皮膚組織的熱力學(xué)行為表征：Ⅰ. 拉壓行為

1、皮膚組織的熱力學(xué)行為表征：. 拉壓行為         11-01-10 11:15:00     作者：盧天健    編輯：studa20【摘要】  目的 重點研究在不同溫度下豬皮膚組織的拉壓行為，探討溫度和真皮層膠原質(zhì)熱變性對皮膚組織力學(xué)性質(zhì)的影響。方法 實驗采用新鮮豬皮，在特殊設(shè)計的溫控制拉伸系統(tǒng)和壓縮系統(tǒng)條件下觀察豬皮膚在不同溫度下的拉壓行為。結(jié)果 在拉伸實驗中，皮膚的剛度隨著溫度的升高而降低，而在壓縮實驗中則相反。結(jié)

2、論 溫度對皮膚組織的拉伸和壓縮行為都有影響：拉伸性質(zhì)的變化主要是由于隨著溫度的升高皮膚膠原蛋白的熱變性所引起，而壓縮性質(zhì)的變化則有可能是由于在熱變性的影響下水合的變化所引起。 【關(guān)鍵詞】  皮膚組織 變性 熱力學(xué)行為 拉伸行為 壓縮行為ABSTRACT: Objective  This paper aims to characterize the tensile and compressive behaviors of skin tissue under different temperatures and to study the effect of temperatur

3、e 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 specificallydesigned hydrothermal experimental systems. Results&#

4、160; 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 differen

5、t. 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; th

6、ermomechanical behavior; tensile behavior; compressive behavior皮膚覆蓋于人體表面，約占人體重量的16%，容納了人體約1/3的循環(huán)血液和約1/4的水份，具有多種重要的生理功能。例如，知覺、溫度調(diào)節(jié)以及防衛(wèi)等。皮膚具有典型的層狀結(jié)構(gòu)，由表皮、真皮和皮下組織三層構(gòu)成，其中表皮又可進一步分為角質(zhì)層和生發(fā)層。各皮膚層的厚度取決于其所在部位以及年齡、性別等因素，而真皮層的血液循環(huán)以及遍布皮膚層的神經(jīng)末梢、汗腺等使得皮膚組織的微結(jié)構(gòu)進一步復(fù)雜化。    激光、微波和相關(guān)現(xiàn)代技術(shù)的進步，促進了針對皮膚疾病的許多新的熱

7、治療方法的迅猛發(fā)展，例如皮膚癌、皮膚損傷以及文身去除等。這些熱治療方法的目的是在皮膚數(shù)毫米范圍內(nèi)精確地引發(fā)熱損傷，同時不影響周邊健康組織，從而需要精密監(jiān)測溫度和應(yīng)力在皮膚組織中的空間和時間分布，定量描述皮膚的熱學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、介電、壓電等性能及其對溫度的依賴關(guān)系，深入刻畫皮膚中的生物傳熱過程和熱力耦合機理。盡管熱治療在皮膚病學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用，但這并不是基于對皮膚生物熱力學(xué)的深刻理解之上。目前，雖然皮膚組織的生物學(xué)、傳熱學(xué)和力學(xué)等領(lǐng)域已相對比較完善，但皮膚組織的生物熱力學(xué)和疼痛力學(xué)作為一門學(xué)科還處于萌芽階段12。對皮膚組織在熱刺激下產(chǎn)生的傳熱、力學(xué)、神經(jīng)學(xué)等耦合行為進行深入刻畫，對治療方法進行

8、設(shè)計、評價及優(yōu)化，進而改善治療效果來說是不可或缺的。    膠原蛋白是皮膚的主要成分，約占皮膚重量的75%以及真皮層體積的18%-30%3，提供皮膚組織主要的力學(xué)和結(jié)構(gòu)支持。在熱載荷作用下，隨著皮膚溫度的升高，膠原蛋白內(nèi)的分子鏈發(fā)生破壞，膠原蛋白自身由一種高度有序的晶體結(jié)構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)變到一種隨機的凝膠狀態(tài)4。這個過程就是熱損傷，宏觀上表現(xiàn)為熱收縮。雖然皮膚真皮也含有一小部分彈性蛋白(占皮膚干重的1%)，但由于彈性蛋白有很高的熱穩(wěn)定性，可以在沸水狀態(tài)下保持結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化長達數(shù)小時之久5，因此在討論不同熱載荷作用下皮膚組織的力學(xué)性質(zhì)時，可僅考慮膠原蛋白。 

9、60;  在熱變性過程中，不僅膠原蛋白的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而且其水合作用也發(fā)生了變化。與此相對應(yīng)，由于膠原蛋白的熱變性，皮膚的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和光學(xué)等性質(zhì)也發(fā)生了顯著變化。然而，盡管皮膚真皮層主要由膠原蛋白組成，但迄今為止有關(guān)于皮膚組織熱變性的研究卻不多69。    一個多世紀以來，已有很多學(xué)者采用離體和在體實驗分別研究了室溫下皮膚的力學(xué)性能，但卻很少開展在高溫(或低溫)條件下對皮膚力學(xué)性質(zhì)的研究以及熱力耦合影響的研究。本文給出了在不同的準靜態(tài)熱載荷作用下皮膚組織的拉伸和壓縮行為的實驗結(jié)果，目標是表征皮膚組織與溫度有關(guān)的力學(xué)性質(zhì)，從而驗證膠原蛋白變性對皮膚組

10、織力學(xué)行為的影響。有關(guān)皮膚組織在熱載荷作用下的黏彈性及速率相關(guān)性行為由另文10闡述。1  皮膚組織的熱損傷    由宏觀熱變性導(dǎo)致的膠原蛋白收縮可以作為一種簡潔的熱損傷度量1112。Diller和Pearce12認為可采用膠原蛋白變性過程中的“反應(yīng)物”相對濃度的自然對數(shù)作為一種無量綱損傷度量，即：    (t)=lnC(0)C(t)(1)    其中C(0)是膠原蛋白的初始濃度，C(t)是在t時刻未變性膠原蛋白的濃度。與此相對應(yīng)，熱變性度可以通過下式計算得到：   

11、 Deg(t)=C(0)-C(t)C(0)=1-exp-(t)(2)    關(guān)于熱損傷的計算，由Henriques和Moritz13提出的Arrhenius損傷積分得到了廣泛應(yīng)用。他們提出皮膚損傷可以表現(xiàn)為一種化學(xué)反應(yīng)速率過程。該過程可以通過一階Arrhenius速率方程計算得到，即在某一絕對溫度下熱損傷與蛋白質(zhì)變性速率及熱載荷時間有關(guān)。引入對熱損傷的測量并假設(shè)它的變化率滿足：    k(T)=ddt=Aexp-EaRT(3)    或者與之等價的下列關(guān)系：    =t0Ae

12、xp-EaRTdt(4)    式中：A是材料常數(shù)(頻率因子)，Ea是激活能，R=8.314J/mol K是普適氣體常數(shù)。利用熱力學(xué)分析，Arrhenius損傷積分中的Ea和A可以通過樣本的熱穩(wěn)定實驗分析得到(參閱文獻10)。例如：豬耳部皮膚，Ea=5.867×105J/mol，A=5.240×1091/s-1；豬背部皮膚，Ea=-5.255×105J/mol, A=2.126×1081/s-1。這些數(shù)值在現(xiàn)有的文獻范圍內(nèi)與類似生物材料的相關(guān)值吻合良好。2  材料與方法2.1  試樣  為了避免

13、和人類皮膚實驗有關(guān)的倫理和免疫問題，有必要尋找一種人皮膚的替代品。由于在結(jié)構(gòu)和功能上與人皮膚的高度相似性，豬皮膚被廣泛選作替代品14；而且，對同一頭豬而言，由于它的體形較大，可以進行重復(fù)實驗，從而減少了實驗誤差15。本文實驗采用了從英國劍橋大學(xué)附近Linton鎮(zhèn)Dalehead食品公司附屬屠宰廠獲得的新鮮豬皮。2.2  試樣準備  在豬死亡10min內(nèi)進行采樣，采取位于豬體不同位置、深度到皮下脂肪的皮膚試樣。這些豬皮膚試樣放入經(jīng)過預(yù)先氣體處理(體積分數(shù)為95% O2和5% CO2)的生理溶液KrebsHenseleit Ringer(KHR)內(nèi)，根據(jù)標準的器官獲取規(guī)則，被快

14、速冷卻到4。當試樣被快速運送至實驗室后，在4溫度下(冰床和KHR溶液)采用快速剝離法將皮膚和皮下脂肪分離。為了減少組織結(jié)構(gòu)降解對結(jié)果的影響，對所有皮膚試樣的拉伸和壓縮實驗均在從采樣處取來后的數(shù)小時內(nèi)完成。在進行每一個拉伸或壓縮實驗前，試樣都要進行前處理，以便得到可重復(fù)的響應(yīng)。所有的前處理都在37下的KHR溶液中進行。2.3  測試系統(tǒng)和實驗過程  本次實驗采用特殊設(shè)計的溫控制拉伸系統(tǒng)(圖1)和壓縮系統(tǒng)(圖2)進行。測試系統(tǒng)的設(shè)計和測試的具體過程參見文獻16，這里僅給出簡單介紹。把試樣放在測試容器內(nèi)，高溫容器內(nèi)的液體被加熱到30-100之間的某一預(yù)先設(shè)定的溫度，而低溫容器內(nèi)的液體保持室溫。將測試容器的閥門打開，高溫或者低溫液體很快充滿容器并完全浸沒試樣。實驗開始前，用熱電偶通過電腦把試樣和軟件連接起來。將力載荷施加于試樣后，對溫度、位移、應(yīng)變和載荷進行同步記錄。          圖1  水溫控制雙向拉伸加載系統(tǒng)示意圖（略）Fig.1 Schema