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通过分析神经胶质和神经纤维的非同步变形和损伤揭示脑组织的非线性力学行为

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大脑的机械行为在调节大脑形态和功能方面起着至关重要的作用。实验结果表明，脑组织具有很强的非线性、非均质性、应变率依赖性、方向依赖性等复杂的损伤行为。然而，脑组织中极软的神经胶质细胞与复杂的神经纤维网络的相互作用机制尚不清楚。本工作中，对脑组织的非线性力学行为进行了分析，通过分别考虑各向同性神经胶质和各向异性轴突纤维建立了一个细观粘超弹性本构模型。基于扩散张量成像数据，引入广义结构张量来反映神经纤维在脑组织不同部位的取向和分布特征。此外，还建立了神经胶质和神经纤维的损伤模型，以表征其损伤演化的差异。特别根据神经纤维的分布特点，类比Tsai-Hill准则，提出了基于神经纤维拉伸等效应变的损伤起始准则。然后通过细观本构模型揭示了神经胶质和轴突纤维对脑组织变形和损伤的影响。一方面，发现单轴拉伸时脑组织的“S”形非线性应力曲线是神经胶质凸形应力曲线和预拉伸的神经纤维的“J”形应力曲线的叠加，且非线性随应变率的增加而增强。另一方面，随着神经纤维分布由集中向分散的变化，轴突纤维应力增强效果引起的脑组织各向异性逐渐由横观各向同性演化为各向同性。随着应变率的增加，神经纤维的增强趋于各向同性，各向同性神经胶质的应力所占比例增加，导致脑组织各向异性行为更趋近于各向同性。此外，神经胶质和神经纤维损伤的不同步性也导致了脑组织变形行为的复杂转变。随着伸长率的增加，脑组织的各向异性力学行为随着神经纤维的损伤迅速退化为各向同性。总之，本研究结合神经胶质和神经纤维的非同步变形和损伤，很好地解释了脑组织非线性、各向异性和应变率依赖性等力学行为的强耦合效应。本文有助于脑损伤、脑生长发育、脑生理疾病等相关领域问题的深入研究。