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压荷载作用下温度引起的皮肤粘弹行 为变化 1 1 1 2 1 * 周斌 苏景鹤 陈常青 徐峰 卢天健 1 强度与振动教育部重点实验室，航空航天学院， 西安交通大学，西安 710049 中国 2 Harvard-Massachusetts Institute of Technology Health Sciences and Technology, Harvard Medical School, Cambridge, MA, USA. 摘要：软组织，如软骨，血管，皮肤的力学性能已被广泛研究。皮肤组织的热力学行为的表征具有非 常重要的意义，并有助于各种医疗应用。然而，对依赖软组织力学行为的温度研究比较少。本文研究了皮 肤和皮下组织作为一个整体在不同温度和加载速率条件下的粘弹性行为，讨论了热伤害对组织行为的影响 以及加载过程中其内部的改变。结果表明温度对皮肤组织的粘弹性行为有重大影响，并且组织的恢复时间 随加载速率的增加大大减少。迟豫特性的变化主要是由于加载过程中组织内部结构的变化和水合作用引起 的。 关键词：软组织，温度，粘弹行为，加载速率 * 联系作者: Tel: +86-29 fax: +86-29 E-mail: tjlu@mail.xjtu.edu.cn 1. 概述 作为人体最大的器官，皮肤在诸如保护人体免于外界伤害（包括化学的和机械的）中发 挥许多作用，它也是人体和外界的桥梁。通过皮肤我们感受到温度的变化，接触到物体，甚 至减轻了诸如被球击中和车祸这样的外部机械冲击。激光，微波和相关领域的发展使医生利 用这些工具治疗像皮肤癌这样的疾病成为可能。但在治疗过程中，热力学耦合常被忽略，尽 管着可能非常重要[1-3]。相关主题的研究对优化治疗将是有益的。 在大多数情况下，皮肤都处于受压状态，比如脚跟垫以及当我们触摸东西时的指尖。皮 肤压缩状态下的力学行为是非线弹性的，是粘弹性的。这在一些研究中已经考察过[4-6]。先 前的研究发现负荷率，水量，预处理都对粘弹性行为有影响[7-9]。考虑到皮肤刺破和车祸的 情况，一些研究人员甚至研究了高变形率下的动力学行为[10, 11]。另外还发现压疮部分是 由于压力长时间作用域局部区域[12-15]。皮肤压缩力学性质的研究有助于这些问题的解决。 皮肤主要是由表皮，真皮和皮下脂肪构成，其中，胶原占真皮干重的 70%，皮下组织 主要是由大分子构成。随着温度的上升，胶原结构在温度升至一定水平时将发生改变[16]。 在加载过程中，皮肤的水化作用也会发生变化。到目前为止，关于软组织（比如软骨和骨） 热相关力学性质的已发表的研究论文仍然很少[17, 18] 。 2. 实验材料与实验方法 2.1 试样制备 由于猪皮和人皮肤相似性，并考虑到猪后背皮很厚，所以本文选用其做压缩试验试样。 为了保护临近的皮肤和皮下组织，在屠宰后的几分钟内，猪后背的和脊柱平行，深至肌肉的 皮肤样本被迅速切下。然后，样本被带回实验室并进行处理，整个试验在 12 小时内实施。 样本用定制的内径为 12mm 的圆形利刀准备。移除肌肉，皮肤成和皮下脂肪作为试验的样 本。整个准备工程在 4℃的 Krebs-Henseleit Ringer (KHR, pH 7.4)溶液中进行，以保持样本活 性，并且采取措施将样本所受的机械损伤减至最小。 2.2 测试过程 试验使用一台改进过的 Instron 5848 系列仪器，其增加了一个定制的温度可控的生物池。 系统示意图见图 1。简短起见，这儿给出简单介绍。为了将界面间的摩擦最小化以获得自由 边界条件，在样品投入容器中间前，先给压头表面涂上润滑剂。为了将系统误差减到最小， 把样本放到试验容器的中心。测试开始之前样品被预加载到 0.01N 来模拟在体时的应变状态 以及确保完全接触。我们在五种不同的加载率下来进行实验研究加载率对软组织松弛过程的 影响。在实验过程中我们使用生物浴将环境温度严格控制，精确度为 0.05℃.实验过程中涉 及了六种