皮肤组织的热力学行为表征：Ⅰ. 拉压行为

　　作者：卢天健 作者单位：西安交通大学强度与振动教育部重点实验室，陕西西安 710049

　　【摘要】 目的 重点研究在不同温度下猪皮肤组织的拉压行为，探讨温度和真皮层胶原质热变性对皮肤组织力学性质的影响。方法 实验采用新鲜猪皮，在特殊设计的温控制拉伸系统和压缩系统条件下观察猪皮肤在不同温度下的拉压行为。结果 在拉伸实验中，皮肤的刚度随着温度的升高而降低，而在压缩实验中则相反。结论 温度对皮肤组织的拉伸和压缩行为都有影响：拉伸性质的变化主要是由于随着温度的升高皮肤胶原蛋白的热变性所引起，而压缩性质的变化则有可能是由于在热变性的影响下水合的变化所引起。

　　【关键词】 皮肤组织 变性 热力学行为 拉伸行为 压缩行为

　　Characterization of thermomechanical behavior of skin tissue:Ⅰ. Tensile and compressive behavior

　　Lu Tianjian, Xu Feng, Seffen KA

　　(MOE Key Laboratory of Strength and Vibration, School of Aerospace,Xian Jiaotong University, Xian 710049, China; Engineering Department,Cambridge University, Cambridge CB2 1PZ, UK)

　　ABSTRACT: Objective This paper aims to characterize the tensile and compressive behaviors of skin tissue under different temperatures and to study the effect of temperature and corresponding dermal collagen denaturation on the mechanical properties of skin tissue. Methods The uniaxial tensile and compressive tests of fresh pig ear skin under different temperatures have been performed by using two specificallydesigned hydrothermal experimental systems. Results In tensile tests, the skin stiffness decreases with increased temperature, while a contrary trend is observed in compressive tests. Conclusion The results show that temperature has a great influence on both tensile and compressive properties of skin tissue, but the mechanisms are different. The variation of skin tensile properties is caused by the thermal denaturation of skin collagen with increased temperature, while the variation of skin compressive behavior of skin tissue may be due to the hydration change with thermal denaturation.

　　KEY WORDS: skin tissue; thermal denaturation; thermomechanical behavior; tensile behavior; compressive behavior

　　皮肤覆盖于人体表面，约占人体重量的16%，容纳了人体约1/3的循环血液和约1/4的水份，具有多种重要的生理功能。例如，知觉、温度调节以及防卫等。皮肤具有典型的层状结构，由表皮、真皮和皮下组织三层构成，其中表皮又可进一步分为角质层和生发层。各皮肤层的厚度取决于其所在部位以及年龄、性别等因素，而真皮层的血液循环以及遍布皮肤层的神经末梢、汗腺等使得皮肤组织的微结构进一步复杂化。

　　激光、微波和相关现代技术的进步，促进了针对皮肤疾病的许多新的热治疗方法的迅猛发展，例如皮肤癌、皮肤损伤以及文身去除等。这些热治疗方法的目的是在皮肤数毫米范围内精确地引发热损伤，同时不影响周边健康组织，从而需要精密监测温度和应力在皮肤组织中的空间和时间分布，定量描述皮肤的热学、力学、光学、介电、压电等性能及其对温度的依赖关系，深入刻画皮肤中的生物传热过程和热力耦合机理。尽管热治疗在皮肤病学中得到了广泛应用，但这并不是基于对皮肤生物热力学的深刻理解之上。目前，虽然皮肤组织的生物学、传热学和力学等领域已相对比较完善，但皮肤组织的生物热力学和疼痛力学作为一门学科还处于萌芽阶段[12]。对皮肤组织在热刺激下产生的传热、力学、神经学等耦合行为进行深入刻画，对治疗方法进行设计、评价及优化，进而改善治疗效果来说是不可或缺的。

　　胶原蛋白是皮肤的主要成分，约占皮肤重量的75%以及真皮层体积的18%-30%[3]，提供皮肤组织主要的力学和结构支持。在热载荷作用下，随着皮肤温度的升高，胶原蛋白内的分子链发生破坏，胶原蛋白自身由一种高度有序的晶体结构状态转变到一种随机的凝胶状态[4]。这个过程就是热损伤，宏观上表现为热收缩。虽然皮肤真皮也含有一小部分弹性蛋白(占皮肤干重的1%)，但由于弹性蛋白有很高的热稳定性，可以在沸水状态下保持结构不发生变化长达数小时之久[5]，因此在讨论不同热载荷作用下皮肤组织的力学性质时，可仅考虑胶原蛋白。

　　在热变性过程中，不仅胶原蛋白的结构发生变化，而且其水合作用也发生了变化。与此相对应，由于胶原蛋白的热变性，皮肤的力学、热学、电学和光学等性质也发生了显著变化。然而，尽管皮肤真皮层主要由胶原蛋白组成，但迄今为止有关于皮肤组织热变性的研究却不多[69]。

　　一个多世纪以来，已有很多学者采用离体和在体实验分别研究了室温下皮肤的力学性能，但却很少开展在高温(或低温)条件下对皮肤力学性质的研究以及热力耦合影响的研究。本文给出了在不同的准静态热载荷作用下皮肤组织的拉伸和压缩行为的实验结果，目标是表征皮肤组织与温度有关的力学性质，从而验证胶原蛋白变性对皮肤组织力学行为的影响。有关皮肤组织在热载荷作用下的黏弹性及速率相关性行为由另文[10]阐述。

　　1 皮肤组织的热损伤

　　由宏观热变性导致的胶原蛋白收缩可以作为一种简洁的热损伤度量[1112]。Diller和Pearce[12]认为可采用胶原蛋白变性过程中的“反应物”相对浓度的自然对数作为一种无量纲损伤度量，即：

　　Ω(t)=lnC(0)C(t)(1)

　　其中C(0)是胶原蛋白的初始浓度，C(t)是在t时刻未变性胶原蛋白的浓度。与此相对应，热变性度可以通过下式计算得到：

　　Deg(t)=C(0)-C(t)C(0)=1-exp[-Ω(t)](2)

　　关于热损伤的计算，由Henriques和Moritz[13]提出的Arrhenius损伤积分得到了广泛应用。他们提出皮肤损伤可以表现为一种化学反应速率过程。该过程可以通过一阶Arrhenius速率方程计算得到，即在某一绝对温度下热损伤与蛋白质变性速率及热载荷时间有关。引入对热损伤的测量Ω并假设它的变化率满足：

　　k(T)=dΩdt=Aexp-EaRT(3)

　　或者与之等价的下列关系：

　　Ω=∫t0Aexp-EaRTdt(4)

　　式中：A是材料常数(频率因子)，Ea是激活能，R=8.314J/mol K是普适气体常数。利用热力学分析，Arrhenius损伤积分中的Ea和A可以通过样本的热稳定实验分析得到(参阅文献[10])。例如：猪耳部皮肤，Ea=5.867×105J/mol，A=5.240×1091/s-1;猪背部皮肤，Ea=-5.255×105J/mol, A=2.126×1081/s-1。这些数值在现有的文献范围内与类似生物材料的相关值吻合良好。

　　2 材料与方法

　　2.1 试样 为了避免和人类皮肤实验有关的伦理和免疫问题，有必要寻找一种人皮肤的替代品。由于在结构和功能上与人皮肤的高度相似性，猪皮肤被广泛选作替代品[14];而且，对同一头猪而言，由于它的体形较大，可以进行重复实验，从而减少了实验误差[15]。本文实验采用了从英国剑桥大学附近Linton镇Dalehead食品公司附属屠宰厂获得的新鲜猪皮。

　　2.2 试样准备 在猪死亡10min内进行采样，采取位于猪体不同位置、深度到皮下脂肪的皮肤试样。这些猪皮肤试样放入经过预先气体处理(体积分数为95% O2和5% CO2)的生理溶液KrebsHenseleit Ringer(KHR)内，根据标准的器官获取规则，被快速冷却到4℃。当试样被快速运送至实验室后，在4℃温度下(冰床和KHR溶液)采用快速剥离法将皮肤和皮下脂肪分离。为了减少组织结构降解对结果的影响，对所有皮肤试样的拉伸和压缩实验均在从采样处取来后的数小时内完成。在进行每一个拉伸或压缩实验前，试样都要进行前处理，以便得到可重复的响应。所有的前处理都在37℃下的KHR溶液中进行。

　　2.3 测试系统和实验过程 本次实验采用特殊设计的温控制拉伸系统(图1)和压缩系统(图2)进行。测试系统的设计和测试的具体过程参见文献[16]，这里仅给出简单介绍。把试样放在测试容器内，高温容器内的液体被加热到30-100℃之间的某一预先设定的温度，而低温容器内的液体保持室温。将测试容器的阀门打开，高温或者低温液体很快充满容器并完全浸没试样。实验开始前，用热电偶通过电脑把试样和软件连接起来。将力载荷施加于试样后，对温度、位移、应变和载荷进行同步记录。

　　图1 水温控制双向拉伸加载系统示意图(略)

　　Fig.1 Schematic of the hydrothermal tensile experimental system

　　VCR: video cassette recording; SDA: strain displacement analyzer; PC: personal computer

　　图2 水温控制压缩加载系统示意图(略)

　　Fig.2 Schematic of the hydrothermal compressive experimental system

　　3 结果与讨论

　　3.1 拉伸行为 结果显示：在固定的应变率(12.5%/s)和不同温度下对猪耳部皮肤进行单轴拉伸实验所得出的应力应变关系(图3)。这些曲线呈现出两个明显的区域。在第一个区域，应变<50%，不同温度所对应的曲线几乎重合;这是一个弹性模量相对较低的区域，形变主要由弹性纤维的拉伸积累所造成，而弹性纤维在高温下非常稳定，小温差下几乎不发生变化;曲线的差异主要来源于胶原蛋白逐步拉直部分的比重随着形变的增大而增加。在第二个区域，应变大于50%，应力几乎随着应变线性增加，梯度则随着温度的升高而降低。这个特征主要是由相互交联的胶原蛋白纤维内的胶原蛋白分子的拉伸和滑移，以及胶原蛋白纤丝的滑移所引起。随着温度的升高，胶原蛋白从一种高度组织化的结晶结构转变为一种无规则的凝胶状态，从而导致刚度降低。

　　图3 不同温度下猪耳部皮肤的拉伸应力应变关系(应变率12.5%/s)(略)

　　Fig.3 Tensile stressstrain relation under different temperatures (strain rate: 12.5%/s)

　　另一个可能的影响来自脱水作用。需要指出的是，当T≥60℃时，应力应变曲线的斜率几乎不随温度的增加而变化，而该现象可以用热损伤来解释。当给定应变率和温度时，应变率ε和热变性度Deg之间的关系可由式(2)和式(4)获得，结果如图4所示。热变性度代表未变性胶原蛋白的浓度。当T≥60℃时，真皮内的胶原蛋白几乎全部瞬时变性，而当T=45℃和50℃时，变性过程则相对缓慢。

　　图4 不同温度下猪耳部皮肤的拉伸应变热损伤之间的关系(应变率12.5%/s)(略)

　　Fig.4 Tensile stressthermal damage relation under different temperatures (strain rate: 12.5%/s)

　　3.2 压缩行为 不同温度下猪背部皮肤在水温中的压缩实验结果如图5所示。与拉伸响应相类似，所有的应力应变关系呈现两个不同的区域：小应变下的低刚度区和大应变下的高强度区，二者间的过渡区所对应的应变范围为10%-30%;在室温下其他学者也获得过类似的结果[17]。有趣的是，和拉伸实验相比，猪皮肤的压缩刚度随着温度的升高而增加，尽管热损伤和热变性度都随着温度的升高而增大(图6)。与拉伸实验的主要不同点在于压缩载荷是沿皮肤试样的厚度方向加载，该方向和胶原蛋白及弹性纤维的方向垂直。和拉伸实验类似，随着温度的增加，尽管可能受到脱水及胶原蛋白变性的影响，但是皮肤的压缩行为取决于凝胶状基底的力学性质，而载荷就施加在基底上[1819]。关于基底的力学性质研究很少，我们仅能猜测它的刚度随着温度的升高而增加。因此，有必要在今后开展进一步深入的研究。

　　图5 不同温度下猪背部皮肤的压缩应力应变关系(应变率0.1%/s)(略)

　　Fig.5 Compressive stressstrain relation under different temperatures(strain rate: 0.1%/s)

　　图6 不同温度下猪背部皮肤的压缩应变热损伤关系(应变率0.1%/s)(略)

　　Fig.6 Compressive stressthermal damage degree relation under different temperatures (strain rate: 0.1%/s)

　　4 结论

　　实验研究了猪皮肤在不同温度下的拉压行为，并讨论了温度及对应的胶原蛋白变性对皮肤力学性质的影响。结果表明，在拉伸实验中，由于胶原蛋白变性，皮肤的刚度随着温度的升高而降低，而在压缩实验中则正好相反，后者可能是由于热变性引起的水含量变化所造成。为了更好地了解这些现象，进一步量化皮肤性质随温度的变化及胶原蛋白的变性，需要开展更多的实验研究，这样才可能在理论和计算模型中合理地考虑这些性质。

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