應(yīng)改變，進(jìn)而影響軟骨生物力學(xué)性能。隨著軟骨纖維成分減少、分布雜亂，其軟骨彈性降低，強(qiáng)度減小。目前未對正常人耳軟骨的組織學(xué)特征進(jìn)行全面研究，因此我們在研究耳軟骨生物力學(xué)宏觀特性的時候，需要對其微觀結(jié)構(gòu)，包括巨微結(jié)構(gòu)進(jìn)一步了解。
　　研究目的：
　　通過

5、英斯特朗萬能材料試驗機(jī)對正常人耳軟骨標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行抗拉試驗，使用組織學(xué)及電子顯微鏡方法了解其顯微結(jié)構(gòu)、纖維成分以及巨微結(jié)構(gòu)，了解其生物力學(xué)基本特征，同時結(jié)合以往研究結(jié)果，進(jìn)一步分析其材料屬性。使用Mimics軟件對正常人耳軟骨及耳廓結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建，應(yīng)用Abaqus軟件分析正常人耳廓應(yīng)力分布情況，獲取應(yīng)力云圖，并分析其意義。
　　研究材料：
　　第一部分:獲取正常人耳軟骨，制作標(biāo)準(zhǔn)試件后，使用英斯特朗萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行抗拉試驗

6、，獲取載荷-位移曲線，和彈性模量、剛度、峰值載荷等基本數(shù)據(jù)，同時進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。對正常人耳軟骨進(jìn)行H-E、Masson、VG、EVG、免疫組織化學(xué)和電子顯微鏡觀察，分析與生物力學(xué)特征密切相關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)。
　　第二部分:獲取正常人耳廓結(jié)構(gòu)CT圖像，導(dǎo)入MIMICS軟件后完成三維重建，獲取STL格式數(shù)據(jù)，導(dǎo)入ABAQUS有限元分析軟件，結(jié)合第一部分研究結(jié)果對其進(jìn)行賦值，加載靜態(tài)載荷后，獲取有限元分析應(yīng)力云圖，分析正常人耳廓應(yīng)力分布情況

7、。
　　研究結(jié)果：
　　第一部分:獲取了正常人耳軟骨標(biāo)準(zhǔn)試件載荷-位移曲線，持續(xù)增大載荷時曲線穩(wěn)定上升，即隨著載荷的加大，位移亦出現(xiàn)增大，至峰值載荷部位后，試件斷裂后，曲線呈現(xiàn)即刻下降趨勢。獲得彈性模量、峰值載荷和剛度分別為:(42.59±16.76)MPa、(16.24±6.02)N、(5.78±1.74) N/mm。軟骨微觀結(jié)構(gòu)由雙側(cè)軟骨膜以及軟骨基質(zhì)構(gòu)成，背側(cè)軟骨膜可分為纖維層、增殖層和移行層，背側(cè)軟骨膜明顯厚于腹側(cè)，

8、軟骨膜主要由Ⅰ型膠原纖維構(gòu)成，軟骨基質(zhì)則以Ⅱ型膠原纖維和彈力纖維為主，同時我們發(fā)現(xiàn)了軟骨膜進(jìn)入軟骨基質(zhì)的錨定結(jié)構(gòu)。
　　第二部分:獲取正常人耳廓結(jié)構(gòu)CT圖像后完成耳軟骨及耳廓結(jié)構(gòu)的三維重建，所得三維結(jié)構(gòu)形態(tài)真實，表面光滑，能夠滿足有限元分析，且軟骨厚度與既往研究結(jié)果一致。進(jìn)行有限元分析后發(fā)現(xiàn)，耳廓結(jié)構(gòu)主要應(yīng)力分布于耳軟骨與顱骨錨定部位，且耳廓頂部應(yīng)力最為集中。
　　研究結(jié)論：
　　通過對正常人耳軟骨進(jìn)行生物力學(xué)試驗，我