脑组织的粘弹性力学行为与损伤机理

The human brain is one of the most complex super-soft bio-tissue systems in the nature and the main center to control and adjust all the functions of human body. The brain damages are the mechanical damages resulting mainly from the sudden outside forces or other reasons that cause the local stress and strain in the brain tissue to exceed some limit. A slight brain damage may be recovered, but a serious damage may be on the verge of death. Brain tissue is a low strength and complex super-soft viscoelastic bio-tissue filled with various nervous networks. The accurate measurement of the mechanical property and the damage mechanism are the world challenge problems. This project，based on the special test system designed by ourselves , will study the process and mechanism of the mechanical behavior, damage production, development, and final destroy. A viscolelastic constitutive model which can accurately describe the mechanical inhomogeneity and anisotropy will be supplied, together with the important model parameters and damage criteria. Combining in-vivo experiments and theory investigation, the viscoelastic model will be checked and might be modified. Based on the observation of the various actions of the tested animals, the effects of the brain damage degree on the brain function recovery will be studied. The protection technology, criteria, and recovery step of brain damages are expected to supply. Investigation of the mechanical behaviory and damage mechanism of the brain tissue plays an important role in the direction of the effective protection, accurate diagnosis, efficient medical treatment, and precise surgery for various brain damages.

人脑是自然界最复杂的生物软组织系统，是调控人体各种功能的中枢。脑损伤主要是由突发外力或其他原因引起的脑组织局部应力和应变超过某一极限的机械损伤，轻者可以恢复，重者危及生命。脑组织属于低强度、充满各种神经网络的复杂超软粘弹性生物组织，精确的力学性质测试与损伤机理研究属于世界性难题。本项目拟结合自主设计的特殊实验系统，研究脑组织的粘弹性力学行为、损伤的产生、发展和破坏过程以及内在机理，建立能够准确反映脑组织非均匀性和各向异性的粘弹性本构模型，提供重要模型参数和损伤判据。结合活体动物实验和理论分析，检测和修正脑组织的粘弹性本构模型。通过观察活体动物脑损伤实验后动物的各种反应来判断脑组织的破坏程度对于脑功能恢复的影响，提出脑损伤防护、损伤判据、损伤恢复与治疗措施。研究脑组织的力学行为与损伤机理对于各种脑损伤的有效防护、准确诊断、高效医疗和精准手术治疗都具有重要指导意义。

大脑是自然界最复杂的生物超软组织系统，是调控人体各种功能的中枢。脑组织属于超软、超低强度、充满各种神经和血管等组织的特殊生物材料，目前关于脑组织的力学特性与损伤机理人类了解的非常有限，脑损伤的有效防护、精确诊断和精准手术医疗面临各种困难，脑损伤已经成为威胁人类健康的重大疾病之一。.超软脑组织力学性能的精准测试与表征对揭示大脑损伤机理和安全防护具有重要意义，但脑组织含水量高、强度低、粘性强，精准微创切割和无损夹持实验成为相关力学实验的两大难题。受蚊子无痛吸血的生物启发，本项目发明了一种仿生切割丝锯，在微米钼丝表面上制造出微纳米锯齿丝锯，往复振动切割脑试样，实现了对脑软组织的超级省力切割，比普通摸具切割技术切削力降低了一个数量级以上。利用真空吸附原理研发了超软物质试样无损夹持装置，保证了脑组织无损夹持实验。.开展了力学、材料、医学、物理等交叉学科研究，研究了灰质和白质脑组织在不同拉伸和压缩速率下的应力应变关系，获得了脑组织压缩状态下的粘弹性本构关系，为脑组织的抗冲击破坏理论分析提供了可靠的粘弹性本构参数。与光谱学分析相结合，从能量转化和存储角度研究大脑的力学行为，揭示了大脑灰白质组织的粘弹性差异与损伤机理。研发出具有准确自控温性能的新型纳米磁介质，实现了在42—50摄氏度的精准温度自控，为恶性肿瘤-脑胶质瘤热磁疗提供了一种全新绿色疗法，相关研究成果发表后，在国内外引起强烈反响。目前我们正在深入研究相关科学问题，并获得了国家重点研发计划项目支持。研发了仿脑组织水凝胶药物载体，该水凝胶在低温下为流体状态， 在体温下凝胶为类似于脑组织的粘弹性物质，并且可以自由降解吸收，对人体无毒副作用，该水凝胶可以作为药物载体实现肌肉注射。.本项目在执行期间，共完成和发表SCI收录学术论文25篇，EI收录论文1篇，国际学术会议特邀报告3人次。已授权国家发明专利12项，申请并公示国家发明专利7项。各项研究成果远超过预期。