一种基于动物实验多功能撞击仪的研制及应用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.20.014

中国组织工程研究 ›› 2017, Vol. 21 ›› Issue (20): 3196-3201.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2017.20.014

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一种基于动物实验多功能撞击仪的研制及应用

王海林，肖和达，张生，江宗兴，刘卫辉，汤礼军，戴睿武

解放军成都军区总医院全军普外中心，四川省成都市 610083

修回日期:2017-04-21 出版日期:2017-07-18 发布日期:2017-07-28
通讯作者: 戴睿武，博士，副主任医师，副教授，硕士生导师，解放军成都军区总医院全军普外中心，四川省成都市 610083
作者简介:王海林，男，1990年生，四川省南充市人，汉族，硕士，主要从事普通外科的基础与临床研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81001695)；四川省科技厅应用基础研究课题(2013JY0046)

Development and application of a multifunctional impactor based on animal experiments

Wang Hai-lin, Xiao He-da, Zhang Sheng, Jiang Zong-xing, Liu Wei-hui, Tang Li-jun, Dai Rui-wu

PLA Center of General Surgery, General Hospital of Chengdu Military Region of Chinese PLA, Chengdu 610083, Sichuan Province, China

Revised:2017-04-21 Online:2017-07-18 Published:2017-07-28
Contact: Dai Rui-wu, M.D., Associate chief physician, Associate professor, Master’s supervisor, PLA Center of General Surgery, General Hospital of Chengdu Military Region of Chinese PLA, Chengdu 610083, Sichuan Province, China
About author:Wang Hai-lin, Master, PLA Center of General Surgery, General Hospital of Chengdu Military Region of Chinese PLA, Chengdu 610083, Sichuan Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81001695; the Basic Application Research Project of Science and Technology Department of Sichuan Province, No. 2013JY0046

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：
撞击参数测量装置：由测力传感器探头、显示仪表、24 V稳压电源及其他附属构件组成。其工作原理是：测力传感器根据植入硅片的压电电阻在受到外力而挠曲时电阻会增加，其电阻值随施加力的大小成比例变化，进而使电流输出也相应变化，经数据转化后的力学参数在显示仪表中显示，实现撞击参数的精准测量。
储能换能装置：由各力学参数的压缩弹簧、含橡胶垫顶盖、带刻度尺柱体、支架和底座等构件组成。其作用是将弹簧压缩产生的弹性势能转换为撞击头的撞击动能，作为撞击仪稳定、精准的动力组件。

摘要
背景：目前有文献报道了一些用来研究创伤的仪器设备，但是鉴于这些设备自身适用范围有限，不利于创伤动物模型的建立。
目的：研制一种多功能动物撞击系统并评估其初步使用效果，为动物实验创伤建模及基础研究提供支撑。

方法：多功能动物撞击系统基于储能换能装置、简便式多功能撞击装置、撞击参数测量装置等三大部件的原理设计，并对其有效性和稳定性检验。采用撞击仪预设定不同撞击参数(200，300，400，500 kPa)并选择5 cm²撞击头对大鼠胸、腹部不同部位器官实施闭合撞击实验并立即记录撞击力数据。各部位不同撞击参数下随机选择3只大鼠实行撞击操作，随后处死大鼠以解剖观察。

结果与结论：①成功地研制出该多功能撞击仪，其撞击应力峰值连续可调节且量程在0-200 kg，压缩和挤压应力连续可调节且量程在0-100 kg；②动物实验表明仪器能够造成大鼠肺、肝、脾等器官不同程度的组织损伤，验证了该仪器具有良好的有效性(P< 0.05)和可重复性(P> 0.05)；③结果说明，撞击仪操作简单，撞击方式多样，撞击参数可被实时记录；经过调试和动物实验，效果显著且性能稳定，可对不同实验动物形成不同强度和方式的创伤。适用于撞击伤的建模和有关基础研究。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

ORCID: 0000-0002-0406-6299(王海林)

关键词: 组织构建, 组织工程, 撞击系统, 力学参数, 创伤模型, 应力, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: A few devices have been reported to be used for studies on trauma, but these devices are unavailable for establishing the animal models of trauma because of their limited application range.

OBJECTIVE: To develop a multifunctional impact system and evaluate its application effect, thus paying ways for establishing the animal models of trauma and basic experiments.

METHODS: The multifunctional impact system was designed based on the theory of energy storage device, simple multifunctional impact device and impact parameter measuring equipment, and its effectiveness and stability were detected. The rat chest and different visceral organs were subjected to the closed impact experiment using a 5 cm² impact at the predetermined parameter of 200, 300, 400, 500 kPa, respectively. Afterwards, the rats were sacrificed for morphological observation.

RESULTS AND CONCLUSION: The multifunctional impactor was successfully developed, of which the maximum impact stress could be adjusted from 0 to 200 kg and compressive and extrusion stress also could be continuously adjusted from 0 to 100 kg. The experimental results showed that the impactor made certain damage to the rat lung, liver and spleen suggesting its favorable effectiveness (P < 0.05) and repeatability (P > 0.05). These findings suggest that the impactor is easy to operate in various ways and holds good effectiveness and stability, and its impact parameters can be detected in real time. Therefore, the impactor is suitable for both establishing the animal model of trauma and basic experiments.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

Key words: Wounds and Injuries, Mechanics, Stress, Mechanical, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

王海林，肖和达，张生，江宗兴，刘卫辉，汤礼军，戴睿武. 一种基于动物实验多功能撞击仪的研制及应用[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(20): 3196-3201.

Wang Hai-lin, Xiao He-da, Zhang Sheng, Jiang Zong-xing, Liu Wei-hui, Tang Li-jun, Dai Rui-wu. Development and application of a multifunctional impactor based on animal experiments[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(20): 3196-3201.

图/表（结果） 2

2.1 实验动物数量分析 实验选用SD大鼠36只，实验过程无脱失，全部进入结果分析。

2.2 仪器硬件参数 本撞击仪各装置及整体外观见图2，3。

撞击仪的主体材质为金属，体积为450 mm×450 mm× 800 mm，质量约60 kg；弹簧的规格(包括钢丝直径、螺纹直径、螺纹间距、螺纹长度)与带刻度槽柱体配套，目前已有钢丝直径4-8 mm的弹簧和直径80 mm的带刻度槽柱体；撞击头有刚硬的金属材质和柔韧的塑胶材质两种，撞击面积为3-8 cm²不等，呈球、扇形饼、圆饼等各种形状；压力传感器探头及显示仪表的型号见前述，规格参数详见产品说明书。

2.3 撞击参数 该撞击系统的应力传导在同一纵轴线，弹簧的压缩长度最大为30 cm，压缩形成的弹力最大可达100 kg，撞击目标后弹簧反弹势能全部被含有弹性橡胶垫的顶盖缓冲抵消，防止了二次打击；撞击头的撞击应力峰值连续可调节且量程在0-200 kg，压缩应力连续可调节且量程在0-100 kg；所购压力传感器探头的感应量程为0-200 kg。

2.4 仪器有效性检测结果 特定力学参数(φ_钢丝=4 mm)的弹簧在各压缩长度下的撞击参数值，见表1。

2.5 仪器稳定性检测结果 φ_钢丝=4 mm的弹簧在压缩长度为20 cm的操作标准下，随着撞击次数增加，撞击参数值的变化，见表2；撞击参数的变异系数即CV=(s/x(_)) ´ 100%，见表3。

2.6 动物实验结果 对本撞击仪设定不同撞击参数并选择5 cm²撞击头对大鼠(详见材料和方法部分)胸、腹部实施撞击。经初步实验能够造成大鼠肺、肝、脾等器官不同程度的组织损伤。见表4。

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引言

目前全球各种类型的创伤如车辆撞击伤、高处坠落伤、工业事故伤(如瓦斯、油罐、锅炉爆炸等)、枪弹伤等的发生呈日益上升趋势，近年来尤其是交通事故伤已严重影响国民健康和制约经济发展^[1-3]。加之严重创伤及其继发性损伤可导致较高致残率和死亡率^[4]，使创伤越来越成为外科学者研究的焦点。因此，围绕实验外科的基本理论和技术开展创伤外科的动物实验研究，对模拟临床创伤的发生和深入探讨各类型创伤的致伤机制、病理生理、伤情演化等方面的课题有着极其重要的意义，为指导创伤救治提供有力的理论基础^[5]。然而目前国内外虽研制了不少研究创伤的仪器，但是此类研究创伤的撞击设备均有其相对的适用范围和不足之处，如操作复杂，设备庞大不便运输，制造成本高，可控性及可重复性差等导致实验动物模型难以稳定、准确地模拟和量化伤情。胸腹腔内器官的创伤，多采用小动物模型展开研究，目前此类建立创伤模型的设备较少且不够规范。

以往的气流驱动式撞击机，仅可精确调整冲击气流产生的压力，而致伤范围仅能控制在0.5-1 cm²以内，不能用于单次撞击后器官大面积损伤的建模和伤情研究。由于建立创伤模型的设备适用与否直接关系到课题研究的成效，因此亟待研究一种简易适用的撞击设备，用来满足模拟大面积创伤的实际需要。为此，研究立足于既往撞击设备的研究基础，结合所报道的创伤建模设备的优点，旨在研制一种撞击参数可调控、撞击方式多样、量化准确、性能稳定的简便新型撞击设备，为动物各器官创伤的建模和病理生理、创伤修复等研究提供可行条件。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

材料方法

1.1 设计 多功能动物撞击仪研制。

1.2 时间及地点 实验于2015年12月至2016年10月在成都军区总医院中心实验室完成。

1.3 材料 多功能动物撞击系统图纸由本中心设计；主要由储能换能装置、可调撞击装置、撞击参数测量装置等组件。多功能动物撞击仪整机组件的各构件名称、原理见图1A-C。

1.3.1 储能换能装置 该装置委托成都市团结模具铸造公司和成都市光华橡胶有限公司制造。主要由各型号弹簧、顶盖(含橡胶垫)、含刻度槽柱体、支撑架、底座等构件组成，如图1C中2，3，4，9，10所示。

主要原理：弹簧压缩将储存弹性势能转化为动能。不同力学参数的弹簧组合决定了装置的不同撞击量程；顶盖作为弹簧压缩的承载面，内含弹性缓冲橡胶垫；带刻度槽柱体两侧对称的刻度尺能够反映弹簧压缩长度，以便判断和控制发动撞击的力度及能量，还能确保撞击操作的平衡，减少撞击的偏差。

1.3.2 可调节式撞击装置 委托制造单位同前述。主要有基座，手柄杆，撞击杆，可调式撞击头等构件，如图1C中5，6，7，8所示。

本装置关键在于设计了三维可调式、不同形状及尺寸的撞击头，从而控制撞击的接触方式和面积，进而控制损伤的性质及范围。以便通过调节撞击角度和更换撞击头来满足不同撞击条件的需要。

1.3.3 撞击参数测量装置 该装置主要构件购于深圳创斯尔传感仪器有限公司，包括压力传感器探头(型号：CPR503-200KG-S02)、显示仪表(型号：CPR810)、24V稳压电源(型号：S-50W-24)等；附属构件委托成都市团结模具铸造公司制造，含圆环柱、螺丝钉槽、圆柱台、螺纹凸台和垫板。如图1C中1，11，12，13，14，15所示。

该部分主要依靠压力传感器的工作原理测量并显示撞击应力数值，即探头将力信号经电信号转化并在显示仪表上读取。当撞击的应力传递至压力传感器测量探头时，显示仪表开始记录脉冲信号数值变化，并在软件上绘制成曲线图，撞击过程的最大应力即为曲线的峰值，该值在显示仪表上显示。

1.3.4 实验动物 健康封闭群SD大鼠，成年雄性，无特定病原体级，体质量(250±10) g，同一批次共计36只，购于成都达硕实验动物有限公司。

1.4 实验方法

1.4.1 多功能动物撞击仪操作步骤 将显示仪表和稳压电源(24 V)与压力传感器测量探头连接并外接220 V电源；将撞击目标暴露于螺纹垫板上，将其固定；双手向顶盖方向拉动手柄杆压缩弹簧达到目标刻度且确保手柄杆两侧平衡无偏移；随后瞬间放松手柄杆，弹簧在恢复原状的过程中，产生的回弹力推动撞头使之快速打击螺纹垫板上的撞击对象；显示仪表记录此次的撞击应力峰值；重复操作按上述步骤循环即可。

1.4.2 系统有效性检验 取撞击仪同一力学参数(φ_钢丝= 4 mm)的弹簧3套，分为A、B、C组，依次分别按压缩长度等于10、20、30 cm的标准进行撞击，各组均重复撞击10次，记录每次撞击的压缩应力值和撞击应力峰值。结果用x(_)表示，采用SPSS 17.0软件，对正态分布资料采用配对t 检验，偏态分布资料采用秩和检验，P < 0.05即为有统计学意义。±s

1.4.3 系统稳定性检验 取前述弹簧一套，配套组装于撞击仪中，设置压缩长度等于20 cm的撞击标准，记录操作次第编号及对应的压缩应力值和撞击应力峰值的结果，按此操作标准重复510次以上，取第1-10次、101-110次、301-310次、501-510次数据，共4个组，结果用x(_)±s表示，用SPSS 17.0软件对正态资料采用独立样本t检验，偏态资料用秩和检验，取P < 0.05为有统计学意义。

1.4.4 动物实验 采用本撞击仪预设定不同撞击参数(200，300，400，500 kPa)并选择5 cm²撞击头对大鼠胸、腹部不同部位器官实施闭合撞击实验并立即记录撞击力数据。各部位不同撞击参数下随机选择3只大鼠实行撞击操作，随后处死大鼠以解剖观察。伤情判定标准参照以往文献^[6-7]，以及美国创伤外科协会(AAST)提出的OIS(1994年修订)分级标准^[8]，各器官目标伤情对应的撞击参数即是该损伤状态下的最适合应力。

1.5 主要观察指标 ①仪器硬件参数；②撞击参数；③仪器有效性检测结果；④仪器稳定性检测结果；⑤动物实验结果。

1.6 统计学分析 由第二、三、四作者应用SPSS17.0软件，对正态计量资料采用独立样本t 检验，偏态计量资料采用秩和检验，P < 0.05即为有统计学意义。

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讨论

创伤一直是外科学领域的焦点问题之一，随着近年来交通事故造成撞击伤的发生频繁，加之因创伤的致死致残使潜在寿命损失年数(YPLL)大于任何其他疾病^[9-10]，因此必须增加对创伤研究各方面的投入。研制建模设备和建立同伤者临床上类似生理、病理特征的动物模型是研究创伤相关课题的前提^[11]。

尽管不少国内外学者在创伤建模设备上的研究取得了一定成果，然而综合比较所公开的撞击系统都有相对的适用范围或一些不足之处，创伤模型存在建模成本过高、致伤因素繁杂、致伤范围不易控制、重复性差、操作复杂等弊端^[12-14]，使得致伤装置使用受限。目前胸、腹腔内脏器(如肺、肝脏、胰腺、脾)的创伤，多采用小动物模型开展研究，至今建立此类创伤模型的撞击设备少见。以往研究所用的气流式撞击机，仅能精确调整冲击气流压力，而致伤范围仅控制在0.5-1 cm²以内，无法完成单次撞击后脏器大面积损伤的建模和进一步研究^[15-18]。为此，作者根据撞击伤发生的损伤机制及生物力学特点^[19]，结合所报道的创伤建模设备的优点，研制了该撞击仪。它具有撞击参数可调控、撞击方式多样、量化准确、性能稳定等特性。进一步说明，作为一种实用简便新型撞击设备，与气流驱动式撞击机相比较，除了能够调整和记录撞击参数外，另一个显著的优势就是本撞击仪能够用不同型号的撞击头可实现建立目标器官所需的大面积范围的创伤模型。解决了以往气动式撞击机不能实现建立较大范围损伤模型的难题。

撞击和挤压是交通事故伤中最常见的致伤类型，原发损伤是应力传至体内和应力集中于损伤部位的综合结果^[20]。与已经报道的撞击系统比较^[14-15^，^20-36]，本撞击仪自身性能具有以下特点：①由于单一力学参数的弹簧压缩产生的是非连续应力，故本仪器采用的不同力学参数的弹簧组合，解决了撞击的应力在较大的范围内连续可调节并可根据建模需要获得目标应力参数；②顶盖所含的弹性胶垫能缓冲二次打击，减少和避免了不可控损伤的发生以确保单纯致伤；③在实施撞击操作过程中，两侧手柄杆平对柱体上对称的刻度尺可控制与观察弹簧被压缩时的长度并判断其是否两侧呈水平对称压缩，同时带刻度槽柱体与弹簧配套，确保了弹簧与容纳弹簧的带刻度槽柱体的直径一致，尽可能消除两者之间的直径差，有助于减小撞击过程的应力偏差，使弹簧的发力方向与带刻度槽柱体的纵轴线一致，两者协同提高了撞击的稳定性；④撞击头呈多种形状及型号，通过更换目标撞击头能三维调节撞击角度和面积，以便控制不同器官与部位损伤的性质及范围；⑤本系统的撞击头设有刚硬和柔韧两种材质，两者有不同的撞击效果。刚硬撞击能产生应力集中效应使靶组织损伤程度不一，而柔韧撞击没有应力集中现象，可使损伤区域有较好的一致性^[14]；⑥采用压力传感器系统，能够实时监测应力变化，有较高精确度与灵敏度，撞击参数测量可靠。⑦研制成本低廉，操作安全性好，体积小巧不受场地限制，拆装简单运送携带方便。

作者首先对该仪器的有效性进行了验证(表1)，弹簧设置不同的压缩初长度对应的撞击参数(压缩应力和撞击应力)存在良好的一致性，表明了本撞击仪可以较好的调整撞击参数以满足实验撞击的需要。进一步地，检验了本撞击系统的稳定性(表2，3),随着撞击次数的累加，撞击参数在相同操作标准中逐渐呈现稳定的差异，其中压缩应力在300次以上撞击后开始下降，其CV值增大(CV值反应撞击参数变化大小)，表明应力值波动大；撞击应力在500次以上撞击后开始下降且CV值亦增加。因此，弹簧的压缩操作在累计300次以内，撞击参数呈现较好的稳定性，对于300次以上的累计撞击，由于弹簧金属疲劳及机械磨损等因素致其力学参数发生改变，导致了储能换能装置的系统误差增大，建议解决方案为更换弹簧以保证撞击仪的功能稳定。此外，运用本撞击仪在“储能换能装置设定不同撞击参数-可调节式撞击装置选择合适的撞击头-撞击参数测量装置记录力学数据”的一体化操作模式下对大鼠胸腹部进行的致伤实验，通过解剖大鼠并鉴定损伤程度，大体观察发现能够初步造成大鼠肺、肝、脾等器官不同程度的损伤(表4)，模型伤情较稳定，接近临床。按文献中器官创伤程度的分类标准^[6-8]，实验中各器官不同程度创伤所对应的撞击参数即为造成该器官目标损伤的适宜撞击力。更加具体的动物模型建立和伤情研究在以后详细设计并进一步探讨。

综上所述，该多功能动物撞击仪操作简单方便，撞击强度量程大，撞击方式多样，撞击参数可被精准、实时记录，经过对仪器的初步调试和动物实验，撞击效果显著且性能稳定。它能够较好地模拟创伤的发生及控制其严重程度，主要适用于家兔、大鼠、小鼠等小动物的单一部位或器官的较大面积创伤模型的建立，为进一步探讨实验动物创伤后机体的生理和病理演化机制以及创伤治疗等的研究提供了有力支持。然而该仪器目前仍存在一些缺点和不足，如撞击操作为手工拉动手柄杆方式，还未实现自动化程度更高的机械式操作。此外暂未设计在撞击过程中的控速测速装置，尚不能用于研究不同撞击速度条件下的创伤动物模型，存在的这些问题和劣势，作者将参考其他学者报道的研究成果并结合其优势，在以后的研究中对其进一步优化、改进。

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