鼻部软骨弹性模量的测定

董雷 王盛章 宋建星

鼻部的软骨主要包括大翼软骨、侧鼻软骨和鼻中隔软骨，是鼻部的主要力学结构。本研究测量上述鼻软骨的弹性模量，经统计分析获得较为准确的鼻部软骨结构力学性质的统计数据，为进一步运用生物力学方法分析鼻及相关畸形提供数据基础。

鼻部结构的生物力学性质的主要指标为弹性模量和泊松比。弹性模量(Elastic Modulus，EM)是材料发生应力-应变过程中的比例常数，用以说明不同组织对变形的抵抗能力，弹性模量越高，产生一定应变所需的力越大，组织抵抗变形的能力越大。泊松比(Poisson's ratio)是在材料的比例极限内，横向应变与纵向应变之比，也叫横向变性系数，是反映材料横向变形的弹性常数。在物体的力学分析中，弹性模量是最为重要的指标。对于鼻部的生物力学分析，鼻部结构中的软骨是主要的力学结构，也就是我们力学分析中所关注的重点和关键结构。因此，鼻部软骨的生物力学性质，是我们进行鼻部生物力学分析的基础性数据。

1 材料与方法

1.1 主要实验器材

SONY数码照相机；手术切开包；电子游标卡尺；INSTRON 3365万能试验机(美国Instron公司)；Bluehill 2材料测试软件；Microsoft Excel软件。

1.2 一般资料

成人鼻部软骨组织，包括大翼软骨、侧鼻软骨和鼻中隔软骨，均来自成人尸体鼻部。尸体来自上海第二军医大学解剖教研室2008～2013年中储存的成人尸体。共采集尸体鼻部标本10例，死亡年龄范围为23～65岁，平均年龄40.3岁，其中男性尸体7例，女性尸体3例。尸体均经过10%福尔马林浸泡3个月以上，尸体标本固定良好，无腐烂、变形等。

1.3 标本的保存和制备

1.3.1 标本的保存

将成人尸体鼻部软骨解剖分离，然后完整离断鼻部大翼软骨、侧鼻软骨和中隔软骨，将取出的软骨组织放入盛有10%福尔马林的密闭良好的容器中，在容器上标示相关编号和软骨名称，常温储存备用。

1.3.2 标本的制备

从福尔马林液容器中分别取出大翼软骨、侧鼻软骨和中隔软骨，然后对各标本用直尺和手术刀进行切割处理。制作压缩弹性模量测量标本时，将大翼软骨、侧鼻软骨和中隔软骨分别制成10 mm×10 mm薄片，并进行厚度测量；制作拉伸弹性模量测量标本时，将大翼软骨、侧鼻软骨和中隔软骨分别制成20 mm长条状薄片，各标本的宽度和厚度分别测量。将制备好的各测量样本进行编号和标示，储存于生理盐水密闭容器中。

1.4鼻部软骨标本的弹性模量测量

1.4.1 压缩弹性模量的测量

万能试验机的测试台换为测试压缩弹性模量的上下托盘(图1)；将制备好的正方形测试标本从生理盐水中取出，稍拭干，放置于万能试验机的下方托盘上；启动万能试验机和控制电脑，进入Bluehill 2材料测试软件，选择压缩模量测试方法，输入测试标本的边长和厚度等数值；压缩位移速度为2 mm/min；设定压缩后材料的形变可能数值；设定输出的曲线图和其他数据；移动万能试验机上方托盘至紧贴测试标本上方；将初始力量和位移调零；进行10次左右的压缩预调实验；上述所有条件准备完成后，开始进行测试；测试过程中查看测量曲线，发现异常及时中断及调整；测量后查看测试标本并移除，擦拭托盘，准备下一轮测量。

图1 压缩实验的托盘Fig.1Pallet in compression experiment

图2 拉伸实验的夹具Fig.2Fixture in tensile experiment

1.4.2 拉伸弹性模量的测量

万能试验机的测试台换为测试拉伸弹性模量的上下夹具(图2)；将制备好的长方形测试标本从生理盐水中取出，稍拭干，放置于万能试验机的夹具中夹紧；为了夹紧标本的同时又不至于将软骨标本夹碎，在样本和夹具之间垫上两层纱布；测量上下夹具之间的软骨标本长度；启动万能试验机和控制电脑，进入Bluehill 2材料测试软件；选择拉伸模量测试方法；输入测试标本的长度、宽度和厚度等数值；拉伸位移速度为2 mm/min；设定拉伸后材料的形变估算数值；设定输出的曲线图和其他数据；将初始力量和位移调零；进行10次左右的拉伸预调实验；上述所有条件准备完成后，开始进行测试；测试过程中查看测试曲线，发现异常及时中断及调整；测试后查看测试标本并移除，擦拭夹具，准备下一轮测试。

2 结果

在鼻部主要软骨的弹性模量测试中，曲线的斜率就是弹性模量值。我们采用最小二乘法，直线拟合曲线初始部分，获得拟合直线的斜率，作为其初始部分的弹性模量值。初始部分弹性模量即为我们所需要的最为接近鼻部软骨实际状态的弹性模量值。

2.1 压缩弹性模量数据

应力－应变曲线和统计学分析表明，大翼软骨具有最小的压缩弹性模量[(1.142±0.336)MPa]；侧鼻软骨压缩弹性模量最大[(5.84±1.246)MPa]；中隔软骨压缩弹性模量居中[(3.85±1.685)MPa](表1)。

表1 鼻部主要软骨的压缩弹性模量值(MPa)Table 1The compression modules of three kinds of nasal cartilage(MPa)

2.2 拉伸弹性模量数据

大翼软骨拉伸弹性模量最小[(4.679±1.641)MPa]；侧鼻软骨的拉伸弹性模量最大[(8.601±2.131)MPa]；中隔软骨的拉伸弹性模量居中[(6.907±1.621)MPa](表2)。

表2 鼻部主要软骨的拉伸弹性模量值(MPa)Table 2The tensile modules of three kinds of nasal cartilage(MPa)

2.3 弹性模量数据分析

本研究结果及统计学分析表明，成人尸体鼻部主要软骨的弹性模量中，①拉伸弹性模量普遍大于压缩弹性模量；②侧鼻软骨弹性模量＞中隔软骨弹性模量＞大翼软骨弹性模量；③鼻部软骨的弹性模量均为个位数的数量级(单位:MPa)，提示相对于人体其他荷重软骨和骨性结构，鼻部主要软骨的弹性模量值相对较小，这就是外鼻部在受力的情况下易产生较大位移的原因，也是我们能够利用较小弹性模量植入物支撑起塌陷畸形鼻翼的原因。

3 讨论

人体软骨主要有透明软骨、弹性软骨和纤维软骨等，其弹性模量测定是生物力学和生物医学工程中较为常见的测量工作。鼻部软骨主要是弹性软骨，但是其弹性模量的测量较少报道。Richmon等[1]于2005年报道了鼻中隔软骨的拉伸弹性模量实验数据[(4.99±0.49 MPa]；2006年，Richmon等[2]报道了鼻中隔软骨的压缩弹性模量数据[(0.44～0.71)MPa]。但是,对于鼻大翼软骨和侧鼻软骨的弹性模量测定至今未有报道。本实验首次测量了成人尸体鼻部各主要软骨的压缩和拉伸弹性模量，获得了相关数据。

在鼻整形领域，组织工程学是今后的发展方向之一[3]，而各种植入材料已得到了广泛的应用[4]，其强度、弹性、渗透性等物理性质的研究具有重要意义[5]。因此，鼻部软骨组织弹性模量的测定，是我们分析比较各类鼻部植入材料的力学性质的重要的参考标准。

鼻部软骨从生物力学角度可以看作是一个固液二相材料[6]，即由固体基质的胶原(蛋白多糖、弹性纤维)和不可压缩的组织液等组成的具有一定渗透作用的材料。鼻部软骨的力学性质和其构成紧密相关，这些成份的结构和相对含量的变化可引起软骨生物力学性质的变化[7-9]。同时，软骨内基质和弹性纤维的结构和分布，决定了该材料的弹性模量性质是各向同性还是各向异性[10-11]。所谓各向同性是指材料在不同的方向所测得的性能数值完全相同，各向异性则是指材料在不同的方向所测得的性能数值不同。对于鼻部软骨的弹性模量来讲，以往的测试实验显示，在压缩弹性模量的测试中，鼻中隔软骨的各方向弹性模量数据存在统计学差别，显示出各向异性[2]；而在拉伸弹性模量的测试中，鼻中隔软骨的各方向弹性模量数据没有统计学差别，显示出各向同性[1]。各向异性的形成，与鼻中隔软骨的位置、形成、载荷等因素密切相关，取决于软骨内基质和弹性纤维的结构、分布和走向等因素[12-13]。本实验中，对鼻部软骨的弹性模量测量未涉及各向异性的问题，即将鼻部各主要软骨视为各向同性的材料来进行弹性模量的测量[14-17]。这样处理的原因主要为以下几方面:①虽然以往有实验提示，在压缩弹性模量的测试中鼻中隔软骨表现出各向异性，但是就统计学数据来看，其各方向的弹性模量绝对数值相差很小，在垂直、矢状和横断位上分别为0.71 MPa、0.66 MPa和0.44 MPa，在同一个数量级中差距都很小；②假设成人尸体的鼻部软骨存在各向异性，在经过10%福尔马林浸泡后，其各向异性的性质可能已被破坏；③在我们下一步要进行的有限元生物力学分析中，可以将鼻部软骨看作各向同性的材料进行分析；④对于鼻部软骨这样微小的组织结构而言，目前我们的材料制备设备和测试设备尚存在较大的误差，条件尚不具备。因此，本实验中我们只测试了鼻部软骨单个方向的弹性模量，并将其视为各向同性的材料[14-17]。

通过鼻部软骨弹性模量的测试，我们发现随着应力和应变的增加，软骨的应力-应变曲线呈现阶段性的变化，其弹性模量总体呈现增大趋势，说明对于鼻部各软骨来讲，当其所受的应力逐步增加时，弹性模量呈现出动态变化，总体趋势不断增加直至软骨被拉断或压缩至极限。相对于关节软骨等负重软骨，鼻部软骨属于非负重软骨[18]，在鼻部外形中起到的是维持形态的作用，在鼻部外形发生形变后起到复原形态的作用，这对于我们分析鼻软骨的弹性模量测试曲线具有重要意义。鼻软骨的受力和功能决定了我们在分析鼻软骨弹性模量测试曲线时，弹性模量的取值应该取受较小的力或者发生微小形变阶段时的弹性模量值，这时的弹性模量值是鼻部软骨最接近现实情况的数值。

本实验中，我们采集了10具成人尸体的鼻部软骨进行弹性模量的测试。尸体经过10%福尔马林浸泡后，组织得到固定，鼻部软骨的弹性模量和正常成人活体相比，必然发生改变。在与以往的活体鼻中隔软骨的弹性模量数据进行比较后，我们发现成人尸体的鼻部软骨弹性模量数值较大[19-20]，分析原因如下:①尸体鼻部软骨中的基质和弹性纤维经固定后，发生变性，弹性下降，弹性模量增大，但基本结构未发生明显变化；②经福尔马林浸泡后，鼻部软骨组织中的组织液发生了变化，部分被福尔马林液所取代；③和国外活体鼻软骨弹性模量数据相比，东西方人鼻部软骨弹性模量本来就有所差别。由于现实因素的制约，我们尚不能取得较多的活体鼻翼软骨、侧鼻软骨等软骨组织进行测量分析。将尸体和活体鼻中隔软骨弹性模量进行对比分析发现，两者弹性模量值在绝对值上存在较大差异，但在数量级上没有差别，所以我们认为经尸体采集鼻部软骨的弹性模量值仍适用于单侧唇裂鼻畸形的生物力学研究。

综上所述，本研究测试了鼻部3种主要软骨的压缩弹性模量和拉伸弹性模量，获得了成人鼻部主要构成软骨的弹性模量数值。经统计分析发现，鼻部主要软骨的拉伸弹性模量普遍大于压缩弹性模量，这可能与鼻部软骨主要起维持鼻部形态的功能相关，与鼻软骨的基质结构和弹性纤维的分布、走行相关。同时，我们发现侧鼻软骨弹性模量＞中隔软骨弹性模量＞大翼软骨弹性模量，这可能与鼻部各软骨在外鼻结构中所处的位置和作用相关。另外，鼻部软骨的弹性模量均为个位数的数量级(单位:MPa)，提示相对于人体其他荷重软骨和骨性结构，鼻部主要软骨的弹性模量值相对较小[21]，导致外鼻部在受力情况下产生较大位移，也是我们能够利用较小弹性模量植入物支撑起单侧塌陷鼻翼畸形的原因。当然，目前对于鼻部各软骨的弹性、强度、渗透性等物理性质仍没有详尽的研究数据[22]，尤其是活体的鼻大翼软骨和侧鼻软骨的相关研究数据更是缺乏。对该问题的深入研究，将为组织工程、生物医学工程、生物材料学以及生物力学的发展提供有效的标准化参考数据，从而为推动组织工程学、生物医学工程学、生物材料学以及生物力学的发展奠定良好的人体组织结构数据库基础[23]。

[1]Richmon JD,Sage AB,Wong VW,et al.Tensile biomechanical properties of human nasal septal cartilage[J].Am J Rhinol,2005,19(6):617-622.

[2]Richmon JD,Sage AB,Wong VW,et al.Compressive biomechanical properties of human nasal septal cartilage[J].Am J Rhinol,2006,20(5):496-501.

[3]Randolph MA,Anseth K,Yaremchuk MJ.Tissue engineering of cartilage[J].Clin Plast Surg,2003,30(4):519-537.

[4]Donald PJ.Cartilage grafting in facial reconstruction with special consideration of irradiated grafts[J].Laryngoscope,1986,96(7):786-807.

[5]Mow VC,Hayes WC.Basic Orthopaedic Biomechanics,2nd ed[M].New York:Raven Press,1997:514.

[6]徐小川,王玉玮,康宏,等.人颞下颌关节软骨弹性模量的测定[J].口腔颌面修复学杂志,2000,1(1):14-17.

[7]Broom ND.Structural consequences of traumatizing articular cartilage[J].Ann Rheum Dis,1986,45(3):225-234.

[8]Chen MH,Broom N.On the ultrastructure of softened cartilage:a possible model for structural transformation[J].J Anat,1998,192(Pt 3):329-341.

[9]Akizuki S,Mow VC,Muller F,et al.Tensile properties of human knee joint cartilage:I.influence of ionic conditions,weight bearing,and fibrillation on the tensile modulus[J].J Orthop Res,1986,4(4):379-392.

[10]Jurvelin JS,Buschmann MD,Hunziker EB.Mechanical anisotropy of the human knee articular cartilage in compression[J].Proc Inst Mech Eng,2003,217(3):215-219.

[11]Chahine NO,Wang CC,Hung CT,et al.Anisotropic straindependent material properties of bovine articular cartilage in the transitional range from tension to compression[J].J Biomech,2004,37(8):1251-1261.

[12]Kurtis MS,Schmidt TA,Bugbee WD,et al.Integrin-mediated adhesion of human articular chondrocytes to cartilage[J].Arthritis Rheum,2003,48(1):110-118.

[13]Cárdenas-Camarena L1,Gómez RB,Guerrero MT,et al.Cartilaginous behavior in nasal surgery:A comparative observational study[J].Ann Plast Surg,1998,40(1):34-38.

[14]Fry H.Interlocked stresses in human nasal septal cartilage[J].Br J Plast Surg,1966,19(3):276-278.

[15]Fry HJ.The distorted residual cartilage strut after submucous resection of the nasal septum[J].Br J Plast Surg,1968,21(2):170-172.

[16]Murakami WT,Wong LW,Davidson TM.Applications of the biomechanical behavior of cartilage to nasal septoplastic surgery[J].Laryngoscope,1982,92(3):300-309.

[17]Fry H,Robertson WV.Interlocked stresses in cartilage[J].Nature,1967,215(5096):53-54.

[18]Rotter N,Bonassar LJ,Tobias G,et al.Age dependence of biochemical and biomechanical properties of tissue-engineered human septal cartilage[J].Biomaterials,2002,23(15):3087-3094.

[19]Eisenberg SR,Grodzinsky AJ.Electrokinetic micromodel of extracellular matrix and other polyelectrolyte networks[J].Physico-Chem Hydrodyn,1988,10:517-539.

[20]Armstrong CG,Mow VC.Variations in the intrinsic mechanical properties of human articular cartilage with age,degeneration,and water content[J].J Bone Joint Surg Am,1982,64(1):88-94.

[21]Treppo S,Koepp H,Quan EC,et al.Comparison of biomechanical and biochemical properties of cartilage from human knee and ankle pairs[J].J Orthop Res,2000,18(5):739-748.

[22]Homicz MR,Chia SH,Schumacher BL,et al.Human septal chondrocyte redifferentiation in alginate,polyglycolic acid scaffold,and monolayer culture[J].Laryngoscope,2003,113(1):25-32.

[23]Kaufman MR,Tobias GW.Engineering cartilage growth and development[J].Clin Plast Surg,2003,30(4):539-546.