等边距直线槽导向切割法对大截面及大厚度脑组织切片的便捷制备

张文超,李 岩

(1. 烟台大学药学院, 山东 烟台 264005; 2. 烟台大学机电汽车工程学院, 山东 烟台 264005)

近年来,随着社会的快速发展,人们面临的生活、工作压力越来越大,不良的生活方式增加了疾病的发病率,这其中又以神经核团功能失调性疾病尤为严重,患者呈现出一系列的行为、意志、认知、情感等精神活动障碍疾病,如帕金森病、癫痫或老年痴呆[1]．鉴于脑组织的生理及病理变化与脑组织的材料力学属性紧密相关,许多学者利用压缩、剪切或压痕-松弛等方法对脑组织材料力学属性进行了相应研究[2-4]．HARDING和SNEEDDON[5-6]将压痕测试中硬质圆柱形平压头对大外形尺寸各向同性弹性材料的压力与压深及被压材料剪切模量的关系解析为

(1)

(2)

式中,P为压头的压力,R为硬质圆柱形平压头的半径,δ为压深,G为大外形尺寸被压材料的剪切模量,v为被压材料的泊松比．为了更加有效地应用式(1)表达硬质圆柱形平压头与有限厚度脑组织切片之间的作用,需将修正系数κ引入公式(1),得公式(2).κ的数值由硬质圆柱形平压头的半径和脑组织切片的厚度共同决定[6],由此可见,脑组织切片厚度的均匀性尤为重要．

受医学伦理及取材途径的限制,生物工程技术研究过程中多使用动物器官作为人体器官的替代品．常用的大鼠脑结构的外形及核团布局与人脑差异明显;猪脑、牛脑等高等哺乳动物的脑组织在结构和材料力学属性上接近于人脑,常作为人脑研究的理想替代品[7]．

在脑组织研究中,大截面切片不仅可以用于观察并测试病变核团的全貌及材料力学属性,还可以观察并测试周围及远隔部位的组织状态,特别是手术路径沿线的连续全组织状况．根据测试要求,大截面脑组织切片的厚度一般大于5 mm．因此,脑组织材料力学性能的研究需大量大截面及大厚度的脑组织切片．

然而,目前振动切片机的振幅低于1 mm[8],无法满足大厚度脑组织切片的制作需求;脑切片模具的面向对象一般为大鼠脑组织,凹模体积较小,猪脑或牛脑无法直接放置其中[9-10];以往实验报道多利用切刀直接手工切割猪脑或牛脑以制作大截面大厚度脑组织切片,切片往往厚度不均,表面起伏不整,影响后续材料力学属性的准确测试．

为了高质量地便捷制作猪脑或牛脑的大截面及大厚度脑组织切片,以满足脑组织材料力学属性的准确测试,本文提出了一种等边距直线槽导向切割法,阐述了大截面及大厚度脑组织切片的制备原理,设计了相应的制备装置,阐明了装置的关键连接关系,并便捷制备了高质量的猪脑大截面及大厚度脑组织切片．

1 装置的设计原理

如图1,若两平行平面之间的距离确定,两平面之间的空间即为等厚的大截面切片结构．根据需求灵活调整两平行平面之间的距离,即可得所需厚度的大截面切片结构,因此2个平行平面可作为大截面及大厚度脑组织切片的切割基准．

图1 等厚大截面切片的切割原理

Fig.1 Cutting mechanization of slices with isobaric thickness and large section

因此,本文提出了一种等边距直线槽导向切割法 (图2),即在方形底板的每个侧面边缘部位分别开设与侧面平行的直线槽,直线槽右侧面与方形底板毗邻侧面之间的空间即为等厚度的大截面切片结构．将方形底板紧贴底板侧挡板,且将直线槽的右侧面作为平口刃切刀的切割基准,将底板侧挡板的左侧面作为脑组织已切平面的定位基准．脑组织的已切平面紧靠底板侧挡板后,手持平口刃切刀的后端,在后端施加如图2所示的力和力矩,快速挥动平口刃切刀,即可制备出等厚度的大截面及大厚度脑组织切片．剩余脑组织的已切割平面紧贴底板侧挡块左侧面,重复平口刃切刀的动作过程,即可便捷制备一系列等厚的大截面大厚度脑组织切片．

依据切片的厚度需求,在方形底板的不同侧面提前定制距侧面不同距离的平行直线槽,如图2和图3(b) 所示．更换与底板侧挡板接触的侧面,即可进行相应厚度大截面脑组织切片的制备．为制备第一个切面平面,在方形底板的中心部位也开设一条直线槽,便于完整脑组织的分离或切割前第一个待切平面与直线槽平面的对齐．

2 装置的结构与连接关系

本装置结构简单,如图2,主要由带空腔的底座、带直线槽的方形底板、底板侧挡板和平口刃切刀四部分组成．带空腔的底座放置在实验台的合适位置,带直线槽的方形底板与底座按照图2的布局连接,底板侧挡块的左侧面与方形底板的右侧面贴紧．将平口刃切刀插入直线槽,使其右侧面贴紧直线槽的右侧面以作为切割动作的导向面．底座的前端为允许平口刃切刀动作的空腔,防止切割时平口刃切刀与底座的干涉．直线槽的宽度略大于平口刃切刀的厚度,以便平口刃切刀动作的顺畅性．

图2 等边距直线槽导向切割装置的结构

Fig.2 The structure of the device based on guide-cutting method of isobaric distance grooves

如图3(a) 所示,底座上表面的左侧有3个螺纹孔,方形底板的中心对称分布4个沉头孔,使得3个螺纹孔能与4个沉头孔其中3个合理配合,将方形底板灵活固定在底座上;底座的右侧有2个沉头通孔,可利用螺钉将带螺钉孔的底板侧挡块固定在底座上;底板侧挡块的上、下表面与侧面相互垂直,底板侧挡块的左侧面安装时需紧贴方形底板的右侧面．此外,方形底板上中心对称的4个沉头孔可保证任意侧面与底板侧挡块配合时方形底板在底座上的正确安装．各部分连接完毕后,完整的等边距直线槽导向切割装置的结构如图3 (c) 所示．

图3 底座、方形底板与底板侧挡板的结构连接关系

Fig.3 The connected relations of lampstand, a square bottom and the side baffle of bottom plate

3 猪脑组织切片的制备

下面以含丘脑底核穿刺路径的5 mm厚度猪脑组织切片的制备为例,描述等边距直线槽导向切割法的便捷应用过程及制备结果．

猪脑组织的购买及使用已得到当地动物护理与使用委员会的批准并按照国家健康指导中心的管理和使用标准进行．切片制备当日凌晨,从当地屠宰场购买生长时间约6个月,按照标准流程屠宰的健康活猪的完整脑组织．当猪脑从颅骨及硬脑膜中取出后,立即浸入含氧气的冰冻人造类脑脊液中,以保持猪脑的活性．装入恒温箱后,便快速运至实验室进行大截面及大厚度脑组织切片的制备．

3.1 完整猪脑组织左右半球的分离

如图3 (c)所示,首先将直线槽边距为5 mm 的侧面贴紧底板侧挡块的左侧面．猪脑半球在形态及生理结构上左右对称,材料力学属性基本相同,因此每个猪脑半球都有一条合适的穿刺路径．为方便含丘脑底核穿刺路径的脑组织切片的制备,先利用方形底板中部的直线槽将猪脑组织从正中矢状面切割、分离．

将猪脑正中矢状面与方形底板中部直线槽的右侧面对齐,将切刀嵌入直线槽内,使切刀右侧面紧靠直线槽的右侧面,利用直线槽的右侧面作为切割动作的导向面将猪脑快速切割为左、右两半球,结果如图4所示．

图4 完整脑组织初步分离前后

Fig.4 The pictures of a whole brain before and after the first cutting

3.2 含丘脑底核穿刺路径的猪脑组织切片的制备

基于MRI影像资料和D’HAESE报道的颅内核团位置结果[11],并在神经外科医师的指导下,确定STN在正中矢状面的投影位置,如图5 (a) 中的黑点所示．经过多个切面的试切割之后,得出经过较粗虚线的平面能够较好地满足穿刺路径的规划原则,因此将此平面作为所需切片的第一个切面．为保证后续测试样本的一致性及测试的方向性,将经过较细虚线的平面作为所需切片的另一个切面．脑组织右半球的切割平面选择原则与此类似．

如图5 (a)所示,若对较粗虚线所在平面进行切割,需用手辅助将猪脑左半球以特定的姿态放置在方形底板上,使包含穿刺路径的切割平面与中部的直线槽右侧面重合．快速动作切刀,即可得第一个切面,如图5 (b)所示．然后将获得的平面与底板侧挡板的左侧面贴紧,将切刀嵌入边距为5 mm直线槽内,快速动作切刀,即可得含丘脑底核穿刺路径的、上下表面平行且整齐、厚度为5 mm脑组织切片,如图5 (c)所示．重复以上过程,便可便捷获得所需数量的大截面及大厚度脑组织切片．

图5 脑组织的切面选取原则及切割结果

4 小 结

针对脑组织研究中大截面及大厚度脑组织切面的制备难题,本文提出了等边距直线槽导向切割法,阐述了该方法制备大截面及大厚度脑组织切片的原理,设计了相应的制备装置,并便捷制备了含丘脑底核穿刺路径的、上下表面平行且整齐、厚度为5 mm脑组织切片．

本方法的设计原理为若两平行平面之间的距离确定,两平面之间的空间即为等厚的大截面切片结构;两平行平面可作为脑组织切面的切割基准．本方法装置结构简单,操作便捷,主要由带空腔的底座、带直线槽的方形底板、底板侧挡板和切刀四部分组成．本方法可作为振动切片机和脑切片模具的有效补充,可解决现有振动切片机振动幅度小且脑切片模具凹模体积小的弊端．