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皮肤正交各向异性及扩张器力学特性对皮肤扩张的影响

来源:用户上传      作者: 范鹏举 龙剑虹 高广军

  [摘要]目的:研究皮肤正交各向异性及扩张器力学特性对皮肤扩张的影响,为临床扩张器置入及扩张皮瓣的设计提供参考。方法:以朗格氏线(Langer's lines)为X轴,Y轴垂直于朗格氏线,测量计算注水前后两轴单位皮肤扩张量,测量分析扩张器囊壁的张力特征。结果:Y轴单位皮肤扩张量注水前后明显大于X轴;扩张器其囊壁在各个方向上单位延展量与其形状有关。结论:皮肤扩张时,在各个方向上扩张效率并不一致,沿朗格氏线方向扩张效率最低,而沿垂直于朗格氏线方向扩张效率最高,扩张期张力特性对皮肤扩张存在较大影响。
  [关键词]正交各向异性;皮肤扩张;扩张器
  [中图分类号]R622 [文献标识码]A [文章编号]1008-6455(2012)03-0369-03
  
  The skin's orthotropy and the tension character of the tissue expander affect the expanding of the skin
  FAN Peng-ju1,LONG Jian-hong1,GAO Guang-jun2
  (1.Department of Plastic & Aesthetic Surgery,Xiangya Hospital of Central South University,Changsha 410008,Hunan,China;2.School of Traffic And Transportation Engineering of Central South University)
  
  Abstract: Objective Investigate how the skin's orthotropy and the tension character of the tissue expander affect the expanding of the skin, and to suggest how to embed the tissue expander and to design expanding flap. Methods The coordinate was constructed with Langer's line as the X-axis and the Y-axis perpendicular to the Langer's line. The quantity of the expanded skin was measured before and after injecting saline. The stress character of the wall of the tissue expander was also measured and analyzed. Results The expanded skin per unit in the Y-axis orientation is more than in the X-axis. The per unit extending quantity of the wall of the tissue expander is related to the shape of the tissue expander. Conclusion There is different skin expanding efficiency in the different orientations when the skin is expanded because of the skin's orthotropy. Generally, the minimum skin expanding efficiency lies in the langer's line, while the maximum in the line perpendicular to the former. The tension character of the tissue expander has large effect on the skin expanding.
  Key words:orthotropy;expanding of skin;tissue expander
  
   皮肤软组织扩张技术应用已有30余年的历史,它的出现及发展对推动现代整形外科发展具有重要推动作用,国内外学者对其进行了大量的临床及实验研究。皮肤具有张力正交各向异性,这一特性及扩张器自身力学特性对皮肤扩张影响如何,文献未见类似报告。
  
  1 资料
   以我科2009年3~5月采用皮肤扩张治疗的患者为研究对象,共5名,年龄8~26岁,男女不限,扩张部位为颈部、额部、及面部,共11个扩张器,扩张器总注水量不超过其标准容量;另外取11个扩张器体外注水测量。
  
  2 测量方法
  2.1 注水前后X-轴及Y轴的单位皮肤扩张量:扩张皮肤上建立坐标轴,以朗格氏线为X-轴(注:朗格氏线和Borges 提出的松弛皮肤张力线类同,且Borges方法简单易用,所以采用Borges方法确定朗格氏线)[1],垂直于朗格氏线的线条为Y-轴,于X-轴及Y-轴上各取两点,扩张器注水前后在可弯曲、伸展性小的纸片上标记两点间距离,游标卡尺分别测量纸片上注水前后两点间距离,计算扩张前后两点间距的变化及X-轴及Y轴上的单位扩张量。图1。
  2.2 体外扩张器囊壁各个方向的单位延展量:扩张期注水,当达其标准容量后,再适当注水20~40ml,类似在体测量分析方法,于扩张器囊壁表面确定其中心点,并以扩张器短轴建立为X-轴,长轴建立为Y-轴,分别在X、Y轴上标记两点,并测量之间距离,然后注水扩张50~100ml,再次测量X-轴及Y轴标记点之间的距离,分别计算扩张前后两点间距的变化及X-轴及Y轴上的单位扩张量。
  
  3 结果
  3.1 注水前后X-轴及Y轴的单位皮肤扩张量:如表1所示,12组配对数据,Y轴上单位皮肤扩张量大于X轴方向上的单位皮肤扩张量,采用spss15.0进行配对t检验,P=0.0134,说明在朗格氏线方向上的皮肤扩张效率小于垂直于朗格氏线方向上的扩张效率。
  3.2 体外扩张器囊壁垂直方向的单位延展量:笔者将圆形扩张器与其他形状扩张器(柱形、矩形、肾形)分开比较。如表2、表3所示,采用spss15.0进行配对t检验,圆形扩张器在垂直方向上单位延展量没有明显差异,P=0.845;而其他形状的扩张器,长轴及短轴方向上的单位延展量有明显差异,P=0.00959,短轴方向上延张效率明显高于长轴。
  
  4 讨论
  4.1 Langer于尸体皮肤制作圆形皮肤缺损,发现皮肤缺损最终由圆形变为椭圆形,其机制在于网络纤维(胶原及弹性纤维组成的纤维网络)趋向于沿延伸性最小方向排列,在朗格氏线方向,皮肤的延伸性较小,张力较大。进一步研究表明,皮肤张力在各个方向上并不相同,皮肤具有各向异性。事实上,典型的皮肤是正交各向异性[2-3],正交各向异性指的是存在关于二个垂直面的对称性。Reihsner R等对不同部位皮肤在各个方向上的张力进行了详细研究,发现皮肤最大大张力线和朗格氏线成角一般在±10°之内,可近似的将朗格氏线等同于皮肤最大张力线,在垂直于最大张力线方向,皮肤张力最小。由于存在正交各向异性,皮肤在相同外力作用下,在各个方向上的延展性亦不同[4],而且不同部位的皮肤各向异性亦不相同[5-6],相同部位的皮肤张力也会随年龄、机体环境变化而变化[7-8]。

  4.2 扩张器在注水达其标准容量之前,由于其内容不足以将扩张器囊壁完全支撑,囊壁未被伸展,皮肤在各个方向上的扩张程度、甚至其在皮肤上所表现出的外形应主要决定于皮肤自身力学特性及囊腔基底形状。在本实验中,笔者可发现:沿X线方向上平均单位皮肤扩张量不到Y线上的3/4。综合以上分析,当扩张器植入注水扩张时,由于皮肤在各个方向上的张力特性并不相同,皮肤扩张程度在各个方向上亦就不同,张力较小的其延展较多,而张力较大的延展较少。此外,皮肤张力蠕变是扩张器的临床应用基础之一,皮肤在张力持续作用下发生蠕变,张力持续一定时间后再次扩张,皮肤会在已发生蠕变的基础上产生新的蠕变,由于每次平行于朗格氏线和垂直于朗格线上皮肤扩张效率不一,其差别逐渐累积,在皮肤扩张完成后两者的差距就非常可观了。所以,当植入扩张器时,需要考虑皮肤正交各向异性对皮肤扩张的影响,尤其注水量在扩张器标准容量之下时。
  4.3 但临床实际中,扩张器注水有时会超过其标准容量,此时扩张器的力学特性对皮肤扩张的影响必须考虑。因为一旦注水超过扩张器自身标准容量,囊壁伸展,囊壁受到切线张力,这时扩张器的力学特性将对皮肤扩张产生影响,研究发现,当扩张器注水超过自身标准容量之后,圆形扩张器在各个方向上其在相同张力下,其单位延展程度是相同的,但在柱形、肾性等扩张器情况就不同了,在纵轴上其单位延展度明显小于横轴上的单位延展度。为什么会有这样的结果?扩张器所采用的材料硅橡胶是张力各向异性?如是各项异性那么圆形扩张器在各个方向上的延展程度应该不同!事实上临床上所采用的扩张器基本上都是张力各向同性,厂家证实扩张器是张力各向同性。柱形、肾性等扩张器为什么在各个方向上的单位延展度不同呢?其实,根据势能最小原理,只要囊壁有足够的延展性,各种形状的扩张器其注水扩张极限形状都是球形,这就解释了为什么横轴延展程度较大的原因。当扩张器注水超过其自身标准容量之后,皮肤扩张就不单纯决定于皮肤张力特性,此时扩张器囊壁的张力特性亦要考虑,势能最小原理对扩张器囊壁本身及皮肤自身扩张都有影响,包括扩张器未达标准容量之前。可以推测,如果扩张器横轴与朗格氏线垂直,那么无疑沿垂直于朗格氏线方向上的皮肤扩张效率要远高于朗格氏线方向上的皮肤扩张效率。
  4.4 总之,皮肤扩张所受的影响因素较多,如年龄、皮肤质地、皮下腔穴的大小、重力、周围有无影响扩张器自由伸展的因素等等,而且生物学因素可能影响更是巨大。笔者由于实验条件及时间的限制,仅得出一些初步结论,一些细节仍需深入研究。此外,硅橡胶能否采用特殊工艺制作为张力各向异性,由此可实现某种程度上的定向扩张,也可能是今后扩张器制作工艺上的一个选择。
  
  [参考文献]
  [1]Borges A F.Relaxed skin tension lines(RSTL)versus other skin lines[J]. Plast Reconstr Surg,1984,73: 144- 150.
  [2]Lanir Y, Fung Y C. Two-dimensional mechanical properties of rabbit skin. I. Experimental system[J].J Biom ech,1974, 7(1): 29-34.
  [3]Flynn DM, Peura GD, Grigg P, Hoffman AH. A finite element based method to determine the properties of planar soft tissue[J].J Biomech Eng Transact Asine,1998,120(2): 202-210.
  [4]Stark HL. Directional variations in the extensibility of human skin[J]. Br J Plast Surg,1977,30(2):105-114.
  [5]Reihsner R, Menzel EJ. On the orthogonal anisotropy of human skin as a function of anatomical region[J].Connect Tissue Res,1996,34(2):145-160.
  [6]Ankersen J, Birkbeck AE, Thomson RD, et a1.Puncture resistance and tensile strength of skin simulants[J].Proc Inst Mech Eng,1999,213(6): 493-501.
  [7]Escoffier C,de Rigal J, Rochefort A,et al. Age-related mechanical properties of human skin: an in vivo study[J].J Invest Dermatol,1989, 93(3):353-357.
  [8]Alexander H, Cook T. Variations with age in the mechanical properties of human skin in vivo[J].J Tissue Viability, 2006, 16(3):6-11.
  
  [收稿日期]2011-10-13 [修回日期]2011-12-26
  编辑/张惠娟


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