对PermaGel作为弹道组织模拟物的重复性进行定量评估

《International Journal of Legal Medicine》：Quantitative assessment of the repeatability of PermaGel as a ballistic tissue simulant

　　摘要：近年来，人们对与人体组织复制相关的经济、环境和伦理问题的关注度日益增加。这促使人们寻求可重复使用的产品，这些产品在重复使用过程中不会对数据集造成损害，同时能为研究项目带来经济效益，并减少试验阶段结束后需要处理的材料数量。本研究重点探讨了PermaGel在连续重复使用情况下作为生存能力和致死性测试介质的可靠性。首先使用单级气体枪进行了一系列基线测试，随后对材料样本进行了多次熔化/重塑循环，再重新进行测试以检查性能上的差异。结果显示，在热循环处理后，材料的穿透深度出现了30.40%的变化，临时空腔的最大直径也增加了5.36%。这些结果引发了人们对PermaGel能否准确重复使用的担忧，并提出了使用建议以尽量降低数据不准确性的风险。本研究的结果证实了文献中提到的问题，为研究界提供了一个统一的数据来源，并指出了未来需要进一步研究的领域。

引言：传统上，人类尸体和哺乳动物组织被用作评估弹药性能、弹丸致死性和创伤弹道学的合适介质[1,2,3,4,5,6]。然而，随着对这些材料持续使用的伦理争议，近年来人们开始使用替代的软组织模拟物，以确保研究项目在整个过程中保持伦理标准[7,8,9,10]。为了符合伦理要求，研究人员一直在寻找能够在不损害数据集的情况下减少伦理影响的不同材料。弹道明胶已被广泛采纳为工业和学术界的标准材料，因为它能最接近地模拟人体躯干[5, 11,12,13,14,15,16,17]。其透明特性使得可以通过高速视频分析临时和永久性空腔，这对于提高生存能力技术和弹药开发至关重要。此外，校准的重要性也被强调，Fackler方法被业界认可为在使用10%明胶（重量百分比）的研究中确保介质一致性的方法[12, 14, 18,19,20]。另一种常用的20%明胶（重量百分比）在欧洲和北约国家中使用，因为全金属壳（FMJ）弹丸需要更高的密度[11, 12, 19, 21, 22]。然而，20%明胶目前尚缺乏公认的校准方法[11,12,13, 19, 23]。尽管弹道明胶具有诸多优点，但学术界也存在一些担忧，尤其是在温度依赖性、单次使用效果和制造变异性方面[11, 12, 19, 24,25,26]。因此，人们正在寻找更具经济价值的替代品，这些替代品能够在更广泛的气候条件下使用，并减少材料浪费，使研究实践更加可持续，符合3R原则[12, 27,28,29,30,31]。Perma-Gel被认为是一种可行的替代品。

Perma-Gel是一种合成弹道明胶替代品，主要用于法医学、弹道测试和医学研究[11, 12, 32,33,34]。它旨在模拟人体软组织，使研究人员、医疗专业人员和其他领域能够研究穿透深度、观察临时和永久性伤口空腔、评估弹丸或碎片的性能，并直接比较不同子弹或口径的效果[11, 12, 24, 32, 34, 35]。这种材料由凝胶剂和矿物油制成，在评估终点弹道学（即子弹或弹丸撞击目标时的情况）时，其效果与传统10%弹道明胶相当，但消除了传统材料的局限性[12, 24, 36]。Perma-Gel还具有多个优势，例如可以多次重复使用，从而避免了大量采购材料带来的经济和供应链负担[37, 38]。这一过程涉及将材料熔化并重塑成所需的样本形状。在此过程中需小心操作，以防止材料降解——学术文献中对此有不同观点，特别是关于材料在多次熔化循环后仍能保持良好性能的问题[12, 24, 33, 39]。此外，Perma-Gel还具备模拟软组织特性的稳定性、可重复性和透明度，便于观察弹丸轨迹、评估穿透深度和观察空腔动态[11, 24, 32, 35]。与弹道明胶相比，Perma-Gel在稳定性方面更具优势，无需在测试前冷藏，且能在更广泛的环境条件下使用。这一特性有助于延长材料寿命，减少传统弹道明胶在不受控环境中发霉和产生异味的概率[40,41,42]。Perma-Gel是预先制造好的“即用型”产品，已按照FBI标准的4°C温度进行了校准，用户可以直接参考这一公认的标准[43, 44]。

然而，Perma-Gel也存在一些局限性。热循环会导致其机械性能下降（尽管这有时被视为其优点[11, 12, 15, 24, 32]，但聚合物材料的反复热循环可能会引起化学或物理降解，从而改变弹性或密度等关键性能，影响穿透深度和伤口轮廓的准确评估[45,46,47]。对于Perma-Gel来说，这些变化可能对其在弹道事件中模拟组织反应的能力产生重要影响，进而影响其在创伤弹道学、生存能力评估、致死性和弹药设计以及法医重建等领域的应用。热循环过程中还可能出现气泡形成（导致密度和结构完整性不一致）、加热不均（局部降解或熔化不完全导致材料样本不均匀）、污染（来自先前使用的灰尘、碎屑或残留物）以及材料损失（蒸发、泄漏或模具内残留物导致最终样本体积和一致性变化），这些都会影响测试结果的准确性。与人体组织相比，Perma-Gel的机械性能（如弹性、密度或失效模式）也存在差异。文献显示，Perma-Gel的应变率和机械等效性介于10%和20%弹道明胶之间，其减速力/出射速度可能与人体组织不同[11, 32, 34]。尽管Perma-Gel在某些条件下的出射速度较高，但这可能意味着其减速力较弱[15]。了解这些差异对于准确理解弹丸穿透情况非常重要。通常通过校准来控制材料性能的差异。虽然按照FBI标准的4°C进行校准对Perma-Gel有益，但由于材料密度的不同，其适用性仍存在争议。尽管有大量关于传统弹道明胶的校准文献，但关于Perma-Gel在热循环和长时间暴露于环境条件下的校准效果的研究较少。

经济性和可持续性也是需要考虑的因素。虽然Perma-Gel的前期成本较高，但通过重新熔化和重塑材料，可以在整个研究过程中节省成本[15]。然而，也需关注材料的处理和处置问题。与传统弹道明胶不同，Perma-Gel含有矿物油，这种成分不易生物降解[48, 49]。如果处理和处置不当，可能对环境和各研究机构的可持续目标产生负面影响[12, 15, 50,51,52]。鉴于上述局限性，建议在使用Perma-Gel时将其视为相对替代品，而不是完全等同于人体组织，并尽可能进行校准或验证。研究人员应记录每次使用后的变化（如颜色、透明度、气泡、空洞和机械响应），以确保这些变化不会对输出数据产生负面影响。同时，应保持温度、块体大小、方向和支持结构等环境条件的一致性，以减少变异性，并认识到结果（如临时空腔大小、材料位移和碎片行为）可能与人体伤口结果不完全对应，因此在研究讨论中应予以说明。

综上所述，虽然Perma-Gel在许多方面优于传统弹道明胶，但在使用时应谨慎，并考虑其与现有软组织替代品的可比性。尽管Perma-Gel常用于模拟弹道明胶的目的[11, 12, 15, 21, 24, 32, 33, 53, 54]，但两者之间存在差异。表1总结了Perma-Gel与弹道明胶在创伤弹道学和测试中的关键差异。尽管Perma-Gel在某些方面与弹道明胶相似，但仍需谨慎使用。尽管市场上宣传其机械性能与10%明胶相当，但文献表明其在高应变率环境下的表现可能不同[21, 34]。先前研究对材料可重复使用的次数存在争议[12, 24, 33]。Boackle等人报告称Perma-Gel可重复使用12次，但Tischler和Mabbott认为最多只能使用10-15次[24, 33]。这种文献上的不一致性使得关于其可重复性的决策变得复杂，并增加了数据不准确性的风险。本研究旨在为学术界提供一个统一的数据来源，帮助学术界和工业界明确了解材料在退化前的最大熔化循环次数，并评估弹道环境中的退化程度。通过评估多次重复使用周期中材料一致性和弹性的变化，作者旨在确定Perma-gel作为可重复使用的伤口弹道模拟物的实际限制。

**材料与方法**
Cranfield大学的工作室使用铝材制造了尺寸为9英寸x 4英寸x 4英寸（228.6毫米x 101.6毫米x 101.6毫米，±0.25毫米）的模具。选择铝材主要是因为它已被证明能够成功用于这种类型的应用[56, 57]，具有良好的加工性，并且能够为这项研究的需求提供经济实惠的解决方案。为了最大化材料的透明度，考虑了倾倒过程中侧壁的损坏，并通过尽可能使用单层铝材制造模具来减少损坏，然后焊接以形成防水密封。此外，还使用了液态蜡脱模剂来减少倾倒过程中的粘附和潜在损坏。

Perma-Gel材料在投入使用前是整块提供的，并在每次使用前进行熔化/重铸处理。熔化后，所有样本都被单独倒入模具中，然后在室温（18°C）下固化。当每个模具中都含有经过指定熔化和重铸过程的固化材料样本后，使用手术刀确保材料与模具壁之间的粘附减少，然后再小心取出（图1）。

**图1**

**Perma-Gel材料固化后的提取**

从Ballistic Dummy Lab [44]购买了10块Perma-Gel，每块价格为69.99美元。

**脚注1**

由于本研究主要关注Perma-Gel在热循环下的机械性能，因此将Heraeus D-6450 Hanau烤箱（图2）预热至117°C，这一温度通过校准测试确定，并与其他关于相同材料的研究和技术说明一致[24, 37]。遵循一系列程序确保材料在受控条件下熔化，然后允许其在恒定温度下固化。表2列出了条件和观察结果。

**图2**

**左：Heraeus烤箱。右：按熔化循环次数排列的人工老化后的材料状态（右下角样本显示黄色）**

**表2 Perma-Gel制造条件和观察结果**

**动态测试**
将直径为4.5毫米的AISI 420级不锈钢滚珠集成到预应力塑料弹托中，以确保在枪管中空气流动时不会损失能量[14, 15]。弹托经过预应力处理，以确保在材料撞击前弹丸分离，从而减少阻碍弹丸进入点视觉检查的风险。每个滚珠的质量为0.4克，在插入气枪枪尾之前进行了视觉检查。

**实验装置与方法**
使用位于Cranfield University Shrivenham校区的ELVIS Gan Gun进行了这项实验。关于该气枪及相关设备的详细信息可以在同一作者之前的工作中找到[14, 15]。

滚珠被集成到塑料弹托中，然后放入枪尾并关闭。在高速视频（HSV）相机和内部强光源开启后，将气枪加压至12巴（±1巴）。使用两个光门准确记录弹丸的到达时间，并证明弹丸以235米/秒（±12米/秒）的速度到达目标。选择这一速度是为了与A.Mabbott在同一研究中心进行的先前Perma-Gel测试保持一致，同时也考虑了气枪的局限性[24]。加压后，从远程位置安全发射气枪。需要注意的是，在第二次发射阶段，用于驱动气枪的空气不可用，因此使用了8巴的氦气来达到相同的速度。

发射后，从目标腔室中取出每个样本，并进行视觉检查，观察是否有进入痕迹和永久性空化现象，并记录观察结果。对于有观察结果的，随后使用HSV录像进行验证。使用钢尺测量穿透深度，随后使用HSV录像确认在弹性恢复过程中空气快速排出时没有发生弹丸回抽，从而避免数据集失真。根据不同操作者的重复测量，本研究中穿透测量的不确定性约为0.5毫米。

本研究中使用的HSV相机型号为Phantom V12-12，设置如表3所示。该相机与相关的PCC软件（版本3.11.11.806）一起使用，用于分析弹丸/材料相互作用，包括测量弹丸行程、伤口腔直径、形成和塌陷、冲击波传递以及任何其他感兴趣的观察结果。为了确保准确性，对相机进行了校准，并记录了数值（表3），以确保在图像和视频的后处理过程中输入适当的缩放设置。在PCC软件之外，还使用Microsoft Excel对原始数据集进行了额外的后处理。

**表3 Phantom高速相机V12-12设置**

**全尺寸表格**

进行了两个系列实验以生成本手稿的数据。第一个系列主要通过使用“原始状态”的材料来研究弹丸的穿透深度，以建立材料性能的基线理解；第二个系列则重点评估不同熔化和重铸循环对穿透深度变化的影响。

**结果与讨论**
**穿透深度评估**
图3显示了“原始状态”材料（系列1）和经过热循环处理的材料（系列2）的穿透深度。在系列1中使用的所有样本中，穿透深度范围在130至155毫米之间（差异为17.54%）。基线发射时的速度平均为239.1米/秒，最低速度（226米/秒）和最高速度（247米/秒）之间的方差为8.88%。速度和穿透深度的原始数据比较显示非线性趋势（附件A – 穿透深度和速度原始数据），表明速度和穿透深度测量之间没有相关性，如最低速度记录（块1）的132毫米和最高速度记录（块6）的133毫米所示。原始数据反而表明，245米/秒的输入速度产生了最高的穿透深度155毫米，而最低穿透深度129毫米是在241米/秒时获得的，这提供了关于“原始状态”材料校准和/或均匀性的担忧。

**图3**

**原始状态材料（系列1）与经过热循环处理的材料（系列2）的穿透深度比较（按严重程度排序）**

在记录基线数据后，对熔化和重铸导致的穿透深度变化进行了评估。图3显示，在5次熔化后，平均变化为9毫米（6.25%），而10次和15次熔化循环后的平均结果分别为20毫米（14.79%）和22毫米（17.18%），与原始状态材料的穿透深度值相比。这些发现表明，材料在熔化后不再表现出原始特性，因此可能会产生错误的数据。粘弹性材料的穿透深度传统上受密度、弹性、粘度、屈服强度和抗变形能力等机械性能的影响[2, 11, 14, 15, 23, 25, 58, 59, 60]。12.74%的增加表明材料变得更柔软。此外，12.74%的增加超出了广泛接受的Fackler 10%明胶校准方法中的“典型”实验容差，该方法明确指出穿透深度校准值的误差范围为±0.5厘米至8.5厘米[14, 18, 19, 43]。因此，对材料能否承受更多次的熔化循环以进行可重复实验提出了担忧。

**空化深度和直径差异**
为了进一步研究熔化和重铸对材料提供可靠数据的能力的影响，进行了熔化前后最大临时腔直径的比较。选择这一研究领域主要是因为临时腔在评估弹丸向组织模拟物传递的能量以及该能量如何损坏超出弹丸路径之外的结构方面的重要性[61,62,63,64,65,66,67,68,69]。

临时腔已被证明是评估弹丸传递到材料中的能量量和速率的最准确指标，因为高应变率冲击会导致更大的能量传递，从而形成更大的临时腔。这为用户提供了关于通过拉伸或撕裂组织（通常与器官、血管和神经相关）引起的次级间接损伤的评估[64,65,66,67,68,69]。此外，与仅评估进入伤口相比，临时腔的评估提供了更高的数据保真度。虽然评估进入伤口仍然很重要，但不同类型或口径的弹药可能在样本表面上产生非常相似的外观，然而材料内部的严重程度通常受速度、弹丸设计（碎裂、翻滚等）以及在样本中飞行和移动的稳定性的影响[67, 70,71,72]。评估临时腔动态的能力最终会影响弹丸设计的改进、医疗治疗以及复制犯罪现场的能力，其中涉及人体被穿透或穿孔的情况[11, 64, 67,68,69]。

因此，了解Perma-Gel在提供临时腔评估方面的任何潜在影响至关重要，这不仅包括材料性能，还包括其在整个实验过程中的透明度。表4显示了在基线发射期间记录的穿透深度和空化评估值。对于5次、10次和15次熔化循环的样本，平均腔直径数据分别为13.63毫米、12.15毫米和14.55毫米。与熔化后的13.42毫米、14.62毫米和14.50毫米相比，这些数据表明熔化后平均腔直径增加了5.36%，这突显了材料的可靠性和重复性的降低，这是一个重要发现，因为材料性能的微小差异会导致后续测试不再反映早期测试的结果。这可能导致研究之间的可比性降低，从而导致错误的法医解释，以及弹药性能的间接比较（其中弹药可能看起来更具破坏性），并最终误导制造商错误地声称符合设计要求或专注于不需要改进的材料方面。

**表4 Perma-Gel穿透深度（DoP）测量值**

**全尺寸表格**

尽管5.36%的增加在查看原始数据时看起来很小，但它确实表明，在本研究中使用的条件下长期使用Perma-Gel进行熔化和重铸会导致机械性能的退化。数据表明，材料变得更加有弹性，这意味着随着熔化循环次数的增加，材料倾向于高估临时腔的深度。因此，建议在将来使用这种材料时将这一发现纳入数据误差中，以避免在更广泛的学术文献中发布误导性结果。此外，记录熔化循环次数以捕捉任何性能下降。

为了进一步研究这一发现，进行了临时腔最大直径发生深度的评估，以进一步了解其影响。在这项评估中，熔化前的样本平均深度分别为61.12毫米、60.26毫米和63.46毫米（对应5次、10次和15次熔化循环的样本），而熔化后的测量值分别为67.91毫米、53.44毫米和57.88毫米。这些发现表明，随着加热次数的增加，材料性能发生了非线性变化。这种变化被认为是由于加热过程中分子变化程度的不同所致。同时也有研究表明，输入速度的差异可能对这些结果产生了影响。此外，这些发现进一步强调了与原始工厂提供的样品相比，材料的机械性能已经发生了变化，这进一步证明了熔化循环改变了聚合物结构，使得材料变得略微柔软（屈服强度降低），这也引发了对在长时间测试系列中使用校准测试介质的担忧。

在审查熔化循环后最大临时空腔直径变化的相关发现时，建议对Perma-Gel的熔化和重铸次数设定限制，以确保结果的可靠性和可重复性，并尽量减少公开文献中的数据不准确性。

**材料使用**
本研究指出，熔化/重铸循环对Perma-Gel的性能有负面影响。然而，也注意到材料使用方面存在一些其他问题。现有文献尚未详细探讨材料组成成分及其在实现材料优异性能中的作用（如具体聚合物类型、交联密度、填料和稳定剂等）。了解这些成分非常重要，因为聚合物混合物的微小变化会显著影响材料的粘弹性、屈服应力和阻尼率，而这些因素都会影响永久性和临时空腔的测量结果以及穿透深度的测量[15, 74, 75, 76, 77, 78, 79]。此外，在大多数情况下，材料是“按原样”使用的，在实验使用前并未对制造商的声明进行验证[24, 34, 35, 39]。这为测试程序带来了风险，因为没有建立基准。供应商提供的校准证书可以作为一种缓解措施，证明所提供的材料批次符合FBI协议，但从研究者的角度来看，仍需对材料质量控制、均匀性和聚合物交联一致性进行假设，这些都可以归类为“批次间差异”。

据报道，聚合物交联的一致性不足（这是控制弹性和能量耗散的主要因素）会导致其他用于该研究领域的明胶的刚度和失效行为发生变化，因此应在整个测试过程中对其进行监测，以确保数据准确性不受分子分解的影响[80, 81, 82, 83]。此外，由于缺乏普遍认可的合成凝胶校准或批次认证，可能会收到外观和识别上相同但机械性能存在差异的材料，从而导致测试结果和不同实验室之间的不一致性[12, 43, 53]。

在本研究过程中，还注意到熔化和重铸每个样品时存在一些问题，尤其是聚合物的热降解、不均匀性、微气泡、材料污染和透明度降低。

本研究的主要目的是调查Perma-Gel的热降解效应。研究结果表明，在所使用的测试条件下，熔化次数的增加可能会对材料性能产生不利影响[12, 24, 33, 39]。最初的假设认为聚合物链容易受到热的影响而发生链断裂，从而导致弹性模量和抗拉强度下降[84, 85, 86]。虽然这是一个重要的考虑因素，但也必须考虑到材料中增塑剂和稳定剂的降解可能导致的粘度变化，进而影响机械性能，研究结果也指向了粘度的变化[87, 88, 89]。尽管这项工作为理解热循环对Perma-Gel的影响提供了初步认识，但它也存在局限性。主要局限在于加热循环之间没有进行物理测试，这可能会提供关于降解机制及其严重程度的更多信息。此外，目前还不清楚在受到冲击作用的同时进行热循环是否会影响降解速率。

在熔化/重铸循环期间，还通过视觉检查监测了材料的光学透明度，以确保没有引入微气泡，因为微气泡会妨碍高速视频的观察，并可能导致材料因局部薄弱点而提前失效[14]。在样品制造和测试前后的视觉检查中未发现微气泡。然而，一个经历了15次熔化-重铸循环的样品出现了轻微的黄变现象，这可能是由于材料中的稳定剂和增塑剂氧化和分解导致的变色（图2）[88, 90, 91]。而在经历了相同循环次数和相同条件的另外两个样品中并未出现这种现象，这证实了熔化/重铸过程中材料均匀性的问题以及潜在的机械性能漂移。

在熔化和重铸过程中，观察到从样品中释放出适量的烟雾，且烟雾量并未随着循环次数的增加而减少，这可能与表5中显示的性能轻微下降有关。这些烟雾呈浑浊状，气味刺鼻，因此需要将烤箱移到通风良好的地方，并使用额外的个人防护设备来防止吸入。建议在未来的研究中注意这一现象并加以考虑，以确保实验的安全进行。

**结论与建议**
本研究进行了18次针对Perma-Gel的实验，每次实验都增加了熔化/重铸的次数，以探讨该材料在弹道环境中的性能退化可能性。测试前后的穿透深度进行了测量，并对高速视频片段进行了全面分析，以检查空腔直径的最大值差异。主要结论是，在使用本研究参数的情况下，应谨慎考虑在伤口弹道研究中使用Perma-Gel，因为其穿透深度明显下降（最大观察差异为30.40%）。此外，熔化循环后空腔直径的最大值增加了5.36%，进一步证明了材料的降解。因此，建议对材料可以承受的熔化循环次数设定限制，以避免产生错误的数据。

此外，对其更广泛的应用及其数据与10%明胶或人体尸体的可比性仍存在担忧。因此，建议使用Perma-Gel的研究人员应：
- 使用参考弹丸（钢制BB弹或已知在10%明胶中表现良好的弹丸）对每批新材料进行校准。
- 记录每次熔化的次数；在达到保守的重复使用阈值后报废样品（从初步测试中确定阈值）。
- 在测试过程中控制温度并记录下来（样品温度和实验室温度）。
- 如果必须声称具有临床相关性，至少对部分实验同时使用10%明胶或生物替代品进行对比测试。
- 记录可能影响成像/解释的光学条件（透明度、变色、气泡）。
- 记录批次编号、接收日期、重铸/熔化次数以及每次实验的位置，以便追溯。

为了验证上述建议的有效性，还应进一步研究不正确处理Perma-Gel对环境的影响，特别是考虑到其成分中含有不可生物降解的物质（如矿物油）。此外，应重点进行熔化前后机械性能（密度/粘度/弹性）的表征，重点关注通过测量质量/体积变化来观察微观结构的变化。还应进行回弹/弹性测试（压缩测试）的验证，以观察随时间（熔化循环）的性能恢复情况，因为显著的变化可能表明机械性能发生了漂移。