皮肤的力学性能概述.pdf

第3 8 卷第4 期2 0 0 8 年7 月2 5 日力学进展A D V A N C E SI NM E C H A M C SV-o L 3 8N o 4J u l y 2 5，2 0 0 8皮肤的力学性能概述卢天健-，t 徐峰21 西安交通大学强度与振动教育部重点实验室，西安7 l 细2 剑桥大学工程系，C B 2l P z，英国剑桥摘要鉴于皮肤的力学性能对于临床和日用化妆品的重要性，人们已经对在体和离体皮肤的力学性能进行丫长期的研究本文对皮肤力学的近期发展进行了全面的回顾，总结了在体和离体实验的方法和仪器，概述了皮肤的主要力学性能，包括杨氏模量、泊松比、压缩系数、强度、韧性、初应力和初张力、热膨胀系数、约束力层离能、摩擦系数，以及这些性能的各向异性，并以表格形式收集了现有文献中的有关数据最后，讨论了有关皮肤力学的一些特殊领域中的未来研究方向关键词皮肤组织，力学性能，实验1 引言1 1 皮肤的结构皮肤是一种特殊的组织和人体最大的器官，其重量约占人体重量的1 6【由于皮肤具有独特的真皮下皮层状结构(见图1)，因此它扮演了许多重要的角色，例如感觉器官、体温调节器官和机体保护者等所以，我们很有必要先来认识皮肤的结构、功能和特性人类皮肤的结构在人体的不同部位是不同的，在某些特殊部位，皮肤的结构还与其功能有关【2 1 汗汗神腺腺经管压力触觉感受器感受器图1 人类皮肤的结构【2】角质层收稿口期：2 0 0 7 _ 1 1 0 7，修回口期：2 0 0 8-0 3 0 6剑桥大学“海外研究奖学金(O、r e r s e 弱R 船e a r c hs t u d e n t 8 h i p，O R s)和“剑桥大学海外信托奖学金(O v e r 8 e 鹊I h l 8 ts c h o l 栅h i p)”，西安交通大学校基金，以及中国国家自然科学基金(1 0 5 7 2 1 1 1，1 0 6 3 2 0 6 0)、国家“n 1 计划”(B o 2 4)、国家重点基础研究规划(2 0 0 6 c B 6 0 1 2 0 2)资助项目tE m 撕1：t j l u m a i l x j t u e d u c n 万方数据力学进展2 0 0 8 年第3 8 卷皮肤在分子层次的组成见图2【3】图2 中d、e 带指胶原蛋白结构中的微结构真皮由一种内含弹性蛋白和胶原质纤维的含水凝胶状基本物质所构成，其中胶原质纤维是真皮的主要构件，重量占真皮干重的6 0 一8 0【4，引，体积占乳头状和网状真皮的6 6 一6 9【6 1 在乳头状真皮和网状真皮中都含有由I 型和I I I 型胶原质构成的纤维，在乳头层中I I I 型胶原质与I 型胶原质的比值要略高于在网状层中的比值【7】，而I 型胶原质占了总胶原质含量的8 0 一9 0 柔性长弹性蛋白分子结成了一张三维(橡皮状)网络，这张网络在真皮内部包裹缠绕着粗大的胶原质纤维，可以比其未受力状态下的原始长度伸展2 5倍【8 一周定原纤维(V I I 型胶原质)图2 皮肤的宏观分子组成f 3 l1 2 皮肤力学的重要性皮肤力学在临床和化妆品的应用中(例如整形手术、伤口恢复、疾病检测、康复、药物注射和皮肤给药，以及对触觉功能和疼痛的了解)都具有十分重要的作用同时，人类皮肤力学性能的全面掌握对于医疗、制药、化妆品行业开发新产品及改进现有产品，也是相当重要的1 2 1 在化妆品应用中的重要性皮肤力学在化妆品中的应用，包括剃须、脱毛和皮肤护理(使用护肤霜和润肤液)，等等皮肤力学性能的量化在新型护肤产品的开发中是至关重要的【1 0】，因为不同类型的产品通过改变不同皮肤的状态来发挥作用例如，有些产品通过抑制皮肤表面的水分蒸发来发挥作用，有些化合物通过吸收并直接将水化元素释放到皮肤中来发挥作用，膜质原纤维能聚糖链合体而其他产品的作用则是使人获得油性皮肤或黏性皮肤1 2 2 在医疗应用中的重要性与临床有关的皮肤生物力学的典型例子就是整形外科、皮肤医学和浅表压伤病冈学在外科手术过程中，需要将皮肤切开，然后再将伤口进行缝合为此，需要很好地具备皮肤性能(包括皮肤力学性能)方面的知识考虑人体的部位和各部位皮肤的力学性能将有助于刀口形状的优化同时，定量评估皮肤组织的力学性能对于了解影响伤口恢复和疤痕形成的冈素也是非常重要的【1 1】皮肤力学有助于更好地了解许多物理疗法的相关技术皮肤的力学性能已经被广泛用于评价面部光化学损伤的修复治疗和远期效果，并用于评估面部平整治疗的有效性f 1 2】基于皮肤力学性 万方数据第4 期卢天健等：皮肤的力学性能概述能的计算机模拟也可用来协助进行整形手术，例如制定手术方案、计算机辅助手术、外科医生培训系统和外科机器人设计【1 3“1 引在选择皮肤扩展方法和皮肤组织除皱的程序处理、设计替换皮肤、替换或修补“有缺陷的”皮肤以及制造更能“为社会所接受的”皮肤的时候，通常都要考虑生物机械组织的性能【1 6“引对于皮肤力学性能的理解也将会有助于皮肤代用品的设计【1 9，2 0 1，而这对于烧伤病人来说是急需的1 2 3 皮肤的敏感性人类的皮肤具有大部分的重要感觉，例如触觉和痛觉，皮肤中的刺激感受器对皮肤变形的不同型式作出不同响应【2 1 1 B i r z n i e l【8 等人【2 2】认为，由材料的各向异性引起的不同应变型式可以解释触觉传入响应的方向性M o y 等人【2 3 l 发现，皮肤的黏弹性对触觉的感知具有显著的影响B i g g s 和S 血j 瑚a n【2 4】曾报导，某些个体对他们前臂上受到的切向力比正向压力更敏感，但是对于作用在手指面上的力，他们的感觉则正好相反人们还认为，感觉性能与皮肤的摩擦有关【z 5 2 9 1 综上所述，这些观测结果表明，皮肤的生物力学对于诸如皮肤中的机械性刺激感受器是如何受到激励的，以及传输到大脑的信号类型【3 0】等问题，都能够从机理上得出结论有关皮肤行为的详细知识也引起了触觉显示设计人员的极大兴趣【3 1 3 3 1 1 2 4 在机器人技术中的重要性随着机器人的发展，例如自动外科手术工具和机器人【3 4 J 的出现及其在各种情况下的广泛应用，对皮肤的力学性能进行精密测试的需求日益迫切此外，机器人的发展已经提高了对机器人皮肤的要求，这将会使机器人在高度自由的环境中反应更加快速高效，人机交互更加简便，并且能够探测不同的感觉，例如压力、湿气湿度和物体的硬度所有这些都将得益于对皮肤力学性能的进一步了解1 3 目的与结构安排虽然目前已经有一些优秀的从不同角度对皮肤生物力学所进行的综述【1，3 5“39 l，但是这些综述都没有概括现有的对皮肤力学性能的实验数据，而在本文的综述中，则对这一不足进行了适当的弥补本综述的要点如下：介绍了在体或离体实验所用的方法和设备；讨论了皮肤的主要力学性能，并以表格的形式列出了本综述所引文献中的数据；讨论了未来的研究方向2 皮肤力学性能的测量自从1 8 6 1 年L 衄g e r 采用一台圆形仪器冲压人类尸体的皮肤以研究皮肤组织的各向异性以来，由于皮肤组织的力学性能在临床和化妆品应用中的重要性，人们对在体和离体对皮肤组织的力学性能进行了广泛的研究在早期的研究中，曾使用过许多不同的仪器和测量条件人们发现：人类的皮肤通常在在体条件下处于张紧状态，其性能具有多样、各向异性、非线性和黏弹性的特点；有许多因素可以影响皮肤的力学性能，例如年龄、性别、在人体上的位置、水化作用、P H 值、相对湿度以及一天中的不同时间段此外，由于众多的皮肤结构成分和功能，以及不同个体之间皮肤性能的适应性和可变性，使得皮肤表现出非常复杂的力学行为典型的皮肤组织在单向和双向拉伸。卜的应力一应变关系见图3 从图3 中可以观察到3 个显然不同的区域：第1 个区域为弹性模量相对较低的区域，在该区域内皮肤形变主要由弹性纤维的拉伸积累所造成；第2 个区域为线性区域，在该区域内应力几乎随着应变线性增加，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；最后的为屈服区域，是由于起因于胶原质纤维结构破坏造成的3 0应变图3 皮肤的拉伸应力一应变关系有关皮肤力学行为的实验主要可以分为离体盛窆R避 万方数据力学进展2 0 0 8 年第3 8 卷实验和在体实验二类离体实验包括测试从活体上切除的皮肤组织，而在体实验则测试仍然依附在活体上的皮肤唯一真正可靠的确定皮肤性能的方法是通过在体实验，冈为在离体实验过程中，皮肤是与其影响环境f 例如血液灌注、淋巴管引流、新陈代谢、神经系统调节和激素调节)相分离的【1 4，4 0 1 但是，在体测试要受到皮肤组织本身以及皮肤组织所依附的其他结构的影响，冈而在进行测试时很难在样本中获得均匀的应变场和控制边界条件，所以也经常需要进行离体实验许多学者研究了离体和在体实验结果的差异C o o k 等人f 4 1】发现，对于老鼠皮肤，在应变革相同的情况下在体实验的张力要高于离体实验的张力，而v o g e l 和D e n k e l【4 2】、v o g e l【4 3】的研究则表明，如果使用相同的皮肤夹持方法，二者的差别很小M a r a n g o n i 等人【“】观察了在体和离体实验试样力学性能的差异，提出了一项快速冻融技术来减小切除后皮肤试样的差别J a c q u e t 等人【4 5 l 指出，应力一应变曲线的形状取决于实验是在在体进行还是离体进行在体实验所得到的应力应变曲线与离体实验所得到的曲线相比发生了移动，而这一移动与皮肤中的初始应力有关大部分离体测量采用拉伸方法，而在体实验测量最常用的技术则是拉伸、压痕、扭矩和抽吸测试，每一种实验都要求采用与所加应力类型相适应的特殊方法2 1 在体皮肤测量人们设计和使用了许多不同类型的设备来进行在体的皮肤测量，例如测量张力、扭矩、抽吸、压痕、弹性图、波传播等的设备这一课题已经被一些全面的综述所涉及【4 0，4 6“删，下面简单介绍几种常见的在体测量方法(1)拉伸法(e X t e l l s i o n)：在这类方法中，借助于粘在皮肤表面的定位键或者通过夹具对皮肤进行在体拉伸试验采用这种方法的在体测量仪器包括皮肤伸缩仪(e 吼e 璐o n l e t e r s)、气体轴承电动仪和线性皮肤流变仪(g 盼b e 盯i n ge k t r o d y n 锄。脏t e ra n dl i n e a r8 l【i nr h e o m e t e r)(2)吸力法(s u c t i o n)：在这类方法中，一般采用吸引头施加一个垂直于皮肤表面的一个吸入力，通过测量垂直的位移来得到皮肤的弹性和黏弹性性质该方法测试程序迅速简便，采用的参数不受皮肤厚度的影响，已经用来研究影响不同的因素，像是老化、部位、性别等等采用这种方法的在体测量仪器包括：皮肤弹性测量仪(c u t o m e t e r、e c h o r h e o m e t e r、d e r m a l a b 和d e r m a 丑e xA 1 但是这种方法也有其缺陷：其适用的测试部位有局限性，不能测量厚度较大皮肤的黏弹性和各向异性(3)压痕法(i n d e n t a t i o n)：与吸入法相反，在压痕法中施加一个垂直于皮肤表面的一个压力，通过测量垂直的位移来测量皮肤的刚度、抗拉强度和硬度等性质采用这种方法的在体测量仪器包括硬度测定计(d u r o m e t e r)和微压痕硬度仪(m i c r 伊i n d e n t o m e t e r)(4)扭力法：在这类方法中，一般采用一个扭力马达驱动贴在皮肤上的圆盘，通过测量相应的扭力得到皮肤弹性、黏性和塑性等性质，采用这种方法的在体测量仪器包括皮肤扭距仪(d e r m lt o r q u em e t e r)2 2 离体皮肤测量离体实验的优点是可以分离皮肤的各层，尽管人们还并不清楚这种分离对各层皮肤的力学性能有何影响离体实验的另一个优点是可以研究皮肤的极限载荷或损伤M a r k s 等人f 4 6】和w i l e s等人 4 9】对各种已经开发出来的单轴和剪切实验设备进行了回顾，这类单轴实验多使用I 瑚t r o n 实验机【1 7，4 0，5 0“酬v o g e l 和P 印a n i c o l a o u 5 5】开发了一种恒定蠕变测试系统，A r b o g a 8 t 等人【5 6 l 则开发出了用于软生物组织测试的高频剪切仪能在两个正交方向施加面内载荷的设备也已经开发出来【5，5 7“6 L a l l i r 和F u I l g 5 7】提出了一种具有温度控制功能的十字形双轴系统，用于正方形试样的二维拉伸、弛豫和蠕变实验以后开发的大部分双轴系统都是以此为基础的T h u b r i k a r和E p p i n l【6 2】开发了一种弯剪复合载荷测试系统H u n g 和w i l H a 脚【6 3 l 所开发的系统可以实现相等的双轴载荷和均匀应变场&i h s n e r 和M e n z e l 5 8 J开发出了一种与L a n i r 和F u n g【5 7】所提出的系统相似的系统，但可用于1 2 轴圆形试样M i t c h e u 等人【6 4】所开发的双轴装置可以用来对软组织(例如皮肤)施加用户指定的应变，而S a n d e r s 等人【6 5】所开发的实验系统可以用于对皮肤表面施加可控制的压缩和剪切载荷3 各种力学参数的评价利用上面所提到的实验方法，人们对皮肤的 万方数据第4 期卢天健等：皮肤的力学性能概述力学性能进行了大量的测试，根据这些测试结果，推导出了皮肤组织的各种力学特性，例如各向异性、杨氏模量、刚度、泊松比、压缩系数、强度、韧性、初始应力张力、热膨胀系数、约束力和层离能，以及皮肤摩擦系数在这一节中，我们将讨论皮肤组织的主要力学性能3 1 各向异性实验测试与观察结果表明，皮肤组织是各向异性的【5 1 5 6，6 6“8 4 1，哪怕是在松弛状态下【8 5，8 6 1 例如，胶原质纤维网络显示出由朗格氏线(L a n g e r，sh 姗)表征的延伸性具有优先方向【5 6】该朗格氏线是由一种圆形仪器冲压圆形皮肤时所引发的，在这种情况下，网络纤维趋向于沿延伸性最小的方向排列，最终皮肤形成椭圆形取向沿着朗格氏线的弹性蛋白和胶原质纤维要比取向垂直丁朗格氏线的弹性蛋白和胶原质纤维更容易延伸冈此，在朗格氏线的方向，皮肤的延伸性较小(冈而对应着较高的刚度)【8 7 1 研究发现，最大张力线是平行于皱褶线的，冈为只有当张力在直角处达到最小值时才会形成皱褶线1 8 8】横穿这些张力线的伤口比平行于张力线的伤口更有可能产生伸长的或肥厚性的疤痕V md e rV o o r d e n 和D o u v e n【8 9】、M e i j e r和D o u v e n【9 0】利用L a n i r 的皮肤模型，对活体皮肤的各向异性行为进行了表征皮肤的各向异性也随部位的变化而有所不同，例如，A n k e r s e n 等人【9 1 1 发现，猪皮肤的各向异性在腹部很明显，而背部皮肤的各向异性则可以忽略不计事实上，典型的皮肤是正交各向异性的【5 1 5 7，9 2，9 3 1，而正交各向异性指的是存在关于二个垂直面的对称性；L a n i r 和F u I l g【5 7 9 2 1 在对兔子皮肤所进行的双轴拉伸实验中观察到了这种情况由于二个垂直面与皮肤中胶原质纤维的择优取向有关，所以人们提出了一些确定材料轴线的方法一般说来，材料轴线的确定需要基于对试样大致形状或纤维大致结构的观察，但是在皮肤组织中，纤维极为细小，凭肉眼是无法观察的，冈此研究人员提出了如卜一些量化纤维结构的技术(1)D u p u y t r e n【6 6】和L a n g e r【5 6】最初的研究所提出的方法：一块在体为圆形的皮肤试样在从活体切除后会变成椭圆形，椭圆形皮肤试样的长轴定义为朗格氏线，并在试样上标出【5，5 8】利用这一方法，可发现最大主应力取向与朗格氏解理线方向的平均角度偏差范围为一1 0。一+1 0 0，这意味着朗格氏解理线与试样切下后的收缩方式相符【5 t 5 7 1(2)B o r g e 8【9 4】提出了一种简易方法来确定张力线，并称其为松弛皮肤张力线(r e l a 淝ds l【i nt e n s i o nl i n e s，R S T L)：捏皮肤时所产生的最长的那条线便是张力线，因为当捏出来的线的方向与张力线一致的时候，它们是直的，而且更长(3)等载荷法：在应力载荷相同的情况下，通过确定哪些方向能显示出最大和最小应变值来识别材料的轴线一块圆形的组织试样由反方向的小夹具对夹持，小夹具沿整个试样圆周布置，每对夹具分别预加载荷，并在弹性轴线上作二个标记当完全卸载的时候，这两个标记会产生一个椭圆状图形，图形的二个半轴即为材料的轴线【9 引(4)小角度光散射(s m a ua n 百el i g h t8 c a t t e r i n g，S A L S)法：可使用小角光散射仪，通过量化皮肤组织中各位置上胶原质纤维的角度分布来估计试样内纤维的主方向，由此确定纤维的择优取向和方位角度【9 6，9 7 1(5)偏振敏感光相干层析x 射线照相法(p o l a 广r i z a t i o n-8 e I l s i t i v eo p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y，P S O c T)：此方法是以皮肤组织中胶原质的双折射特性为基础的【9 8，9 9 1(6)二次谐波成像(s e c o n d h a r m o I l i c-g e n e r 跏t i o n，S H G)偏振测定法：一种特殊的用于胶原质的探测手段，利用皮肤组织中胶原质分子引发的S H G 光来测定胶原质【1 0 0 1(7)K h a 咖-等人【7 4】利用关于各向异性材料的理论和正交各向异性模型，基于人类男性前臂皮肤的在体实验数据计算出了杨氏模量，确定了各向异性的主要方向为偏离手臂轴线5 3 3 0 土5 7 8 0 3 2 杨氏模量、刚度和泊松比弹性模量是描述材料力学性能的最常用的参数，其单位是每单位面积上的力刚度也是一个常用参数，定义为弹性体在受力时抵抗挠曲和变形的能力杨氏模量E 通过纵向应力引起的应变来描述材料的纵向变形杨氏模鼍也被称为弹力模量、弹性模量或拉伸模量剪切模量G 描述的是横向应变与横向应力之间的关系，与各向同性均匀介质中的剪切波传播有关剪切模量有时候也称为刚度模量体积弹性模量K 用于描述材料在外部应力作用下的体积变化各向同性非均质固体的另一个物理性能是泊松比，为单位宽度上的横向收缩与单位长度上的纵向延伸之比 万方数据3 9 8力学进展2 0 0 8 年第3 8 卷均质材料的传统力学特性对于皮肤来说并不适用皮肤既没有独特的单一杨氏模量，也没有单一剪切模量上述这些力学性能对于皮肤来说不是材料常数，而是随着所施加的应变而变化的不过，这些材料参数能够反映任何弹性材料(包括皮肤)的基本弹性行为方式，而对于皮肤弹性行为的描述，杨氏模量和泊松比是最常用到的作为皮肤力学性能最重要的参数之一，杨氏模量已经得到了广泛的测量表1 一表4 分别概括了人类皮肤的在体杨氏模量值、人类皮肤的离体杨氏模量值、动物皮肤的离体杨氏模量值、以及皮肤角质层的杨氏模量值这些表格的数据表明，杨氏模量的测定值之间存在很大的差异：皮肤的杨氏模量测定值差异可高达5 0 0 0 倍，范围从o 0 2M P a 到约1 0 0M P a，主要取决于推导材料参数所用的模趔和所施加的应力出现这种情况的可能原冈包括：(1)用来推导力学参数的本构模型和力学模型不同，而这些模型中的大部分都受外部变量(例如施加于皮肤的应力)的影响；(2)解剖结构以及所采用的技术有差异；(3)忽略了皮肤的初始张力，而皮肤的初始张力是冈人而异的；(4)由于皮肤的非线性应力一应变行为而产生的变形量有差别；(5)水化状态不同；(6)皮肤厚度不同；(7)实验标准尺寸不同另一种可能的原冈是由于不同皮肤试样中胶原质和弹性蛋白的质量比不同，因为它们的杨氏模量值有显著差异(例如，对于胶原质有E=1 0 0 1 0 0 0 M P a【8 7，1 1 1 l，而对于弹性蛋白有E O 3 M P a【1 1 1】)表1 人类皮肤杨氏模量的在体测量结果 万方数据第4 期卢天健等：皮肤的力学性能概述表1 人类皮肤杨氏模量的在体测量结果(续)万方数据如0力学进展2 0 0 8 年第3 8 卷表1 人类皮肤杨氏模量的在体测量结果(续)皮肤试样测量值方法年龄与性别参考文献表3 动物皮肤组织杨氏模量的测量结果老鼠背部皮肤处理2 d 后对照氨基氰化甲烷1 0 0m l l c g，U 服乙酸脱氢皮质醇5 m g k g，皮下注射氨基氰化甲烷1 0 0 m g l【gU 服+乙酸脱氢皮质醇5 吣l【g 皮下注射1 1 8 2 M P 81 6 6 5M P a2 黯4 M P a2 2 6 7 M P a单轴拉伸献中的图1 估计文【1 3 5】万方数据第4 期卢天健等：皮肤的力学性能概述如1表3 动物皮肤组织杨氏模量的测量结果(续)万方数据4 0 2力学进展2 8 年第韶卷测量皮肤组织的泊松比在技术上是比较困难的对于试样宽度和长度的变化，泊松比对宽度的变化(通常很小)极为敏感，这样在宽度的测量中即使是存在很小的误差，也会导致泊松比产生相当大的变化【9 1|在大部分皮肤力学性能的模拟和数值实验计算中，对泊松比进行了各种假定：将泊松比分别取为o 3【7 4，1 4 9 1，o 3 3【1 5，o 4【1 5 1，l 砌，O 4 8【1 2 3 1，0 4 9 5 1 5 3】和0 5 1 1 2 1，1 5 4，1 5 5 1 在实验测量方面，L e e 8 等人【1 5 6】测量了母牛乳头皮肤的单轴和双轴泊松比，发现泊松比是各向异性的，井由试样的长宽比所决定当应变值小于o 1时，双轴实验测得的母牛乳头皮肤的泊松比远大于1 O 因此，在力学上可将皮肤视为开放的神经纤维网，而不是某种连续介质A n k e r 8 e n 等人【9 1 1 根据被动应变测量值(忽略厚度的微小变化)计算了猪皮肤的泊松比；泊松比测定值的范围为o o 一1 o，标准差为o 2 5，均值约为0 6 K e n e d i 等人【8 6 l 也指出，泊松比取决于主动应变，并给出了一个人体腹部皮肤的例子：泊松比在低应变下的0 1 和高应变下的1 1 之间变化T i l l e m a n 等人【1 3 2 l 根据在径向长度(定义为径向应变)和组织厚度(定义为轴向应变)上所计算出的变化，得到泊松比为o 4 3 人们发现，猪皮肤的泊松比不是一个常数，而是随所施加的应变和加载速率而变化的【t 5 7 1 在典型的生理加载水平上，泊松比为0 4 5 一o 5 0，变化范围很窄现有的皮肤泊松比数据概括于表5 需要指出表5 皮肤组织的泊松比皮肤o 4猪皮，离体实验背部皮肤，纵向o 一o 5 1(平均值o 卿背部皮肤，横向o 1 8 1 o o(平均值o 5 5)腹部皮肤，纵向o 7 1 一o 9 5(平均值o 踞)腹部皮肤，横向o 5 2 一o 6 0(平均值o 5 7)癌变皮肤o 4 3 士o 1 2皮肤0 4 8皮肤o 4 5 一o 单轴拉伸压缩测量测量数值模拟压缩测量文f 1 5 1，1 弱，1 5 9】文【9 1】文f 1 3 2】文【1 删文【1 5 7 1 万方数据第4 期卢天健等：皮肤的力学性能概述的是，泊松比大于O 5 的情况(表明张力下的体积减小)在三维连续介质中是不会出现的表5 中的泊松比值仅仅是可能的值，这是冈为皮肤在宏观尺度上被处理为均匀的固体连续介质，而实际上皮肤是一种复合层状介质，由分布在软基体中的相当硬的纤维所组成3 3 压缩系数体积压缩系数定义为y(y P)，这里y是在保持温度恒定、受到压力P 的情况下，体积y 的变化在直接压缩载荷作用下，当压力为o 3 M P a 时，皮肤将会失去超过一半的水分【1 6 v o nG i e r k e【1 6 2】发现，人体的软组织(皮肤、皮下组织和内脏)具有0 3 8m 2 G N 的体积压缩系数r t h 和G i l b 8 0 n【1 6 3】在人体皮肤上获得了类似的值(o 3 0m 2 G N)，这说明人体皮肤的可压缩性不如蒸馏水(O 4 6m 2 G N)这些结果表明，皮肤在受到约束的条件下是相当难压缩的根据N o r t h 和G i l b s o n【1 6 3】的实验结果，v 0 8 8 0 u g h i 和V 豳h n a v【1 6 4】计算了皮肤的剪切模量(假定泊松比为o 5)和体积弹性模量，发现皮肤的体积弹性模量比剪切弹性模量要高2 3 个量级，从而认为在皮肤力学的解析和实验研究中，皮肤组织可以视为不可压缩的尽管有人认为对于拉伸加载条件而言，可以忽略皮肤本构模型中软组织的压缩系数”9 2 1，但是也有人发现猪皮肤在承受压力时是可压缩的即使在无侧限压缩状态，猪皮肤试样的体积也是随压缩变形量的增加而变化的 1 5 7 1 w u 等人 1 5 7 1发现，虽然猪皮肤的压缩系数很小，但它的体积压缩率却是压应力的非线性函数，并且随加载速率而变3 4 强度强度包括抗压强度、抗拉强度和抗剪强度，它们分别反映了压缩、拉伸和剪切应力的极限状态在这些强度指标中，材料的抗拉强度是最常用的，定义为材料在破坏前所能承受的最大拉伸应力皮肤的强度已经被用作康复过程的一个指标例如，疤痕组织的创伤康复程度正比于其力学强度【1 65 1 H o w e s 等人【1 6 6】对有创伤和无创伤的皮肤进行了强度确定实验，随后S a n d b l o m【1 6 7“1 6 9】对此实验进行了改进B e c k w i t h 等人1 1 7 0】和G l a s e r等人【1 7 1】提出了通过单轴测量最大应力、输入功、最大刚度和最大轴向应变来确定疤痕组织强度的标准化方法，这一方法在随后的工作中已经成为最常用的方法【1 6 1 7，5 2，1 3 5，1 4 2，1 7 2，l 倒J a 珊e n和R D t t 沁r 1 1 3 3，1 7 4 l 提供了大量的尸体皮肤在破坏时的受力和伸长方面的实验数据，从这些数据中可以看到，不同年龄组中和不同年龄组之间的破坏值差别很大G a d d 等人【1 7 5 l 研究了在不同加载速率和边缘形状下皮肤的强度及其抵抗破坏的能力，提出：对于用金属利刃刺穿的皮肤来说，主要的破坏模式是拉伸破裂，而不是剪切(切割)作用V e r o n d a 和、；v 商t m a I l n 1 叫研究了拉伸试样收缩截面的破坏情况，发现破坏模式是表皮的破裂和层状真皮的同时蠕变破坏这种情况可归因于真皮有比表皮更好的延伸性皮肤抗拉强度的典型值范围2 5 1 6 M P a【1 0 1 1 抗拉强度随皮肤位置和试样尺寸【l7 6】而变化，并且主纤维方向的抗拉强度要高于其他方向的抗拉强度【1 3 3，1 7 7，1 7 剐，男性皮肤的抗拉强度要高于女性皮肤的抗拉强度1 1 7 7】人们相信抗拉强度随着年龄的增长而提高【1 0 1，1 3 3，1 3 6，1 7 7，1 7 9 l，尽管也有相反趋势的报道1 1 8 0 J 抗拉强度似乎与应变速率无关，但是在不同的应变速率下，应变量却有显著的变化【1 8 1 1 在长时间的蠕变实验中，皮肤也会在相当低的应力(只有抗拉强度的1 5)下发生破坏【1 7 8，1 7 9，1 8 2 1 皮肤的抗拉强度主要取决于胶原质结构的交联和尺寸 t 8 3，埔4 1 但是，皮肤破坏时的延伸量却与胶原质交联被打破的稃度无关f 1 8 l f，这意味着当皮肤在应力作用下发生变形时，载荷就直接作用在了胶原质纤维网络上【1 8 引皮肤的破坏可能是由纤维束的破断或滑移造成的，也可能是由这二者共同造成的 1 8 1|研究发现，皮肤的机械强度随着年龄的增长所发生的变化，与皮肤中胶原质成分的变化有关【l 叫据报道，人类腹部皮肤的横向破坏应力值为3 一1 4 M P a(男性)和4 1 3 M P a(女性)，而破坏时对应的应变值范围则为1 6 2 0(男性)和1 5 2 3(女性)【”3，17 4】这些值在不同个体之间和不同年龄组之间差别很大，而在不同性别之间似乎差别相对较小结缔组织和皮肤的基本抗拉强度与胶原质原纤维的统计平均直径正相关【1 8 6 1 现有的皮肤强度试验测量值见表6 万方数据力学进展2 0 0 8 年第3 8 卷表6 皮肤组织的强度试样强度麻变方法参考文献人类前额皮肤老鼠背部皮肤处理2d 后对照氨基氰化甲烷1 0 0 n l g k g，口服乙酸脱氢皮质醇5 m g k g，皮下注射氨基氰化甲烷1 0 0m g k gU 服+乙酸脱氢皮质醇5 H l g l【g 皮下注射处理后1 0d对照氨基氰化甲烷1 0 0 m g k g，口服乙酸脱氢皮质醇5 m g 蝇皮下注射。氨基氰化甲烷1 0 0m g l【g口服+乙酸脱氢皮质醇5 m g k g 皮下注射人类上背部角质层，离体实验在水中水化2 h未处理，相对湿度o 未处理，相对湿度8 4 未处理，相对湿度1 0 0 水抽出量，相对湿度o 水抽出量，相对湿度8 4 水抽出量，相对湿度1 0 0 醚抽出量，相对湿度o 醚抽 f j 量，相对湿度8 4 醚抽出量，相对湿度1 0 0 醚抽出量+水抽出量，相对湿度o 4 6 M P a5 4 0 5 3 9M P a0 5 0 3 M P aO 6 6 9M P aO 6 4 4M P a0 5 5 8M P aO 4 1 2M P a1 1 7 1 M P a1 1 1 2 M P a醚抽出量+水抽出量，3 9g相对湿度8 4 醚抽出量+水抽出量，匏g相对湿度1 0 0 老鼠侧腹部皮肤，离体实验拉伸单轴拉伸文【1 8 7】文【1 3 5】文【1 4 2】幸单轴拉伸文【1 删(来自文献中的图4)试样宽度为2 m m，厚度未给出冁慨鳜麟鸲埔瑁拢n 璩埔嚣ggggggggg”加加孔的船；n 万方数据第4 期卢天健等：皮肤的力学性能概述表6 皮肤组织的强度(续)对照6 2 M P a1 0 0 0r a I d 5 0 d5 7 M P a2 0 0 0 r a d。5 0 d3 8 M P a3 0 0 0 r a d 5 0 d1 9 M P a对照7 1 M P a1 0 0 0 r a d 1 2 0 d6 8 M P a2 0 r a d 1 2 0 d4 5 M P a3 0 0 0 r a d 1 2 0 d1 2 M P a人类胸、颈处皮肤人类腹、背、臂、足部皮肤人类腿、手部皮肤人类脸、头、外生殖器处皮肤人类女性乳房皮肤离体实验对照1 0 5 0 r a d2 1 0 0 r a d3 5 0 0 r a d5 2 0 0 r a d皮肤青蛙皮肤，离体实验雄性雌性猪皮肤，离体实验背部，纵向背部，横向腹部，纵向腹部，横向扩展前猪皮肤，离体实验扩展后扩展前狗背部皮肤，离体实验扩展后老鼠背部皮肤，离体实验对照卵巢切除3 个月后的皮肤狗肋部皮肤，离体实验胎儿鼠皮肤(2 0 一2 5 周大)1 1 M P a9 5 M P 87 3 M P a3 7 M P 82 7 1 M P a2 4 5 M P a1 5 3 M P a8 0 M P a9 1 M P a2 一1 5 M P a1 5 1 6 5M P a1 1 5 M P a5 9 一6 3 1 0 2 一1 2 6 7 2 7 M P a4 2(平均值)(平均值1 5 o)1 2 2 8M P a3 7(平均值)(平均值1 5 2)8 3 0M P a(平均值1 9)3 1(平均值)5 8 M P 89 6(平均值)(平均值6 3)2 5 0 8 2 0k P a1 9 7 4 8 6k P a7 1 5 3 2 M P a4 8 1 8 4 M P a6 5 8 9 5 2(平均值7 8 3 1 M P a8 4 8 1 2 5(平均值9 阳、M P a9 6 7 士O 9 9 M P a4 k P a人类皮肤，离体实验3 士1 5 M P a8 3 5 7 1 惕文【1 鹄】拉伸文【1 8 9】拉伸拉伸文【1 删文【1 3 9】单轴拉伸文【9 1】流变仪分析(剪切应力)文【1 9 1】文【1 叫文【5 2】文【1 6，1 J 7】文【1 9 3】9 5 士1 9(整体)动态拉伸(应变文【1 9 4 19 5 土1 9(局部)速率为5 5 s)万方数据力学进展2 0 0 8 年第弱卷3 5 皮肤的韧性韧性R 定义为材料在破裂前能够吸收的能量，可以通过计算应力一应变曲线下的面积获得有人利用裤子撕扯实验和剪刀剪切实验来研究皮肤的韧性和裂纹生长行为f 1 9 5 1，示意图如图4 所示(8)剪刀剪切实验【1 蚓(b)裤予撕扯实验【l 删图4 破裂实验示意图对通过撕扯实验所测得的非线性弹性对生物材料韧性的影响所进行的理论分析，强调了考虑试样裤腿中的能量储存的重要性【1 9 7 1，这一点得到了撕裂生物组织(包括皮肤)的实际结果的支持【1 9 8】撕扯实验中的裤腿变形对于生物材料的意义，可以通过这项实验中用于计算R 的解析表达式来作出评价【1 9 9】冗=(2 入砀一甄山)式中：t 为试样厚度；A 为在载荷x，作用下试样裤腿的延伸率；为在x f 载荷。卜处裤腿中的应变能量密度；A o 为整个试样的横截面面积式(8)没有假定任何特殊形式的应力一应变行为事实上，眠可以通过测量材料拉伸实验(载荷逐步增加到x，)所得载荷挠度曲线下的面积来确定应当注意的是，试样裤腿中所储存的总应变能既取决于材料的载荷挠度行为，也取决于所用试样的宽度在裤子撕扯实验中，从一片材料上剪下一块长方形试样，并将其沿着纵向长度局部撕开【2 0 0，2 0 1 1 如果裤腿中的能量存储和变形可以忽略，那么当裤腿中的应变很小时，就可以计算出裂口扩展过程中的破裂功来作为撕开裤腿所做的功【1 9 8】R=2 玛t(2)从载荷一挠度图上还可以进行R 的另一项独立的测量相对于常数R，在实验过程中所消耗的总功U 由下式给出U=RA因此，韧性R 可以通过用由载荷挠度曲线下的面积所代表的能量除以裂纹扩展面积A 来计算但是，对于软材料(例如皮肤)来说，试样裤腿的应变并不足够小，因此在计算韧性时必须加以考虑【1 9 刚皮肤也会表现出力学滞后，对于高应变量，实验过程中所做的外功等于材料中的可恢复弹性应变能的假定将不再有效【2 02 1 根据A t k i 璐和M a i【1 9 7】的工作，P e r e i r a 等人【2 0 3 l 进行了剪刀剪切实验，以克服上述裤子撕扯实验的有关问题剪刀剪切实验的示意图如图4所示试样位于打开的剪刀刀刃之间，当给剪刀施加一个力后，试样就被剪开了，此时在剪刀刀刃附近就发生了局部材料变形，闭合剪刀柄所做的功等于扩展切口的断裂功另一种允许切口缓慢穿过角质层试样延伸的实验方法，利用了一种宽度大于长度的试样，即纯剪切儿何形状的试样【5 0 1 4 6 1 表7 列出了由裤子撕扯实验和剪刀剪切实验所测量的各种生物组织的韧性这些实验强调了试样的儿何形状和取向对于韧性测量结果的重要性剪刀剪切实验测量得到的鼠皮的韧性，要比裤子撕扯实验的测量值低一个数量级举例来说，P e r e i r 8 等人f 2 0 3】对于鼠皮韧性的剪刀剪切实验结果就比P l l r 8 l o w【1 9 9】的裤子撕扯实验结果低一个数量级产生这样的差异主要是冈为剪刀刀刃锐利的尖端可以在整个实验过程中使正在延伸的裂纹尖端保持其尖锐度，而与此相反，由于裤子撕扯实验中材料的应变大，所以正在延伸的裂纹尖端变钝P u r s l o w【2 0 0】利用裤子撕扯实验研究了鼠皮韧性对裂纹发展速率的敏感性，发现当实验速度提高二个数量级时(从8 1 0 5m 8 提高到8 l o 一3m s)，韧性值将提高一倍皮肤的韧性与胶原质网络的结