皮膚力學(xué)的研究進(jìn)展

皮膚力學(xué)的研究進(jìn)展

1總結(jié)1.1皮膚的功能特性皮膚是人體的特殊組織和器官，其重量約為人體重量的16%。由于皮膚有獨(dú)特的涂層結(jié)構(gòu)（見圖1），因此在許多重要角色中發(fā)揮著重要作用，如感覺器官、體溫調(diào)節(jié)器官和身體保護(hù)者。因此，有必要首先了解皮膚的結(jié)構(gòu)、功能和性質(zhì)。人體的皮膚結(jié)構(gòu)因其功能而異。在某些特殊的地方，皮膚結(jié)構(gòu)也與功能有關(guān)。皮膚在分子層次的組成見圖2.圖2中d、e帶指膠原蛋白結(jié)構(gòu)中的微結(jié)構(gòu).真皮由一種內(nèi)含彈性蛋白和膠原質(zhì)纖維的含水凝膠狀基本物質(zhì)所構(gòu)成,其中膠原質(zhì)纖維是真皮的主要構(gòu)件,重量占真皮干重的60%～80%,體積占乳頭狀和網(wǎng)狀真皮的66%～69%.在乳頭狀真皮和網(wǎng)狀真皮中都含有由I型和III型膠原質(zhì)構(gòu)成的纖維,在乳頭層中Ⅲ型膠原質(zhì)與Ⅰ型膠原質(zhì)的比值要略高于在網(wǎng)狀層中的比值,而I型膠原質(zhì)占了總膠原質(zhì)含量的80%～90%.柔性長彈性蛋白分子結(jié)成了一張三維(橡皮狀)網(wǎng)絡(luò),這張網(wǎng)絡(luò)在真皮內(nèi)部包裹纏繞著粗大的膠原質(zhì)纖維,可以比其未受力狀態(tài)下的原始長度伸展2.5倍.1.2人類皮膚力學(xué)性能的全面掌握皮膚力學(xué)在臨床和化妝品的應(yīng)用中(例如整形手術(shù)、傷口恢復(fù)、疾病檢測(cè)、康復(fù)、藥物注射和皮膚給藥,以及對(duì)觸覺功能和疼痛的了解)都具有十分重要的作用.同時(shí),人類皮膚力學(xué)性能的全面掌握對(duì)于醫(yī)療、制藥、化妝品行業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品及改進(jìn)現(xiàn)有產(chǎn)品,也是相當(dāng)重要的.1.2.1皮膚學(xué)性能的量化皮膚力學(xué)在化妝品中的應(yīng)用,包括剃須、脫毛和皮膚護(hù)理(使用護(hù)膚霜和潤膚液),等等.皮膚力學(xué)性能的量化在新型護(hù)膚產(chǎn)品的開發(fā)中是至關(guān)重要的,因?yàn)椴煌愋偷漠a(chǎn)品通過改變不同皮膚的狀態(tài)來發(fā)揮作用.例如,有些產(chǎn)品通過抑制皮膚表面的水分蒸發(fā)來發(fā)揮作用,有些化合物通過吸收并直接將水化元素釋放到皮膚中來發(fā)揮作用,而其他產(chǎn)品的作用則是使人獲得油性皮膚或黏性皮膚.1.2.2皮膚力學(xué)性能的應(yīng)用與臨床有關(guān)的皮膚生物力學(xué)的典型例子就是整形外科、皮膚醫(yī)學(xué)和淺表壓傷病因?qū)W.在外科手術(shù)過程中,需要將皮膚切開,然后再將傷口進(jìn)行縫合.為此,需要很好地具備皮膚性能(包括皮膚力學(xué)性能)方面的知識(shí).考慮人體的部位和各部位皮膚的力學(xué)性能將有助于刀)口形狀的優(yōu)化.同時(shí),定量評(píng)估皮膚組織的力學(xué)性能對(duì)于了解影響傷口恢復(fù)和疤痕形成的因素也是非常重要的.皮膚力學(xué)有助于更好地了解許多物理療法的相關(guān)技術(shù).皮膚的力學(xué)性能已經(jīng)被廣泛用于評(píng)價(jià)面部光化學(xué)損傷的修復(fù)治療和遠(yuǎn)期效果,并用于評(píng)估面部平整治療的有效性.基于皮膚力學(xué)性能的計(jì)算機(jī)模擬也可用來協(xié)助進(jìn)行整形手術(shù),例如制定手術(shù)方案、計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)、外科醫(yī)生培訓(xùn)系統(tǒng)和外科機(jī)器人設(shè)計(jì).在選擇皮膚擴(kuò)展方法和皮膚組織除皺的程序/處理、設(shè)計(jì)替換皮膚、替換或修補(bǔ)“有缺陷的”皮膚以及制造更能“為社會(huì)所接受的”皮膚的時(shí)候,通常都要考慮生物機(jī)械組織的性能.對(duì)于皮膚力學(xué)性能的理解也將會(huì)有助于皮膚代用品的設(shè)計(jì),而這對(duì)于燒傷病人來說是急需的.1.2.3皮膚生物力學(xué)對(duì)觸覺的影響人類的皮膚具有大部分的重要感覺,例如觸覺和痛覺,皮膚中的刺激感受器對(duì)皮膚變形的不同型式作出不同響應(yīng).Birznieks等人認(rèn)為,由材料的各向異性引起的不同應(yīng)變型式可以解釋觸覺傳入響應(yīng)的方向性.Moy等人發(fā)現(xiàn),皮膚的黏彈性對(duì)觸覺的感知具有顯著的影響.Biggs和Srinivasan曾報(bào)導(dǎo),某些個(gè)體對(duì)他們前臂上受到的切向力比正向壓力更敏感,但是對(duì)于作用在手指面上的力,他們的感覺則正好相反.人們還認(rèn)為,感覺性能與皮膚的摩擦有關(guān).綜上所述,這些觀測(cè)結(jié)果表明,皮膚的生物力學(xué)對(duì)于諸如皮膚中的機(jī)械性刺激感受器是如何受到激勵(lì)的,以及傳輸?shù)酱竽X的信號(hào)類型等問題,都能夠從機(jī)理上得出結(jié)論.有關(guān)皮膚行為的詳細(xì)知識(shí)也引起了觸覺顯示設(shè)計(jì)人員的極大興趣.1.2.4皮膚力學(xué)性能的要求將更加廣泛隨著機(jī)器人的發(fā)展,例如自動(dòng)外科手術(shù)工具和機(jī)器人的出現(xiàn)及其在各種情況下的廣泛應(yīng)用,對(duì)皮膚的力學(xué)性能進(jìn)行精密測(cè)試的需求日益迫切.此外,機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)提高了對(duì)機(jī)器人皮膚的要求,這將會(huì)使機(jī)器人在高度自由的環(huán)境中反應(yīng)更加快速高效,人-機(jī)交互更加簡便,并且能夠探測(cè)不同的感覺,例如壓力、濕氣/濕度和物體的硬度.所有這些都將得益于對(duì)皮膚力學(xué)性能的進(jìn)一步了解.1.3皮膚力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)雖然目前已經(jīng)有一些優(yōu)秀的從不同角度對(duì)皮膚生物力學(xué)所進(jìn)行的綜述[1,35,36,37,38,39],但是這些綜述都沒有概括現(xiàn)有的對(duì)皮膚力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),而在本文的綜述中,則對(duì)這一不足進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膹浹a(bǔ).本綜述的要點(diǎn)如下:介紹了在體或離體實(shí)驗(yàn)所用的方法和設(shè)備;討論了皮膚的主要力學(xué)性能,并以表格的形式列出了本綜述所引文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù);討論了未來的研究方向.2皮膚組織的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與應(yīng)力兒乎自從1861年Langer采用一臺(tái)圓形儀器沖壓人類尸體的皮膚以研究皮膚組織的各向異性以來,由于皮膚組織的力學(xué)性能在臨床和化妝品應(yīng)用中的重要性,人們對(duì)在體和離體對(duì)皮膚組織的力學(xué)性能進(jìn)行了廣泛的研究.在早期的研究中,曾使用過許多不同的儀器和測(cè)量條件.人們發(fā)現(xiàn):人類的皮膚通常在在體條件下處于張緊狀態(tài),其性能具有多樣、各向異性、非線性和黏彈性的特點(diǎn);有許多因素可以影響皮膚的力學(xué)性能,例如年齡、性別、在人體上的位置、水化作用、PH值、相對(duì)濕度以及一天中的不同時(shí)間段.此外,由于眾多的皮膚結(jié)構(gòu)成分和功能,以及不同個(gè)體之間皮膚性能的適應(yīng)性和可變性,使得皮膚表現(xiàn)出非常復(fù)雜的力學(xué)行為.典型的皮膚組織在單向和雙向拉伸下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系見圖3.從圖3中可以觀察到3個(gè)顯然不同的區(qū)域:第1個(gè)區(qū)域?yàn)閺椥阅Ａ肯鄬?duì)較低的區(qū)域,在該區(qū)域內(nèi)皮膚形變主要由彈性纖維的拉伸積累所造成;第2個(gè)區(qū)域?yàn)榫€性區(qū)域,在該區(qū)域內(nèi)應(yīng)力兒乎隨著應(yīng)變線性增加,這個(gè)特征主要是由相互交聯(lián)的膠原蛋白纖維內(nèi)的膠原蛋白分子的拉伸和滑移,以及膠原蛋白纖絲的滑移所引起;最后的為屈服區(qū)域,是由于起因于膠原質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)破壞造成的.有關(guān)皮膚力學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)主要可以分為離體實(shí)驗(yàn)和在體實(shí)驗(yàn)二類.離體實(shí)驗(yàn)包括測(cè)試從活體上切除的皮膚組織,而在體實(shí)驗(yàn)則測(cè)試仍然依附在活體上的皮膚.唯一真正可靠的確定皮膚性能的方法是通過在體實(shí)驗(yàn),因?yàn)樵陔x體實(shí)驗(yàn)過程中,皮膚是與其影響環(huán)境(例如血液灌注、淋巴管引流、新陳代謝、神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)和激素調(diào)節(jié))相分離的.但是,在體測(cè)試要受到皮膚組織本身以及皮膚組織所依附的其他結(jié)構(gòu)的影響,因而在進(jìn)行測(cè)試時(shí)很難在樣本中獲得均勻的應(yīng)變場(chǎng)和控制邊界條件,所以也經(jīng)常需要進(jìn)行離體實(shí)驗(yàn).許多學(xué)者研究了離體和在體實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異.Cook等人發(fā)現(xiàn),對(duì)于老鼠皮膚,在應(yīng)變量相同的情況下在體實(shí)驗(yàn)的張力要高于離體實(shí)驗(yàn)的張力,而Vogel和Denkel、Vogel的研究則表明,如果使用相同的皮膚夾持方法,二者的差別很小.Marangoni等人觀察了在體和離體實(shí)驗(yàn)試樣力學(xué)性能的差異,提出了一項(xiàng)快速凍/融技術(shù)來減小切除后皮膚試樣的差別.Jacquet等人指出,應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀取決于實(shí)驗(yàn)是在在體進(jìn)行還是離體進(jìn)行.在體實(shí)驗(yàn)所得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與離體實(shí)驗(yàn)所得到的曲線相比發(fā)生了移動(dòng),而這一移動(dòng)與皮膚中的初始應(yīng)力有關(guān).大部分離體測(cè)量采用拉伸方法,而在體實(shí)驗(yàn)測(cè)量最常用的技術(shù)則是拉伸、壓痕、扭矩和抽吸測(cè)試,每一種實(shí)驗(yàn)都要求采用與所加應(yīng)力類型相適應(yīng)的特殊方法.2.1皮膚彈性測(cè)量人們?cè)O(shè)計(jì)和使用了許多不同類型的設(shè)備來進(jìn)行在體的皮膚測(cè)量,例如測(cè)量張力、扭矩、抽吸、壓痕、彈性圖、波傳播等的設(shè)備.這一課題已經(jīng)被一些全面的綜述所涉及,下面簡單介紹幾種常見的在體測(cè)量方法.(1)拉伸法(extension):在這類方法中,借助于粘在皮膚表面的定位鍵或者通過夾具對(duì)皮膚進(jìn)行在體拉伸試驗(yàn).采用這種方法的在體測(cè)量儀器包括皮膚伸縮儀(extensometers)、氣體軸承電動(dòng)儀和線性皮膚流變儀(gas-bearingelectrodynamometerandlinearskinrheometer).(2)吸力法(suction):在這類方法中,一般采用吸引頭施加一個(gè)垂直于皮膚表面的一個(gè)吸入力,通過測(cè)量垂直的位移來得到皮膚的彈性和黏彈性性質(zhì).該方法測(cè)試程序迅速簡便,采用的參數(shù)不受皮膚厚度的影響,已經(jīng)用來研究影響不同的因素,像是老化、部位、性別等等.采用這種方法的在體測(cè)量儀器包括:皮膚彈性測(cè)量儀(cutometer、echorheometer、dermalab和dermaflexA).但是這種方法也有其缺陷:其適用的測(cè)試部位有局限性,不能測(cè)量厚度較大皮膚的黏彈性和各向異性.(3)壓痕法(indentation):與吸入法相反,在壓痕法中施加一個(gè)垂直于皮膚表面的一個(gè)壓力,通過測(cè)量垂直的位移來測(cè)量皮膚的剛度、抗拉強(qiáng)度和硬度等性質(zhì).采用這種方法的在體測(cè)量儀器包括硬度測(cè)定計(jì)(durometer)和微壓痕硬度儀(microindentometer).(4)扭力法:在這類方法中,一般采用一個(gè)扭力馬達(dá)驅(qū)動(dòng)貼在皮膚上的圓盤,通過測(cè)量相應(yīng)的扭力得到皮膚彈性、黏性和塑性等性質(zhì),采用這種方法的在體測(cè)量儀器包括皮膚扭距儀(dermaltorquemeter).2.2皮膚模板合成法離體實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是可以分離皮膚的各層,盡管人們還并不清楚這種分離對(duì)各層皮膚的力學(xué)性能有何影響.離體實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以研究皮膚的極限載荷或損傷.Marks等人和Wiles等人對(duì)各種已經(jīng)開發(fā)出來的單軸和剪切實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了回顧,這類單軸實(shí)驗(yàn)多使用Instron實(shí)驗(yàn)機(jī)[17,40,50,51,52,53,54].Vogel和Papanicolaou開發(fā)了一種恒定蠕變測(cè)試系統(tǒng),Arbogast等人則開發(fā)出了用于軟生物組織測(cè)試的高頻剪切儀.能在兩個(gè)正交方向施加面內(nèi)載荷的設(shè)備也已經(jīng)開發(fā)出來[5,57,58,59,60,61].Lanir和Fung提出了一種具有溫度控制功能的十字形雙軸系統(tǒng),用于正方形試樣的二維拉伸、弛豫和蠕變實(shí)驗(yàn).以后開發(fā)的大部分雙軸系統(tǒng)都是以此為基礎(chǔ)的.Thubrikar和Eppink開發(fā)了一種彎剪復(fù)合載荷測(cè)試系統(tǒng).Hung和Williams所開發(fā)的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)相等的雙軸載荷和均勻應(yīng)變場(chǎng).Reihsner和Menzel開發(fā)出了一種與Lanir和Fung所提出的系統(tǒng)相似的系統(tǒng),但可用于12軸圓形試樣.Mitchell等人所開發(fā)的雙軸裝置可以用來對(duì)軟組織(例如皮膚)施加用戶指定的應(yīng)變,而Sanders等人所開發(fā)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以用于對(duì)皮膚表面施加可控制的壓縮和剪切載荷.3皮膚組織的力學(xué)特性利用上面所提到的實(shí)驗(yàn)方法,人們對(duì)皮膚的力學(xué)性能進(jìn)行了大量的測(cè)試,根據(jù)這些測(cè)試結(jié)果,推導(dǎo)出了皮膚組織的各種力學(xué)特性,例如各向異性、楊氏模量、剛度、泊松比、壓縮系數(shù)、強(qiáng)度、韌性、初始應(yīng)力/張力、熱膨脹系數(shù)、約束力和層離能,以及皮膚摩擦系數(shù).在這一節(jié)中,我們將討論皮膚組織的主要力學(xué)性能.3.1皮膚的各向異性實(shí)驗(yàn)測(cè)試與觀察結(jié)果表明,皮膚組織是各向異性的[5,56,66,67,68,69,70,71,72,73,74,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84],哪怕是在松弛狀態(tài)下.例如,膠原質(zhì)纖維網(wǎng)絡(luò)顯示出由朗格氏線(Langer’slines)表征的延伸性具有優(yōu)先方向.該朗格氏線是由一種圓形儀器沖壓圓形皮膚時(shí)所引發(fā)的,在這種情況下,網(wǎng)絡(luò)纖維趨向于沿延伸性最小的方向排列,最終皮膚形成橢圓形.取向沿著朗格氏線的彈性蛋白和膠原質(zhì)纖維要比取向垂直于朗格氏線的彈性蛋白和膠原質(zhì)纖維更容易延伸.因此,在朗格氏線的方向,皮膚的延伸性較小(因而對(duì)應(yīng)著較高的剛度).研究發(fā)現(xiàn),最大張力線是平行于皺褶線的,因?yàn)橹挥挟?dāng)張力在直角處達(dá)到最小值時(shí)才會(huì)形成皺褶線.橫穿這些張力線的傷口比平行于張力線的傷口更有可能產(chǎn)生伸長的或肥厚性的疤痕.VanderVoorden和Douven、Meijer和Douven利用Lanir的皮膚模型,對(duì)活體皮膚的各向異性行為進(jìn)行了表征.皮膚的各向異性也隨部位的變化而有所不同,例如,Ankersen等人發(fā)現(xiàn),豬皮膚的各向異性在腹部很明顯,而背部皮膚的各向異性則可以忽略不計(jì).事實(shí)上,典型的皮膚是正交各向異性的,而正交各向異性指的是存在關(guān)于二個(gè)垂直面的對(duì)稱性;Lanir和Fung在對(duì)兔子皮膚所進(jìn)行的雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)中觀察到了這種情況.由于二個(gè)垂直面與皮膚中膠原質(zhì)纖維的擇優(yōu)取向有關(guān),所以人們提出了一些確定材料軸線的方法.一般說來,材料軸線的確定需要基于對(duì)試樣大致形狀或纖維大致結(jié)構(gòu)的觀察,但是在皮膚組織中,纖維極為細(xì)小,憑肉眼是無法觀察的,因此研究人員提出了如下一些量化纖維結(jié)構(gòu)的技術(shù).(1)Dupuytren和Langer最初的研究所提出的方法:一塊在體為圓形的皮膚試樣在從活體切除后會(huì)變成橢圓形,橢圓形皮膚試樣的長軸定義為朗格氏線,并在試樣上標(biāo)出.利用這一方法,可發(fā)現(xiàn)最大主應(yīng)力取向與朗格氏解理線方向的平均角度偏差范圍為-10°～+10°,這意味著朗格氏解理線與試樣切下后的收縮方式相符.(2)Borges提出了一種簡易方法來確定張力線,并稱其為松弛皮膚張力線(relaxedskintensionlines,RSTL):捏皮膚時(shí)所產(chǎn)生的最長的那條線便是張力線,因?yàn)楫?dāng)捏出來的線的方向與張力線一致的時(shí)候,它們是直的,而且更長.(3)等載荷法:在應(yīng)力載荷相同的情況下,通過確定哪些方向能顯示出最大和最小應(yīng)變值來識(shí)別材料的軸線.一塊圓形的組織試樣由反方向的小夾具對(duì)夾持,小夾具沿整個(gè)試樣圓周布置,每對(duì)夾具分別預(yù)加載荷,并在彈性軸線上作二個(gè)標(biāo)記.當(dāng)完全卸載的時(shí)候,這兩個(gè)標(biāo)記會(huì)產(chǎn)生一個(gè)橢圓狀圖形,圖形的二個(gè)半軸即為材料的軸線.(4)小角度光散射(smallanglelightscattering,SALS)法:可使用小角光散射儀,通過量化皮膚組織中各位置上膠原質(zhì)纖維的角度分布來估計(jì)試樣內(nèi)纖維的主方向,由此確定纖維的擇優(yōu)取向和方位角度(5)偏振敏感光相干層析X射線照相法(polarization-sensitiveopticalcoherencetomography,PS-OCT):此方法是以皮膚組織中膠原質(zhì)的雙折射特性為基礎(chǔ)的.(6)二次諧波成像(second-harmonic-generation,SHG)偏振測(cè)定法:一種特殊的用于膠原質(zhì)的探測(cè)手段,利用皮膚組織中膠原質(zhì)分子引發(fā)的SHG光來測(cè)定膠原質(zhì).(7)Khatyr等人利用關(guān)于各向異性材料的理論和正交各向異性模型,基于人類男性前臂皮膚的在體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出了楊氏模量,確定了各向異性的主要方向?yàn)槠x手臂軸線5.33°±5.78°.3.2皮膚應(yīng)力比的測(cè)定彈性模量是描述材料力學(xué)性能的最常用的參數(shù),其單位是每單位面積上的力.剛度也是一個(gè)常用參數(shù),定義為彈性體在受力時(shí)抵抗撓曲和變形的能力.楊氏模量E通過縱向應(yīng)力引起的應(yīng)變來描述材料的縱向變形.楊氏模量也被稱為彈力模量、彈性模量或拉伸模量.剪切模量G描述的是橫向應(yīng)變與橫向應(yīng)力之間的關(guān)系,與各向同性均勻介質(zhì)中的剪切波傳播有關(guān).剪切模量有時(shí)候也稱為剛度模量.體積彈性模量K用于描述材料在外部應(yīng)力作用下的體積變化.各向同性非均質(zhì)固體的另一個(gè)物理性能是泊松比,為單位寬度上的橫向收縮與單位長度上的縱向延伸之比.均質(zhì)材料的傳統(tǒng)力學(xué)特性對(duì)于皮膚來說并不適用.皮膚既沒有獨(dú)特的單一楊氏模量,也沒有單一剪切模量.上述這些力學(xué)性能對(duì)于皮膚來說不是材料常數(shù),而是隨著所施加的應(yīng)變而變化的.不過,這些材料參數(shù)能夠反映任何彈性材料(包括皮膚)的基本彈性行為方式,而對(duì)于皮膚彈性行為的描述,楊氏模量和泊松比是最常用到的.作為皮膚力學(xué)性能最重要的參數(shù)之一,楊氏模量已經(jīng)得到了廣泛的測(cè)量.表1～表4分別概括了人類皮膚的在體楊氏模量值、人類皮膚的離體楊氏模量值、動(dòng)物皮膚的離體楊氏模量值、以及皮膚角質(zhì)層的楊氏模量值.這些表格的數(shù)據(jù)表明,楊氏模量的測(cè)定值之間存在很大的差異:皮膚的楊氏模量測(cè)定值差異可高達(dá)5000倍,范圍從0.02MPa到約100MPa,主要取決于推導(dǎo)材料參數(shù)所用的模型和所施加的應(yīng)力.出現(xiàn)這種情況的可能原因包括:(1)用來推導(dǎo)力學(xué)參數(shù)的本構(gòu)模型和力學(xué)模型不同,而這些模型中的大部分都受外部變量(例如施加于皮膚的應(yīng)力)的影響;(2)解剖結(jié)構(gòu)以及所采用的技術(shù)有差異;(3)忽略了皮膚的初始張力,而皮膚的初始張力是因人而異的;(4)由于皮膚的非線性應(yīng)力-應(yīng)變行為而產(chǎn)生的變形量有差別;(5)水化狀態(tài)不同;(6)皮膚厚度不同;(7)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)尺寸不同.另一種可能的原因是由于不同皮膚試樣中膠原質(zhì)和彈性蛋白的質(zhì)量比不同,因?yàn)樗鼈兊臈钍夏Ａ恐涤酗@著差異(例如,對(duì)于膠原質(zhì)有E=100～1000MPa,而對(duì)于彈性蛋白有E≈0.3MPa).測(cè)量皮膚組織的泊松比在技術(shù)上是比較困難的.對(duì)于試樣寬度和長度的變化,泊松比對(duì)寬度的變化(通常很小)極為敏感,這樣在寬度的測(cè)量中即使是存在很小的誤差,也會(huì)導(dǎo)致泊松比產(chǎn)生相當(dāng)大的變化.在大部分皮膚力學(xué)性能的模擬和數(shù)值/實(shí)驗(yàn)計(jì)算中,對(duì)泊松比進(jìn)行了各種假定:將泊松比分別取為0.3,0.33,0.4,0.48,0.495和0.5.在實(shí)驗(yàn)測(cè)量方面,Lees等人測(cè)量了母牛乳頭皮膚的單軸和雙軸泊松比,發(fā)現(xiàn)泊松比是各向異性的,并由試樣的長寬比所決定.當(dāng)應(yīng)變值小于0.1時(shí),雙軸實(shí)驗(yàn)測(cè)得的母牛乳頭皮膚的泊松比遠(yuǎn)大于1.0.因此,在力學(xué)上可將皮膚視為開放的神經(jīng)纖維網(wǎng),而不是某種連續(xù)介質(zhì).Ankersen等人根據(jù)被動(dòng)應(yīng)變測(cè)量值(忽略厚度的微小變化)計(jì)算了豬皮膚的泊松比;泊松比測(cè)定值的范圍為0.0～1.0,標(biāo)準(zhǔn)差為0.25,均值約為0.6.Kenedi等人也指出,泊松比取決于主動(dòng)應(yīng)變,并給出了一個(gè)人體腹部皮膚的例子:泊松比在低應(yīng)變下的0.1和高應(yīng)變下的1.1之間變化.Tilleman等人根據(jù)在徑向長度(定義為徑向應(yīng)變)和組織厚度(定義為軸向應(yīng)變)上所計(jì)算出的變化,得到泊松比為0.43.人們發(fā)現(xiàn),豬皮膚的泊松比不是一個(gè)常數(shù),而是隨所施加的應(yīng)變和加載速率而變化的.在典型的生理加載水平上,泊松比為0.45～0.50,變化范圍很窄.現(xiàn)有的皮膚泊松比數(shù)據(jù)概括于表5.需要指出的是,泊松比大于0.5的情況(表明張力下的體積減小)在三維連續(xù)介質(zhì)中是不會(huì)出現(xiàn)的.表5中的泊松比值僅僅是可能的值,這是因?yàn)槠つw在宏觀尺度上被處理為均勻的固體連續(xù)介質(zhì),而實(shí)際上皮膚是一種復(fù)合層狀介質(zhì),由分布在軟基體中的相當(dāng)硬的纖維所組成.3.3皮膚可壓縮性測(cè)定體積壓縮系數(shù)定義為ΔV/(VΔP),這里ΔV是在保持溫度恒定、受到壓力ΔP的情況下,體積V的變化.在直接壓縮載荷作用下,當(dāng)壓力為0.3MPa時(shí),皮膚將會(huì)失去超過一半的水分.VonGierke發(fā)現(xiàn),人體的軟組織(皮膚、皮下組織和內(nèi)臟)具有0.38m2/GN的體積壓縮系數(shù).North和Gilbson在人體皮膚上獲得了類似的值(0.30m2/GN),這說明人體皮膚的可壓縮性不如蒸餾水(0.46m2/GN).這些結(jié)果表明,皮膚在受到約束的條件下是相當(dāng)難壓縮的.根據(jù)North和Gilbson的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,Vossoughi和Vaishnav計(jì)算了皮膚的剪切模量(假定泊松比為0.5)和體積彈性模量,發(fā)現(xiàn)皮膚的體積彈性模量比剪切彈性模量要高2～3個(gè)量級(jí),從而認(rèn)為在皮膚力學(xué)的解析和實(shí)驗(yàn)研究中,皮膚組織可以視為不可壓縮的.盡管有人認(rèn)為對(duì)于拉伸加載條件而言,可以忽略皮膚本構(gòu)模型中軟組織的壓縮系數(shù),但是也有人發(fā)現(xiàn)豬皮膚在承受壓力時(shí)是可壓縮的.即使在無側(cè)限壓縮狀態(tài),豬皮膚試樣的體積也是隨壓縮變形量的增加而變化的.Wu等人發(fā)現(xiàn),雖然豬皮膚的壓縮系數(shù)很小,但它的體積壓縮率卻是壓應(yīng)力的非線性函數(shù),并且隨加載速率而變.3.4皮膚強(qiáng)度的變化強(qiáng)度包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度,它們分別反映了壓縮、拉伸和剪切應(yīng)力的極限狀態(tài).在這些強(qiáng)度指標(biāo)中,材料的抗拉強(qiáng)度是最常用的,定義為材料在破壞前所能承受的最大拉伸應(yīng)力.皮膚的強(qiáng)度已經(jīng)被用作康復(fù)過程的一個(gè)指標(biāo).例如,疤痕組織的創(chuàng)傷康復(fù)程度正比于其力學(xué)強(qiáng)度.Howes等人對(duì)有創(chuàng)傷和無創(chuàng)傷的皮膚進(jìn)行了強(qiáng)度確定實(shí)驗(yàn),隨后Sandblom對(duì)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn).Beckwith等人和Glaser等人提出了通過單軸測(cè)量最大應(yīng)力、輸入功、最大剛度和最大軸向應(yīng)變來確定疤痕組織強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)化方法,這一方法在隨后的工作中已經(jīng)成為最常用的方法[16,17,52,135,142,172,173].Jansen和Rottier提供了大量的尸體皮膚在破壞時(shí)的受力和伸長方面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),從這些數(shù)據(jù)中可以看到,不同年齡組中和不同年齡組之間的破壞值差別很大.Gadd等人研究了在不同加載速率和邊緣形狀下皮膚的強(qiáng)度及其抵抗破壞的能力,提出:對(duì)于用金屬利刃刺穿的皮膚來說,主要的破壞模式是拉伸破裂,而不是剪切(切割)作用.Veronda和Westmann研究了拉伸試樣收縮截面的破壞情況,發(fā)現(xiàn)破壞模式是表皮的破裂和層狀真皮的同時(shí)蠕變破壞.這種情況可歸因于真皮有比表皮更好的延伸性.皮膚抗拉強(qiáng)度的典型值范圍2.5～16MPa.抗拉強(qiáng)度隨皮膚位置和試樣尺寸而變化,并且主纖維方向的抗拉強(qiáng)度要高于其他方向的抗拉強(qiáng)度,男性皮膚的抗拉強(qiáng)度要高于女性皮膚的抗拉強(qiáng)度.人們相信抗拉強(qiáng)度隨著年齡的增長而提高[101,133,136,177,179],盡管也有相反趨勢(shì)的報(bào)道.抗拉強(qiáng)度似乎與應(yīng)變速率無關(guān),但是在不同的應(yīng)變速率下,應(yīng)變量卻有顯著的變化.在長時(shí)間的蠕變實(shí)驗(yàn)中,皮膚也會(huì)在相當(dāng)?shù)偷膽?yīng)力(只有抗拉強(qiáng)度的1/5)下發(fā)生破壞.皮膚的抗拉強(qiáng)度主要取決于膠原質(zhì)結(jié)構(gòu)的交聯(lián)和尺寸.但是,皮膚破壞時(shí)的延伸量卻與膠原質(zhì)交聯(lián)被打破的程度無關(guān),這意味著當(dāng)皮膚在應(yīng)力作用下發(fā)生變形時(shí),載荷就直接作用在了膠原質(zhì)纖維網(wǎng)絡(luò)上.皮膚的破壞可能是由纖維束的破斷或滑移造成的,也可能是由這二者共同造成的.研究發(fā)現(xiàn),皮膚的機(jī)械強(qiáng)度隨著年齡的增長所發(fā)生的變化,與皮膚中膠原質(zhì)成分的變化有關(guān).據(jù)報(bào)道,人類腹部皮膚的橫向破壞應(yīng)力值為3～14MPa(男性)和4～13MPa(女性),而破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值范圍則為1.6～2.0(男性)和1.5～2.3(女性).這些值在不同個(gè)體之間和不同年齡組之間差別很大,而在不同性別之間似乎差別相對(duì)較小.結(jié)締組織和皮膚的基本抗拉強(qiáng)度與膠原質(zhì)原纖維的統(tǒng)計(jì)平均直徑正相關(guān).現(xiàn)有的皮膚強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)量值見表6.3.5制備試樣的制備和測(cè)量指標(biāo)韌性R定義為材料在破裂前能夠吸收的能量,可以通過計(jì)算應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積獲得.有人利用褲子撕扯實(shí)驗(yàn)和剪刀剪切實(shí)驗(yàn)來研究皮膚的韌性和裂紋生長行為,示意圖如圖4所示.對(duì)通過撕扯實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的非線性彈性對(duì)生物材料韌性的影響所進(jìn)行的理論分析,強(qiáng)調(diào)了考慮試樣褲腿中的能量儲(chǔ)存的重要性,這一點(diǎn)得到了撕裂生物組織(包括皮膚)的實(shí)際結(jié)果的支持.撕扯實(shí)驗(yàn)中的褲腿變形對(duì)于生物材料的意義,可以通過這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中用于計(jì)算R的解析表達(dá)式來作出評(píng)價(jià)式中:t為試樣厚度;λ為在載荷Xf作用下試樣褲腿的延伸率;W0為在Xf載荷下處褲腿中的應(yīng)變能量密度;A0為整個(gè)試樣的橫截面面積.式(8)沒有假定任何特殊形式的應(yīng)力-應(yīng)變行為.事實(shí)上,W0可以通過測(cè)量材料拉伸實(shí)驗(yàn)(載荷逐步增加到Xf)所得載荷-撓度曲線下的面積來確定.應(yīng)當(dāng)注意的是,試樣褲腿中所儲(chǔ)存的總應(yīng)變能既取決于材料的載荷-撓度行為,也取決于所用試樣的寬度.在褲子撕扯實(shí)驗(yàn)中,從一片材料上剪下一塊長方形試樣,并將其沿著縱向長度局部撕開.如果褲腿中的能量存儲(chǔ)和變形可以忽略,那么當(dāng)褲腿中的應(yīng)變很小時(shí),就可以計(jì)算出裂口擴(kuò)展過程中的破裂功來作為撕開褲腿所做的功從載荷-撓度圖上還可以進(jìn)行R的另一項(xiàng)獨(dú)立的測(cè)量.相對(duì)于常數(shù)R,在實(shí)驗(yàn)過程中所消耗的總功U由下式給出因此,韌性R可以通過用由載荷-撓度曲線下的面積所代表的能量除以裂紋擴(kuò)展面積A來計(jì)算.但是,對(duì)于軟材料(例如皮膚)來說,試樣褲腿的應(yīng)變并不足夠小,因此在計(jì)算韌性時(shí)必須加以考慮.皮膚也會(huì)表現(xiàn)出力學(xué)滯后,對(duì)于高應(yīng)變量,實(shí)驗(yàn)過程中所做的外功等于材料中的可恢復(fù)彈性應(yīng)變能的假定將不再有效.根據(jù)Atkins和Mai的工作,Pereira等人進(jìn)行了剪刀剪切實(shí)驗(yàn),以克服上述褲子撕扯實(shí)驗(yàn)的有關(guān)問題.剪刀剪切實(shí)驗(yàn)的示意圖如圖4所示.試樣位于打開的剪刀刀刃之間,當(dāng)給剪刀施加一個(gè)力后,試樣就被剪開了,此時(shí)在剪刀刀刃附近就發(fā)生了局部材料變形,閉合剪刀柄所做的功等于擴(kuò)展切口的斷裂功.另一種允許切口緩慢穿過角質(zhì)層試樣延伸的實(shí)驗(yàn)方法,利用了一種寬度大于長度的試樣,即純剪切幾何形狀的試樣.表7列出了由褲子撕扯實(shí)驗(yàn)和剪刀剪切實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的各種生物組織的韌性.這些實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)了試樣的幾何形狀和取向?qū)τ陧g性測(cè)量結(jié)果的重要性.剪刀剪切實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的鼠皮的韌性,要比褲子撕扯實(shí)驗(yàn)的測(cè)量值低一個(gè)數(shù)量級(jí).舉例來說,Pereira等人對(duì)于鼠皮韌性的剪刀剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果就比Purslow的褲子撕扯實(shí)驗(yàn)結(jié)果低一個(gè)數(shù)量級(jí).產(chǎn)生這樣的差異主要是因?yàn)榧舻兜度袖J利的尖端可以在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中使正在延伸的裂紋尖端保持其尖銳度,而與此相反,由于褲子撕扯實(shí)驗(yàn)中材料的應(yīng)變大,所以正在延伸的裂紋尖端變鈍.Purslow利用褲子撕扯實(shí)驗(yàn)研究了鼠皮韌性對(duì)裂紋發(fā)展速率的敏感性,發(fā)現(xiàn)當(dāng)實(shí)驗(yàn)速度提高二個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)(從8×10-5m/s提高到8×10-3m/s),韌性值將提高一倍.皮膚的韌性與膠原質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)有關(guān),隨膠原質(zhì)密度的增加而提高.例如:Wang和Attenburrow的研究表明,當(dāng)膠原質(zhì)基質(zhì)的密度提高時(shí),山羊皮的韌性也相應(yīng)提高;Granot等人的研究也表明,當(dāng)膠原質(zhì)密度較大時(shí),小雞的皮膚相對(duì)不易被撕裂.皮膚的韌性也是各向異性的:裂紋沿著平行于膠原質(zhì)纖維束方向傳播時(shí)所顯示的皮膚韌性,要低于裂紋沿垂直于纖維方向傳播時(shí)的韌性[200,201,203,205].3.6皮膚初應(yīng)力及應(yīng)力測(cè)量自從Dupuytren和Langer的觀測(cè)報(bào)告公布以來,人們對(duì)皮膚內(nèi)存在固有的、系統(tǒng)性的定向張力的了解已經(jīng)有150多年了.活體皮膚在正常情況下處于張力狀態(tài),當(dāng)它從活體上剝離下來之后會(huì)收縮5%～30%,收縮量取決于皮膚在身體上的位置、方向和體態(tài).一般說來,可以利用二個(gè)參數(shù)來定量描述這種現(xiàn)象即初張力(單位為N/m)和初應(yīng)力(單位為Pa),也稱為預(yù)張力和預(yù)應(yīng)力.有必要測(cè)量皮膚的初張力,以便能夠可靠地開發(fā)力學(xué)模型,或進(jìn)一步研究力學(xué)參數(shù).在對(duì)皮膚組織的力學(xué)行為進(jìn)行建模時(shí),需要考慮初應(yīng)力.例如,Chaudhry等人指出,通過考慮初應(yīng)力可以獲得內(nèi)部組織中應(yīng)力和應(yīng)變分布的更現(xiàn)實(shí)的預(yù)測(cè).事實(shí)上,觀察到的皮膚剛度來源于初應(yīng)力和組織剛性的耦合效應(yīng).盡管初應(yīng)力顯著影響力學(xué)參數(shù)的確定,但對(duì)它的研究卻很少.對(duì)于惰性材料,有許多測(cè)量殘余應(yīng)力的技術(shù),如X射線衍射、超聲測(cè)量和光彈性測(cè)量,但是這些技術(shù)都由于不適合或具有侵害性而不能應(yīng)用于皮膚.不過,還是有人提出了一種光學(xué)方法,Jones利用這一方法,通過打孔方式研究了尸體皮膚的初應(yīng)力.Diridollou提出通過模型來分析抽吸數(shù)據(jù),用這種方法可以將張力分解為實(shí)應(yīng)力成分和有效應(yīng)力.皮膚的預(yù)張力隨年齡、身體位置和方向而變化.Alexander和Cook利用應(yīng)變儀預(yù)張力裝置測(cè)量了皮膚的初始單軸向張力,發(fā)現(xiàn)垂直于上背上的朗格氏線的初張力只有平行于朗格氏線的初張力的20%.Reihsner等人觀察到了相似的各向異性效應(yīng),發(fā)現(xiàn)在身體的各個(gè)不同位置,對(duì)于切割后回復(fù)到原始活體形狀所需要的延伸量,最小皮膚張力軸方向的要比最大張力軸方向的少25%～50%.Bischoff等人模擬了Gunner等人所做的在體拉伸實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)最小活體皮膚張力相對(duì)于最大活體皮膚張力而言是可以忽略的.基于Manschot和Brakkee的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),Shergold和Fleck獲得了與Bischoff等人的結(jié)果相似的最大人類活體皮膚張力結(jié)果.當(dāng)皮膚受到壓縮載荷時(shí)會(huì)出現(xiàn)皺褶.DeJong和Douven利用這一現(xiàn)象研究了活體前臂的皮膚預(yù)張力,將出現(xiàn)皺褶時(shí)刻的壓縮載荷作為預(yù)張力的度量,并采用有限元模型對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模擬.預(yù)張力的計(jì)算結(jié)果為:沿纖維方向0.024MPa,垂直于纖維方向0.0093MPa.Diridollou等人采用抽吸室和超聲波裝置測(cè)量了活體的垂直皮膚表面位移和皮膚厚度,然后利用一個(gè)數(shù)學(xué)模型根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)推導(dǎo)出了皮膚的初應(yīng)力和楊氏模量.用這種方法得到的初應(yīng)力為所有方向上皮膚初張力的平均值.Diridollou等人利用這種方法發(fā)現(xiàn),對(duì)于兩種性別的人群,皮膚初應(yīng)力增加的年齡段均在0歲到15～20歲之間,皮膚初應(yīng)力降低的年齡段均在15～20歲到50歲之間,而對(duì)于50～90歲之間的人群來說,皮膚初應(yīng)力的變化都很小.Dahan等人利用回波流變儀測(cè)量了無燒蝕激光頸線處理前、后皮膚的初應(yīng)力和楊氏模量,結(jié)果發(fā)現(xiàn)前額皮膚在處理后的初應(yīng)力有了顯著提高.Bonilla等人發(fā)現(xiàn),在面部這樣的區(qū)域,以及在繃緊的皮膚區(qū)域和放松的皮膚區(qū)域,皮膚張力都會(huì)以特有的方式發(fā)生改變.例如,在眉毛之間以及在眼睛旁太陽穴下的皮膚是放松的,而在臉頰和前額的水平方向,皮膚則是繃緊的.根據(jù)Wilkes等人的研究結(jié)果,彈性纖維網(wǎng)絡(luò)可能在很大程度上是造成預(yù)應(yīng)力的原因.當(dāng)手臂拉緊時(shí),通過沿著手臂褶線方向盡量改變拉緊線直至手臂褶線的局部剛度等于手臂拉緊線的初剛度這種方法,可以對(duì)初應(yīng)力的提高作出快速估計(jì),由此可以推導(dǎo)出應(yīng)力變化.目前可以查到的皮膚初張力/應(yīng)力測(cè)量結(jié)果如表8所示.3.7熱脹系數(shù)在傳熱過程中,儲(chǔ)存于分子間原子鍵中的能量會(huì)發(fā)生改變.當(dāng)儲(chǔ)存的能量發(fā)生變化時(shí),分子鍵的長度也會(huì)發(fā)生變化。因此,固體受熱會(huì)相應(yīng)膨3.7.1體積熱膨脹系數(shù)體積熱膨脹系數(shù)是物質(zhì)的一種熱力學(xué)性質(zhì),其表達(dá)式為式中VT和ρT分別是溫度T時(shí)的體積和密度.在壓力P不變的條件下求導(dǎo)數(shù).3.7.2t與的關(guān)系線性熱膨脹系數(shù)使溫度變化與材料的線尺寸變化之間建立起聯(lián)系,可以表示為溫度每變化1℃所引起的棒材長度的微小變化式中LT為溫度T時(shí)的長度.對(duì)于各向同性材料,可得α和β之間的關(guān)系如下Lanir和Fung的研究發(fā)現(xiàn),在4℃～40℃范圍內(nèi),皮膚在較低的應(yīng)變水平下(像在彈性蛋白中)具有負(fù)的熱膨脹系數(shù),在較高的應(yīng)變水平下(像在膠原質(zhì)中)具有正的熱膨脹系數(shù).Tonsy提出了一項(xiàng)低成本的測(cè)量聚合物薄試樣(包括非自支撐試樣)線性熱膨脹系數(shù)的技術(shù).3.8角質(zhì)層層離能不同皮膚層之間的約束力對(duì)于皮膚活體的響應(yīng)是很重要的.Cook等人的研究發(fā)現(xiàn),老鼠軀干中的真皮對(duì)于皮下組織的約束力對(duì)抽吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響可達(dá)10%～20%.Vlasblom的研究發(fā)現(xiàn),若要將1.0cm2的人體前臂皮膚移動(dòng)1.0mm,需要施加8×10-3N的滑動(dòng)載荷.研究發(fā)現(xiàn),真皮-表皮的附著力主要是黏性;抽吸壓力與起泡時(shí)間的乘積近似為常數(shù),對(duì)于人類下腹部皮膚其值約等于90±30%MPa·s.角質(zhì)層的分層特性隨環(huán)境的變化已經(jīng)通過透明膠帶剝離方法得到了證實(shí).在用膠帶剝離之前對(duì)角質(zhì)層水化24h,可使細(xì)胞更容易去除,從而能用更少的膠帶將角質(zhì)層從表皮上完全剝離.另一方法采用了一種“內(nèi)聚力圖”來測(cè)量角質(zhì)層的內(nèi)聚強(qiáng)度,利用這種方法發(fā)現(xiàn),角質(zhì)層的層間約束力隨著部位和性別的不同而改變,其數(shù)量級(jí)為20kPa.Marks等人通過測(cè)試,發(fā)現(xiàn)了牛皮癬皮膚表面角質(zhì)層的具有統(tǒng)計(jì)意義的增量內(nèi)聚力.也有人利用類似的設(shè)備來測(cè)定用于皮膚的材料(例如黏性敷料劑)的結(jié)合強(qiáng)度.但是,這些測(cè)量角質(zhì)層分層特性的方法除了會(huì)受到角質(zhì)層負(fù)荷不均勻的影響外,還會(huì)受到角質(zhì)層下組織的影響.Wu等人介紹了一種在體力學(xué)方法,可以量化垂直于皮膚表面方向的人類孤立角質(zhì)層的細(xì)胞間層離能(delaminationenergy).他們發(fā)現(xiàn):未處理角質(zhì)層的層離能在1～8J/m2之間,并且其值與實(shí)驗(yàn)溫度有關(guān);充分水化試樣的層離能隨溫度升高而降低;室溫水化試樣顯示出更加穩(wěn)定的值2～4J/m2.脫脂試樣表現(xiàn)出了更高的層離能,約為12J/m2,但隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高,其層離能可降低至約4J/m2.峰值分離應(yīng)力隨溫度和水化度的提高而下降,但是脫脂試樣顯示出比未處理試樣更高的峰值應(yīng)力.分層表面出現(xiàn)了一條細(xì)胞間的損傷縫,但無細(xì)胞撕裂或破裂的跡象.Chen等人研究了人類腳底面的皮膚和皮下脂肪組織,利用材料試驗(yàn)機(jī)在1mm/s的速率下對(duì)皮膚和皮下脂肪組織進(jìn)行分離.實(shí)驗(yàn)中未觀察到中間試樣帶和側(cè)面試樣之間的差別,但發(fā)現(xiàn)腳的趾頭區(qū)試樣和后跟區(qū)試樣皮膚-脂肪界面的強(qiáng)度要明顯高于足弓區(qū)試樣的強(qiáng)度,皮膚-脂肪界面的強(qiáng)度隨皮膚厚度的增加而提高.3.9皮膚摩擦系數(shù)的測(cè)量對(duì)皮膚摩擦性能的研究是對(duì)其他力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充.皮膚的摩擦和潤滑在人們的日常生活中(例如抓握體育器材和感受護(hù)膚霜)具有重要的作用.皮膚的摩擦與潤滑性能還具有重要的醫(yī)學(xué)作用,例如在褥瘡的形成和保持眼睛舒適方面.對(duì)于皮膚所進(jìn)行的摩擦學(xué)研究可以為我們揭示諸如皮膚是如何與其他表面進(jìn)行交互作用的,在不同的情況下(如年齡、健康,以及洗液、保濕劑等化學(xué)處理)它又是如何變化的這樣一些問題.這些研究同時(shí)還為我們提供了便利的、非侵入式的手段來定量評(píng)價(jià)皮膚的健康和水化性.然而,與已經(jīng)大量發(fā)表的涉及皮膚組織拉伸或黏彈性能研究的文獻(xiàn)相比,與皮膚摩擦系數(shù)的測(cè)量有關(guān)的文獻(xiàn)相對(duì)來說數(shù)量相當(dāng)少.摩擦力是平行地作用于二個(gè)表面的界面上的一種力,這二個(gè)表面在運(yùn)動(dòng)過程中或一個(gè)表面在另一個(gè)表面上移動(dòng)的過程中保持接觸.當(dāng)摩擦存在于二個(gè)表面之間時(shí),摩擦力Ff正比于法向力fN,其關(guān)系如下式中μ為摩擦系數(shù)(coefficientoffriction,COF).摩擦系數(shù)包括二項(xiàng):靜摩擦系數(shù)μs;動(dòng)摩擦系數(shù)μd.靜摩擦系數(shù)定義為啟動(dòng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)所需的力與兩表面間的法向力之比,動(dòng)摩擦系數(shù)定義為兩表面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力與法向力之比.3.9.1動(dòng)摩擦系數(shù)的測(cè)量對(duì)于動(dòng)摩擦系數(shù)的研究主要集中于兩表面以恒定相對(duì)速度運(yùn)動(dòng)時(shí)的情況.目前已有許多關(guān)于人類皮膚在體摩擦和潤滑研究的綜述,例如Dowson的綜述,以及最近Sivamani等人、Gitis和Sivamani的綜述.通常所測(cè)量的摩擦參數(shù)是摩擦系數(shù)μd,可以通過測(cè)量二個(gè)相互接觸表面在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中的法向力FN和切向摩擦力Ff,再根據(jù)下式表示的Amonton定律計(jì)算得出人們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了各種各樣的實(shí)驗(yàn)來測(cè)量皮膚的動(dòng)摩擦系數(shù)(見Sivamani等人的綜述).不考慮實(shí)驗(yàn)中所使用的不同探針的幾何形狀和材料,這些實(shí)驗(yàn)可以分為二類:一類為利用受已知法向力作用并在皮膚上旋轉(zhuǎn)的探針或轉(zhuǎn)輪進(jìn)行測(cè)量;另一類則是利用在皮膚上滑動(dòng)的探針進(jìn)行測(cè)量.在不同的研究中,所采用的垂直法向載荷也是互不相同的,并且難以利用靜態(tài)砝碼或彈簧進(jìn)行有效的控制.這些研究的主要問題在于不同實(shí)驗(yàn)之間的可重復(fù)性和不同研究者、不同日期和不同設(shè)備之間數(shù)據(jù)的可再現(xiàn)性方面.早先的各類研究曾得出了一系列皮膚摩擦系數(shù)值,其中動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)量值的范圍是0.12～0.7,不過大部分的測(cè)量值都在0.2～0.5的較窄范圍內(nèi).除了皮膚的自然變化之外,較寬的摩擦系數(shù)測(cè)量值范圍可能是由探針的運(yùn)動(dòng)、兒何形狀和材料、以及法向力的監(jiān)測(cè)控制等方面的差異所引起的.此前研究人員所測(cè)量的皮膚摩擦系數(shù)值概括于表10,而法向載荷與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系如表11所示.手指、手掌和腳底的摩擦系數(shù)測(cè)量值值得我們特別予以重視,因?yàn)樯眢w的這些部位與其他表面接觸得更為頻繁.手、腳出汗量的增加以及由于表皮脊的存在使皮膚的韌性提高,都有助于提高皮膚的摩擦系數(shù).3.9.2全手摩擦摩擦學(xué)性能盡管大部分有關(guān)皮膚摩擦性能的研究都集中于研究在相對(duì)恒定的速度下移動(dòng)的二個(gè)表面的動(dòng)摩擦系數(shù),但是仍然有少量的研究工作試圖測(cè)量皮膚的靜摩擦系數(shù).目前可獲得的數(shù)據(jù)如表12所示.Sanders等人研究了彌補(bǔ)術(shù)和矯正術(shù)中不同支持材料與皮膚和襪子間的靜摩擦系數(shù).人類皮膚的靜摩擦性能顯示出與固體表面的摩擦性能不同的特點(diǎn)[28,29,240,259,261].皮膚的柔順性和柔韌性,以及當(dāng)皮膚水化時(shí)能改變其特性的能力,導(dǎo)致了皮膚的摩擦性能與固體材料的摩擦性能有所不同.但是,各種研究已經(jīng)證實(shí),當(dāng)存在足夠大的法向力時(shí),靜摩擦系數(shù)的計(jì)算方法可以應(yīng)用于人類皮膚.測(cè)量手指、手掌和腳底的靜摩擦系數(shù)應(yīng)該是更有意義的,因?yàn)橄裎辗鍪帧⑽掌嚪较虮P或拿杯子等常見活動(dòng)都更多地涉及靜摩擦系數(shù),而不是動(dòng)摩擦系數(shù).手掌在扶手表面滑動(dòng)的方法已經(jīng)被證明是一種比早先文獻(xiàn)[26,28,29,238,240,241,244,262,263,264]中所報(bào)道的方法更有效的測(cè)量摩擦系數(shù)的方法.研究人員發(fā)現(xiàn),靜摩擦系數(shù)的范圍為0.14(涂覆粉末的鋼與涂肥皂的手之間的靜摩擦系數(shù))到1.39(鉻合金與濕手之間的靜摩擦系數(shù))之間.這一結(jié)果已經(jīng)得到了大部分其他手掌皮膚摩擦系數(shù)研究成果的支持.有關(guān)手掌摩擦性能的初始研究結(jié)果表明,表面的特性、施加的壓力、存在于界面的濕度水平以及手的水化都對(duì)摩擦性能有重要影響.Comaish和Bottoms發(fā)現(xiàn),手掌與聚乙烯之間的摩擦系數(shù)為0.5～2.2;他們指出:手掌中汗液的持續(xù)存在可提高這一皮膚區(qū)域的摩擦系數(shù);與手掌接觸的材料將決定濕度對(duì)手掌皮膚摩擦系數(shù)的影響程度.Highley等人指出,由于對(duì)皮膚的水化不能有效地控制,導(dǎo)致手掌皮膚摩擦系數(shù)的測(cè)量值有多種結(jié)果,同時(shí),所采用的測(cè)量方法和探針材料不同,也是導(dǎo)致手掌皮膚摩擦系數(shù)測(cè)量結(jié)果不同的原因之一.Buchholz等人利用一種摩擦測(cè)量儀測(cè)定的手掌皮膚的摩擦系數(shù)為0.27～0.66,并且發(fā)現(xiàn)皮膚與多孔材料之間存在的水分可使摩擦系數(shù)分別提高61%(對(duì)膠帶)、68%(對(duì)小山羊皮)和59%(對(duì)紙).Cadoret和Smith等人所記錄的摩擦系數(shù)為0.2～1.4,而Smith等人所記錄的摩擦系數(shù)則為1.0～2.0.Bobjer等人研究了諸如石蠟油、甘油、豬油和汗液等污染物對(duì)與4種有織紋的表面和一種光滑表面相接觸的手掌皮膚的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)手掌皮膚干燥時(shí),光滑表面所產(chǎn)生的最大動(dòng)摩擦系數(shù)為2.22,而當(dāng)有污染物存在時(shí),光滑表面所產(chǎn)生的最小動(dòng)摩擦系數(shù)為0.09.這項(xiàng)研究的結(jié)果表明,摩擦系數(shù)和與皮膚接觸的表面的面積大小有關(guān).當(dāng)界面存在石蠟油時(shí),凹槽較寬的織紋表面對(duì)摩擦系數(shù)表現(xiàn)出積極的作用,但是當(dāng)界面存在汗液時(shí),凹槽間更大的表面面積對(duì)保持動(dòng)摩擦顯得更加重要.4皮膚力學(xué)研究當(dāng)前軟組織力學(xué)正在沿著兒個(gè)方向發(fā)展,包括:(1)離體/在體皮膚力學(xué)的研究;(2)系統(tǒng)地收集和豐富皮膚組織的數(shù)據(jù)庫;(3)與溫度/熱損傷有關(guān)的皮膚力學(xué).4.1皮膚生物力學(xué)的研究展望雖然人們已經(jīng)在不同的水平上對(duì)皮膚力學(xué)進(jìn)行了大量的研究,但是仍然還有一些關(guān)于皮膚響應(yīng)的問題尚未得到解答.在這些問題中,有一部分涉及皮膚的黏彈特性、預(yù)處理過程和恢復(fù)過程、這些過程與時(shí)間和應(yīng)變的關(guān)系,以及皮膚的蛋白聚糖與皮膚響應(yīng)模式之間的關(guān)系.此外,還有方法論問題,涉及對(duì)時(shí)變響應(yīng)的各個(gè)方面以可靠方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表征和分析的方案.與其他有關(guān)皮膚的學(xué)科相比,皮膚力學(xué)尚未得到廣泛的研究,同時(shí)仍然需要繼續(xù)探索在一定程度上公認(rèn)的方法.上述二個(gè)問題有可能具有內(nèi)在的相互聯(lián)系,其中一個(gè)問題的解決依賴于另一個(gè)問題的答案.另外的發(fā)展方向是向微觀研究發(fā)展.橡膠狀材料的連續(xù)介質(zhì)尺度為大聚合物分子級(jí)別,而生物軟組織的連續(xù)介質(zhì)尺度為纖維級(jí)(約1μm).值得強(qiáng)調(diào)的是,由生物組織構(gòu)成的纖維顯示出有限的非線性應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng),并且承受較大的應(yīng)變和旋轉(zhuǎn),這些因素共同導(dǎo)致了其復(fù)雜的力學(xué)行為,而這些力學(xué)行為卻很難用傳統(tǒng)的本構(gòu)模型來描述.利用精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)和本構(gòu)模型的公式表示來揭示這些力學(xué)行為,將始終是生物力學(xué)中的一個(gè)頗具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域.在體皮膚組織的力學(xué)性能需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究.在體皮膚組織的力學(xué)特性描述有別于離體研究的是它注重綜合考慮活體狀態(tài)下神經(jīng)和體液等因素對(duì)被測(cè)組織力學(xué)特性的影響.另外還存在的一個(gè)問題是活組織有生長或自適應(yīng)能力,而這常常由一些力學(xué)和生物化學(xué)過程來調(diào)節(jié).近年來也有許多在活體狀態(tài)下研究皮膚組織力學(xué)特性的新方法、新技術(shù)和試驗(yàn)裝置,如本文第2節(jié)所描述.皮膚生物力學(xué)的研究方法應(yīng)該是能進(jìn)一步將皮膚組織與受神經(jīng)、體液、代謝以及理化環(huán)境的調(diào)控反應(yīng)聯(lián)系起來,即皮膚生物力學(xué)從離體研究發(fā)展為活體研究,今后發(fā)展為基于生理系統(tǒng)的研究.4.2皮膚特性參數(shù)變化的數(shù)據(jù)系統(tǒng)地收集和豐富皮膚的數(shù)據(jù)庫,該數(shù)據(jù)庫主要由男性和女性全年齡皮膚特性參數(shù)構(gòu)成,除此之外,還應(yīng)有各種皮膚傷病造成皮膚特性參數(shù)變化的數(shù)據(jù).例如,目前一個(gè)尚未充分研究的領(lǐng)域是對(duì)皮膚的彈性性能與健康皮膚和癌變皮膚形態(tài)組織的檢查所見之間相關(guān)性的揭示;將這些常數(shù)與癌變組織的組織病理學(xué)特征相關(guān)聯(lián),有可能導(dǎo)致另外一種非侵入式在體和離體診斷工具的誕生.理論研究與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合,研究成果直接為臨床及其他應(yīng)用學(xué)科服務(wù),并且為其他軟組織生物力學(xué)的研究提供有益的參考和啟發(fā).4.3皮膚熱變性研究激光、微波和類似技術(shù)的發(fā)展帶來了病變及受損皮膚組織(如皮膚癌、皮膚燒傷)熱療的新進(jìn)展.這種皮膚組織熱療的目標(biāo)是在皮膚表面以下兒毫米的范圍內(nèi)精確地誘導(dǎo)熱損傷,但卻不影響周邊的健康組織.這項(xiàng)熱療技術(shù)迫切地需要掌握皮膚組織與溫度/熱損傷有關(guān)的力學(xué)性能.到目前為止,人們已經(jīng)對(duì)正常狀態(tài)下的皮膚組織力學(xué)性能進(jìn)行了廣泛的在體和離體