动态测试表征声带组织的粘弹性--测试健康声襞粘膜的高频特性

难题

已公布的关于声带组织力学性能的数据非常少，而且仅限于15HZ以下的频率。人类说话时的频率范围在150-300HZ，若能获得这个频率的动态力学分析数据，将能够有效地评估自然组织或是替代组织的机械性能。此外，应力松弛和蠕变数据有助于确定声带组织的力学性能。

由于既要测试样品的动态性能，又要确保载荷和位移的精确性，我们选择使用TA ELF3200测试猪和羊的声带粘膜（猪和羊是研究人类咽喉的模式动物）。ELF3200循环测试频率可高达300HZ。本次试验中所使用的客户化定制的3200测试系统频率最高为450HZ。

材料和方法

一个完整的猪的声带（附带有软骨）利用三点弯曲夹具进行侧压测试。测试样品尺寸为5mm长X 2.5mm 宽X 1mm 高。样品装载时尽量用最小载荷拉伸，在测试时注意保持样品湿润，LVDT位移传感器测量位移变化，45N的压力传感器用来检测力值的变化。

下面的图标显示了用这种测试方法所获得的典型数据。Tan Δ值与已公布的数据吻合；在测试中为了固定样品采用了预压缩（超过2000pa），所以压缩模量要高于剪切或拉伸方向已有的数据。

图1所测试的是冰冻的样品，图2是新鲜未冻存但湿润的样品。二者的模量相差一个数量级，且冰冻样品的模量和tan delta值高于未冰冻样品。当频率达到100HZ以上时，会出现一定的噪音，可以通过夹具和传感器的优化来降低。

 

猪声带组织的压缩测试

另一个测试是对羊声带组织进行剪切测试。ELF3200测试系统水平放置，拉伸剪切装置用来测试样品。为了验证原理，先用压电压力传感器测试未硫化的橡胶样品，结果显示其具有优良的高频特性。下图是橡胶的剪切测试图以及典型数据图。

未硫化橡胶的拉伸剪切

为了测试软组织，利用更轻巧的硬质塑料制作剪切夹具。剪切夹具底部接触时能够垂直运动，以便于对样品进行预加载，在样品和夹具接触部位产生摩擦。预加载的力值没有测量，约为10-50g。通过一个50g的应变计量压力传感器来测量剪切过程中产生的力值。

通过夹具对组织样品进行拉伸剪切测试

以下是羊声带组织的测试数据。样品被叠加，所以会产生剪切应力。样品尺寸约为10mmX 7.7mm X 1.2mm，测试时沿着7.7mm这一侧剪切。结果得到了理想的复合剪切模量和Tan delta值（≥100HZ），并且在450HZ时出现了共振现象。

所测的模量比压缩测试的模量小多个数量级，与已发布的在15HZ下利用扭转剪切流变仪所测的数据一致。在所有测试中所得的Tan delta值（包括扭转剪切流变仪）在0.2-0.4范围值内非常吻合，都在共振区域之外。

时间数据表明噪音/信号比值较高。使用更高清晰度的压电的力学传感器和位移传感器将有助于优化测试系统在100HZ以上测试结果。提高剪切夹具的刚度，同时具备测量和控制预压缩应力也可以降低高频率测试中出现共振现象。

蠕变和松弛数据

此外还采集数据用来评估组织的蠕变和松弛特性。对样品施加不同的应力（蠕变）和应变（松弛），同时测量相应力和位移的变化。尤其要提到的是3200测试系统能够控制软组织样品在较小力值下相对较大位移的位移变化。28Pa应力代表2mN，30%应变代表0.300mm位移变化。在评估部分采集的数据作图如下。

剪切应变固定速率测试直至断裂

最后的对样品进行高力值蠕变测试，以0.1mm/s的速率直至样品断裂（对2.5mm厚度的样品每秒达到4%应变）。记录显示样品最初断裂力值高达2N，首次断裂后出现bridging。

总结

这一系列的实验表明配置有DMA软件的ELF3200测试系统对于软组织粘弹性测试如声带组织，是一种很好的工具。虽然MIT和普杜大学小组对于声带组织高频率下的动态测试还处于初期，但是该测试系统的功能将有助于他们更好的得到人类声带的弹性特征，并创新性的将组织工程应用到声带修复当中。