食管粘膜层力学性能及表面粘蛋白润滑特性研究

摘要

经自然腔道内镜手术或胃镜诊疗过程中，内镜经口腔探入食管，经食管输送至病变部位。在此过程中，内镜与食管存在挤压、碰撞及摩擦等力学行为，由于内镜前端缺乏力觉感知反馈系统，操作不当往往会造成食管组织的擦伤。因此，研究内镜与食管组织界面间的力学交互作用行为，探寻降低界面间摩擦系数的润滑液对于降低术后或诊疗过程的并发症、减轻病人痛苦等具有重要的意义。　　本文首先选择在结构与功能上与人体食管相似的猪食管作为研究对象，利用原子力显微镜(AFM)测试了食管粘膜层在不同加载力、压入深度及停留时间下的微观力学性能，再利用微控电子万能材料试验机(HY0580)测试了整体食管组织及食管粘膜层组织轴向、周向上不同伸长率下加载-卸载时的滞后特性及蠕变特性。其次，通过应用胰蛋白酶控制食道表面粘蛋白含量，分析了食管表面粘膜层的粘液在内镜-食管粘膜层界面间的润滑作用，并借助UMT摩擦试验机，模拟内镜诊断与治疗过程中内镜与食管界面间挤压、摩擦等行为，进行了医用不锈钢球与猪食管粘膜组织表面的往复摩擦实验，研究了粘膜层表面的粘蛋白对组织与小球界面间摩擦力、摩擦能量耗散及粘膜组织表面形貌的影响，分析了粘蛋白在内镜-食管界面间的润滑保护作用。最后，利用ABAQUS软件构建了球体-食管组织运动模型，分析了内镜经消化道入路过程中食管受力及变形情况。得到的主要结论如下：　　1.食管粘膜组织在纳米尺度下的硬度值与加载率及压入深度呈现出强相关性，硬度值随着加载率的增大而增大，随着压入深度的增加而减小。　　2.食管组织在宏观尺度下表现出显著的粘弹性及各向异性。在拉伸及压缩实验中，加载、卸载过程中食管组织的应力-应变曲线不重合，存在滞后现象；由于食管表面上皮组织沿周向呈“褶皱”状排列，使得食管组织在周向上更易变形，因此在相同伸长量下食管组织轴向拉伸应力大于周向；食管组织蠕变过程具有显著的分段特性和载荷相关性，且载荷越大蠕变过程中的软组织应变越大，稳定蠕变阶段伸长比越大。　　3.胰蛋白酶能有效降解食管粘膜表面粘液，由于胰蛋白酶处理使粘膜层表面粘蛋白减少，粘膜层表面的摩擦系数和摩擦能量耗散明显高于未处理的粘膜层表面，并且摩擦后粘膜层表面在宏、微尺度上均受到严重损伤，证实了粘蛋白在内镜-食管界面间的润滑作用。　　4.利用ABAQUS有限元分析软件，结合力学性能测试结果和UMT摩擦实验结果，定义食管组织材料属性及球体-食管组织接触行为，建立的球体-食管组织运动模型可以初步模拟内镜与食管接触部位的应力变化及变形状态，对摩擦实验结果进行了较好验证。

目录

声明

第1章绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 内镜器械的发展与现状

1.2.1 发展与应用历程

1.2.2 内镜器械的优势与弊端

1.3 内镜界面与消化道界面摩擦特性研究

1.3.1 消化道的结构与功能

1.3.2 内镜-消化道界面摩擦行为

1.3.3 消化道力学性能研究

1.4 粘蛋白（Mucin）

1.4.1 粘蛋白的研究现状与探索

1.4.2 粘蛋白的结构与分类

1.4.3 粘蛋白特异性表征

1.5 选题意义与研究内容

1.5.1 选题意义

1.5.2 论文研究内容

第2章实验材料及方法

2.1 实验材料

2.1.1 实验样品及制备

2.1.2 实验试剂

2.2 实验设备

2.2.1 原子力显微镜

2.2.2 微控电子万能材料试验机

2.2.3 UMT摩擦磨损试验机

2.2.4 倒置荧光显微镜

2.4.5 扫描电子显微镜

2.3 研究方法

2.3.1 微观力学性能测试

2.3.2 宏观力学性能分析

2.3.3 摩擦特性分析

2.3.4 免疫荧光标定

2.3.5 形貌表征

2.3.6 有限元仿真模拟

2.3.7 数据的统计分析方法

第3章食管组织力学特性研究

3.1 食管表面微观硬度性能测试

3.1.1 微观性能测试实验简介

3.1.2 食管表面微观硬度性能分析

3.1.3 食管微观硬度性能实验结果

3.1.4 食管微观硬度性能实验结果分析

3.2 食管组织宏观性能研究

3.2.1 食管组织宏观实验简介

3.2.2 食管宏观力学性能分析

3.2.3 食管组织宏观力学实验结果

3.2.4 宏观力学实验结果分析

3.3 本章小结

第4章粘蛋白在食管界面的润滑作用研究

4.1 实验简介

4.1.1 UMT摩擦磨损实验

4.1.2 荧光检测实验

4.1.3 数据分析

4.2 实验结果

4.2.1 医用不锈钢球-食管界面的摩擦行为

4.2.2 食管表面粘蛋白的荧光形态

4.2.3 摩擦实验后的表面形貌

4.3 实验结果分析

4.4 本章小节

第5章内镜-食管粘膜组织界面数值模拟分析

5.1 有限元模型建立

（1）模型简化

（2）材料属性定义

（3）网格划分

（4）定义接触对

（5）分析步及载荷

5.2 运动分析

5.3 不同参数设定下仿真结果分析

5.3.1 球体-食管组织界面的摩擦系数

5.3.2 球体直径

5.3.3 球体沿食管组织切向运动幅值

5.4 本章小结

结论与展望

论文结论

研究展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目