猪脑组织低中应变率损伤阈值的定量分析方法及其生物力学机制研究

为解决创伤性脑损伤(TBI)预防和治疗中脑组织损伤阈值不明确的问题，浙江大学研究人员通过猪脑样本的加载-卸载实验，结合包含粘弹性行为、Mullins效应和残余变形的本构模型，首次提出基于能量耗散比的损伤量化方法。研究发现0.3 s-1应变率下，轻度损伤应变阈值为0.2-0.3，中重度损伤阈值为0.3-0.4，对应200 s-1的应力阈值分别为5.9-11.4 kPa和11.4-22.8 kPa，为脑保护装置设计提供了关键参数。

　　

在交通事故、高空坠落等突发冲击中，柔软如豆腐的脑组织如何抵抗机械损伤？这个看似简单的问题困扰着生物医学工程领域数十年。创伤性脑损伤(TBI)每年导致全球超百万人伤残，但现有研究对脑组织损伤的精确量化始终存在盲区——既缺乏涵盖粘弹性、损伤效应和残余变形的综合模型，也未能建立应变与损伤程度的定量关系。

浙江大学团队在《Extreme Mechanics Letters》发表的研究给出了突破性解决方案。通过改良Zener流变学模型，首次整合了Ogden型超弹性弹簧、粘弹性单元以及表征Mullins效应和残余变形的损伤模块。研究采用新鲜猪脑样本（解剖结构近似4岁儿童人脑）进行单轴压缩实验，覆盖0.0001-200 s^-1的宽应变率范围，结合能量耗散分析和模量变化验证，构建了迄今为止最全面的脑组织损伤评估体系。

关键技术包括：1）多应变率加载-卸载实验设计；2）扩展Zener模型参数拟合；3）损伤能量耗散比计算（W_d/W_ve）；4）基于二次加载模量变化的损伤验证。

理论与模型
通过引入两个Ogden弹簧（A、B）与粘弹性单元并联的架构，模型成功捕捉脑组织的三阶段力学响应：初始超弹性（μ_A=0.32 kPa，α_A=18.7）、粘弹性松弛（τ=2.1 s）以及损伤导致的应力软化。关键创新在于用η=1-exp(-β(λ_max-1))量化Mullins效应，β值随应变率升高而增大（0.3 s^-1时β=15.3）。

实验结果
在0.3 s^-1应变率下，当最大压缩应变达0.25时，损伤耗散能占比突破15%（轻度损伤阈值）；应变超过0.35后，二次加载模量下降30%以上（中重度损伤标志）。值得注意的是，200 s^-1高速加载时，虽然应变阈值与低速工况相近，但对应的应力阈值显著提升——轻度损伤需5.9-11.4 kPa应力，中重度损伤需11.4-22.8 kPa，揭示应变率强化效应。

讨论与意义
该研究首次实现三个关键突破：1）建立包含粘弹性-损伤耦合的本构关系；2）提出能量耗散比作为损伤量化指标；3）明确不同应变率下的损伤阈值窗口。这些发现不仅为头盔、防撞设施等防护装备的设计提供精确参数，更开创性地证明：脑组织在<0.2应变下的变形基本可逆，而>0.4应变将导致不可逆损伤，这一结论为临床TBI分级诊断提供了力学依据。未来研究可进一步探索白质各向异性、温度效应等因素对损伤阈值的影响。