动态力学行为对肺组织细胞结构和生物学功能的影响

Impact load events during peacetime or wartime causes severe soft tissue damage, especially lungs. Since the effect could be life threatening, it is essential to test the dynamic mechanical properties of lung tissue and come up with a constitutive model. It is also essential to discuss, from an organ level and a cellular level, the difference pattern of stress propagation within organisms as well as the mechanisms and effect of stress on tissue structure and biological functions. This project intends to study the experimental techniques of miniature low impedance split-Hopkins pressure bar that can measure the dynamic mechanical properties of lung tissue and the dynamic mechanical properties of lung tissue under different stress loads. We intend to study the mechanical properties of strain rate and its dependence on stress rate. We also intend to utilize high speed cameras to study the static dynamic deformation mode under uniaxial stress, confirm its viscoelastic constitutive model, and utilize cellular and molecular biology techniques to further confirm the mechanisms and effects of stress on tissue structure and biological functions. This is done so that we could provide support on the theory and methods of body protection systems as well as the simulation assessment of the body tissue’s impact loading.

平时或战时等涉及冲击载荷的事件给人体软组织尤其是肺脏造成严重伤害，甚至危及生命，故很有必要对肺脏组织动态力学性能进行测试并确定其本构模型，并从器官水平、细胞水平进一步探讨不同应力在生物体内的传播规律、以及应力对组织细胞结构和生物学功能的影响及其机制。本项目拟研究一套能够测定肺脏组织材料动态力学性能的微型低阻抗分离式霍普金森压杆（SHPB）实验技术，测试肺脏组织材料在不同应力状态下的动态力学性能，研究其力学性能对应变率以及对应力状态的依赖性，并利用超高速摄像机研究其单轴应力状态下的静、动态变形模式，确定其粘弹性本构模型，同时运用细胞生物学和分子生物学技术进一步明确应力对组织细胞结构和生物学功能的影响及其机制。为人体组织在冲击载荷作用下的模拟评估和人体防护系统的设计提供理论和方法上的支撑。

肺脏是平时或战时等涉及冲击载荷最容易损伤的部位，严重时甚至危及生命。故很有必要对肺脏组织动态力学性能进行测试并确定其本构模型，探讨不同应力在生物体内的传播规律、以及对组织细胞结构和生物学功能的影响及其机制。. 本项目基于Hopkinson压杆实验装置的动态实验技术的研究，提出肺组织这类软材料在进行动态力学性能测试时如何满足SHPB的假设，使得改进后的SHPB技术适用于肺脏组织软材料动态力学性能测试实验，并通过数值仿真进行验证。. 本研究建立了良好的本构模型，模型与实验曲线吻合性好，该本构模型能够反映不同应变率加载条件下肺组织的应力应变曲线特点。并对本构模型与实验曲线间误差原因进行了分析，通过数值仿真解释了试样外形缺陷对结果的影响。. 本研究构建了冲击损伤后实验动物伤情评估体系，通过大体病理、影像学研究，特别是micro CT三位结构重建，结合光镜下观察、电镜下细胞超微结构的变化，从器官、组织、细胞等不同水平系统的观察了冲击肺损伤后的形态学变化。特别是结合有关炎症应激因子，如TNF-α、IL-6、IL-8、SP-A等，探讨了冲击肺损伤伤情评估、治疗评价及预后指标，为冲击肺损伤及其后续的治疗提供了理论基础。