“丁丁”到底有多强，科学家测出来了，发了一篇顶刊！

勃起功能障碍（ED）主要影 响着 40-70岁的丁丁男性，并可能导致生活质量低下。到底顶刊ED治疗的有多一种选择是外科植入可充气阴茎假体（IPP）。然而，强科该方案可能引起诸多负面结果，测出包括感染、发篇 迁移或纤维化。丁丁为了改善结果，到底顶刊IPP设备与周围组织之间的有多相互作用需要进一步研究，这可以通过临床前试验来实现，强科而这些试验依赖于大 量的测出组织测试。

IPP的发篇设计主要来源于短期临床和手术结果，而人们对充气假体与邻近组织（海绵体和白膜）的丁丁机械相互作用缺乏了解。这些假体有时会通过组织纤维化、到底顶刊侵蚀、有多迁移、装置机械故障、血肿等导致邻近组织的降解和损伤。为了更好地了解IPP与组织的相互作用，研究人员开发了一些计算模型。Gefen等人开发了2D有限元阴茎模型，有助于理解与假体定位和取向相关的生物力学，还探索了正常人和糖尿病患者在假体充气过程中相邻组织中产生的应力水平。然而，这些模型使用的组织特性并非来自人类阴茎实验测试（而是使用肺实质）。此外，软组织在自然界中的超弹性行为难以通过线弹性材料模型来描述。

近日，都柏林圣三一学院Caitríona Lally团队采用实验方法表征马阴茎组织的力学特性，并建立阴茎组织的测试方案。作者在平板压缩试验中对整个阴茎节段进行测试，以获得临床前验证所需的所有阴茎力学行为，同时对单个阴茎组织（即海绵体和白膜）进行拉伸和压缩试验。该工作还讨论了使用逆有限元方法来估计每个组织层的材料参数的计算模型的开发。这些材料参数与从单个组织层和整个器官组织测试中获得的实验结果非常一致。该工作首次提出了阴茎组织的真实非线弹性材料参数，并为IPPs提供了一个验证的试验平台。该工作以题为“Experimental testing combined with inverse-FE for mechanical characterisation of penile tissues”的论文发表在最新一期《Acta Biomaterialia》（1区TOP期刊）上。

研究对象及力学测试

一般来说，哺乳动物的阴茎有两种不同的构象：纤维弹性和肌肉海绵状特性。猪和牛的阴茎由纤维弹性组织组成，而马和食肉动物的阴茎本质上是肌肉海绵状的，具有较高数量的肌肉纤维。由于后一组的阴茎与人类阴茎在解剖学上有很好的相似性，作者选择马阴茎作为研究对象。马的阴茎轴由一个留在体外的远端阴茎组成，而内侧和近端区域在体内。马的整个阴茎轴如图1a所示。马阴茎由海绵体（corpora cavernosa, CC）的海绵状勃起组织、包围白膜（tunica albuginea, TA）的纤维层和CC中不完全隔膜的随机网络组成。马阴茎的横截面如图1b所示。实验将采用切除后4-6小时内获得的新鲜马阴茎，然后进行清洁以去除周围和不需要的组织。清洁后，将阴茎轴切成30 mm的片段（图1c）。随后将节段分离为CC和TA（图1）。IPP膨胀会导致CC在径向方向上被压缩，而TA经历多向膨胀。因此，CC的试样是在径向方向上获得的（图1d），而TA试样是沿着纵向、周向和径向方向提取的（图1e）。作者使用径向6mm的活检冲头获得CC和TA的圆柱形标本。沿径向压缩获得的TA试样如图1e所示。

图1. 研究对象及力学测试试样。

如图2a和b所示，试样在两个加载方向上都表现出非线性的机械响应。试样在0度和90度时的机械响应显示出重叠区域（图3c）。然而，当在两个不同的方向上测试时，组织显示出不同水平的最大力（图3d）。

图2. 压缩测试。

有限元模型

作者使用三维有限元（FE）模型模拟了马阴茎节段的压缩试验。马阴茎的横截面是基于图3a中所示的样本进行近似的。该模型由四个单独的层组成：TA、CC、CS和BM。为了模拟软生物组织的材料非线性，作者使用了超弹性材料模型，并创建了两个刚性外壳，以模拟实验中的上部（可移动）和下部（不可移动）夹具。对下部刚性壳应用包围约束，以消除所有自由度（位移和旋转），而上部刚性壳只能垂直移动。在0度和90度两个方向上进行全器官测试模拟，以复制实验程序。由于马阴茎节段在解剖学上不是对称的，因此每次模拟都会选择最对称的节段（两个节段）。这些片段用于0度和90度模拟，从而减少了不对称的影响。作者采用了一种逆有限元方法，以估计每层组织的组织参数。这种逆有限元方法使用Hooke-Jeeves优化技术，并将Abaqus/CAE中定义的材料参数更改为变量，以达到最佳结果。在逆计算中，作者定义了两种目标类型：0度和90度压缩试验中的试验力-位移数据和节段变形形状（图3c所示的反向有限元流程图）。尽管压缩测试下组织的力-位移响应将导致对材料参数的很好预测，以模拟组织的总刚度，但它没有包含足够的变形水平信息。因此，为了更好地预测材料参数，作者还考虑了变形后组织的边界情况，将30%压缩后的整个器官（30mm节段）的横截面边界设置为反向方法的目标。

图3.有限元模拟的阴茎近似横截面。

有限元模拟结果与实验对比

作者使用压缩试验的实验结果，采用逆有限元方法得出了有限元模型中各个材料参数的估计值。逆有限元估计的组织参数能进行准确的预测（图7）。施加在上夹具上的反作用力与归一化位移（高达30%）的关系被绘制出来，并与0度和90度的实验测试数据进行比较（图2a，b）。实验结果中非线性力-位移响应能够通过有限元模拟得到充分的描述。对于前20%的应变，有限元模拟结果和实验曲线完全重叠，但当应变超过该值，有限元的预测会出现轻微偏差。尽管如此，模拟的结果也能与实验结果实现极好的匹配，在0度和90度测试中的相对误差分别为5.76%和6.13%。这证明了实验结果和模拟结果之间吻合良好。

图4. 有限元结果与实验对比。

小结

该工作建立了阴茎组织的机械测试方案，并基于实验开发了一个经过验证的计算模型。首先，作者对30 mm长的马阴茎节段进行压缩测试，然后将其分离为单独的阴茎组织——TA和CC。在人类阴茎的IPP扩张过程中，CC沿径向压缩。因此，提取马CC试样并在径向压缩下进行测试。TA在阴茎勃起过程中经历了更复杂的变形模式，因此，作者对TA试样进行了压缩（径向）和拉伸（纵向和周向）试验。开发了一个基于有限元的计算模型来对马阴茎组织进行建模，并采用逆有限元方法，利用从整个组织测试中获得的实验结果，来估计真实的材料参数。

文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.actbio.2024.03.013

来源：高分子科学前沿

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