（材料科学与工程专业论文）活体兔皮肤滑动摩擦损伤及自修复适应性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在日常生活中，人体皮肤离不开与周围环境的摩擦接触，从而产生许多 皮肤摩擦学问题。了解和掌握皮肤的摩擦学特性对于劳动生活用品和生物医 疗器械的开发、皮肤摩擦损伤的防止及皮肤摩擦接触舒适性的改善具有很重 要的理论意义和现实意义。 本文在自制的s t - 1 型往复滑动皮肤摩擦试验机上，采用面一面接触模式， 对活体兔皮肤进行了在体摩擦试验。模拟不同频率和损伤修复次数条件下皮 肤对外界环境的适应情况。并对人体正常皮肤、残肢皮肤、活体兔皮肤与假 肢材料( 丙烯酸树脂) 在不同载荷下的摩擦性能进行对比研究。通过使用光 学显微镜( l e i c a ，d m r x ) 对兔皮肤组织结构和生理反应等进行了详细的观察 和分析。初步建立了兔皮肤在摩擦环境中不同频率和摩擦损伤修复次数下皮 肤组织病理性变化规律。这些分析结果为假肢穿戴者的恢复治疗制定合理的 恢复计划提供了理论依据。本论文的主要结论如下： 1 摩擦学试验结果显示，各类皮肤与假肢材料之间摩擦系数均随载 荷增大而逐渐减小。在不同载荷下，活体兔皮肤与假肢材料( 丙烯酸树脂) 的摩擦性能与人体正常皮肤和残肢皮肤的摩擦性能相似，因此可以应用活体 兔皮肤来模拟人体正常皮肤和残肢皮肤的摩擦损伤修复过程。 2 在皮肤与外界摩擦环境中，随着摩擦损伤修复次数的增加，兔皮 肤中的毛囊和皮脂腺损伤程度越来越重，表明毛囊和皮脂腺在上述工况下对 外界摩擦环境的适应性较差。未受损的兔皮肤在初次受到外界摩擦磨损后， 炎性细胞数量较多、痂皮厚度较大，兔皮肤的受损程度较重。受损皮肤经过 一周的自修复，再次受到外界摩擦后，与初次受损相比，炎性细胞数量明显 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 降低、痂皮也不再产生，以后数次受到外界摩擦后，炎性细胞数量与第二次 摩擦损伤时相近，也不产生痂皮，表明皮肤组织通过自身的修复性而对外界 摩擦环境产生较好的适应性。 关键词：活体免皮肤；滑动摩擦：损伤；病理性；自修复 西南交通大学硕士研究生学位论文第i 页 a bs t r a c t i ne v e r y d a yl i f e ，h u m a ns k i no f t e nr u b so no t h e re x t e r n a ls u r f a c e s ，w h i c h h a sc a u s e dm a n yf r i c t i o np r o b l e m s u n d e r s t a n d i n gt h et r i b o l o g yp r o p e r t yo ft h e s k i nw o u l dh e l pt od e v e l o pl i v i n ga n dw o r k i n gi m p l e m e n t sa n db i o m e d i c a l d e v i c e s ，a v o i df r i c t i o n a lt r a u m aa n di m p r o v ec o m f o r t n e s so ft h es k i n r a b b i ts k i nh a sb e e nt e s t e di n v i v ou n d e rf i a t - o n - - f l a tc o n t a c tu s i n ga h o m e m a d es t - ir e c i p r o c a ls l i d i n gs k i nf r i c t i o nt e s t i n ga p p a r a t u s t h ee f f e c t so f d i f f e r e n tt r a u m a t i cn u m b e r sa n dr e c i p r o c a ls l i d i n gf r e q u e n c yo nt h es e l f - r e p a i r i n g a d a p t a b i l i t yo fr a b b i ts k i nu n d e rt h ef r i c t i o n a l c o n d i t i o nw e r ei n v e s t i g a t e db y u s i n gar e c i p r o c a ls l i d i n gs k i nf r i c t i o n a lt e s t i n ga p p a r a t u st os i m u l a t ep r o s t h e s i s g a i t f r i c t i o nt e s t w e r ep e r f o r m e do nt h el ts k i no fn o r m a lv o l u n t e e r s ，t i b i a a m p u t a t es k i no fd i s a b l e dv o l u n t e e r sa n dr a b b i ts k i n s a tv a r i o u s l o a dw i t h p r o s t h e t i c sm a t e r i a l ( a e r y l a t e ) t h ed e t a i l e do b s e r v a t i o n sa n da n a l y s i so ft h es k i n h i s t o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dp h y s i o l o g i c a lr e s p o n s ew e r ec o n d u c t e db yu s i n go p t i c a l m i c r o s c o p e ( l e i c a d m r x ) t h er u l eo ft r a u m a sg r a d ea n dp a t h o l o g i c a lr e a c t i o n s w e r ep r i m a r i l ye s t a b l i s hu n d e rd i f f e r e n tt r a u m a t i cn u m b e r sa n dr e c i p r o c a ls l i d i n g f r e q u e n c yi nt h ef r i c t i o n a lc o n d i t i o n t h ea n a l y s i sr e s u l t sp r o v i d eat h e o r e t i c a l b a s i so fm a k i n gu par e a s o n a b l es c h e d u l ef o rt h er e h a b i l i t a t i o no ft h ea m p u t e e m a i nc o n c l u s i o n sa r ed r a w na sf o l l o w s ： 1 f r i c t i o nt e s tr e s u l ts h o w st h a t ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nd i f f i c u l t s k i na n dp r o s t h e t i c sm a t e r i a l ( a c r y l a t e ) d e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fn o r m a l l o a d f r i c t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e n r a b b i ts k i na n dp r o s t h e t i c sm a t e r i a lr e s e m b l e t h eo n e sb e t w e e nt h el ts k i no fn o r m a lv o l u n t e e r s ，t i b i aa m p u t a t es k i no f 西南交通大学硕士研究生学饿论文第页 d i s a b l e dv o l u n t e e r sa n dp r o s t h e t i c sm a t e r i a l s o ，t h ec o u r s eo ft r a u m a sa n d s e l f - r e p a i ro fr a b b i ts k i nc a ns i m u l a t et h eo n e so ft r a u m a sa n ds e l f - r e p a i r so f n o r m a lv o l u n t e e r sa n dt i b i aa m p u t a t es k i n 2 t h ef r i c t i o nc o n d i t i o n ss h o w e dr e m a 呔a b l ee f f e c t so n 叛es k i nt r a u m a s g r a d e a n dp a t h o l o g i c a lr e a c t i o n s t h et r a u m a sg r a d eo fh a i rf o l l i c l ea n d s e b a c e o u sg l a n dc a u s e db yr e c i p r o c a t i n gf r i c t i o no nr a b b i ts k i ne n h a n c e dw i t h i n c r e a s i n gt r a u m a t i cn u m b e r sa n dr e c i p r o c a ls l i d i n gf r e q u e n c i e s t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h es e l f - r e p a i r i n ga d a p t a b i l i t yo fh a i rf o l l i c l ea n ds e b a c e o u sg l a n di s b a dl a n d e rf r i c t i o n a lc o n d t i o n 。t h es k i nt r a u m a sw a st h em o s ts e r i o u si nt h ef i r s t t i m e ，h a v i n gt h et h i c ks c a bo ft r a u m a t i cs k i na n dm a n yn u m b e ro fi n f l a m m a t o r y c e l l s 。t h en u m b e ro fi n f l a m m a t o r yc e l l so ft h et r a u m a t i cs k i ni nt h es e c o n db yt h e a c t i o no fs e l f - r e p a i r i n gi sf e w e rt h a nt h eo n e so ft h eh e a l t hs k i ni nt h ef i r s tt i m e u n d e r 氇ef r i c t i o n a lc o n d i t i o n 。t h es c a bh a v e n tb e e n t h er e s u l t sh a v er e s e m b l e c h a r a c t e r si nt h ef o l l o w i n gt i m e si nc o n t r a s tw i t ht h er e s u ti nt h es e c o n d t i m e 。t h ec o n c l u s i o ns h o w e dt h a tt h es k i nh a v eag o o da d a p t a t i o nt of r i c t i o n c o n d i t i o nb yt h ea c t i o no fs e l f - r e p a i r i n g k e y w o r d s ：r a b b i ts k i n ；s l i d i n g ；t r a u m a s ；p a t h o l o g y ；s e l f - r e p a i r i n g 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密够使用本授权书。 ( 请在以上方框内打q ，) 学位论文作者签名：搬r 乒指导老师签名： 日期：刃d 1 周朔 日期： 。匀叩高 乙1 矿 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在周仲荣导师指导下独立进 行研究工作所得的成栗。除文中已经注明引用的内容癸，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 重逶过对兔皮肤和人体皮肤的摩擦学特性对比研究，为模拟人体皮肤 的摩擦损伤提供摩擦学研究方法。 2 介绍了不网摩擦损伤修复次数下，兔皮肤的摩擦损伤情况，得出了 兔在摩擦损伤环境下的摩擦损伤修复特性，并为残疾人群的穿戴假 肢过程中的损伤修复提供参考。 式隧矿 l 爿。驴 f 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 摩擦学问题的产生 在自然界中人和动物机体都离不开摩擦学问题，无论做事还是抬腿行 走，机体各部位的关节都要运动，彼此之间都会产生摩擦。例如，人靠脚与 地面摩擦才能行走；手掌通过摩擦才能抓握物体进行日常活动等。同样人体 内部器官和人工器官的摩擦学现象也经常存在。因此，生物摩擦学问题的研 究十分重要，它与人类的生活质量密切相关。 皮肤摩擦学是生物摩擦学体表类的一个重要研究对象，涉及的生物器件 主要为人类的皮肤 1 】。皮肤是人体最大的组织，其覆盖全身，使体内各种组 织和器官免受物理性、机械性、化学性和病原微生物性的侵袭，是人体抵御 外界环境的第一道防线，同时也参与人体的代谢过程，其健康与否关系着人 体的健康和生命的保护。人体皮肤具有新陈代谢的特性，在摩擦过程中具有 自我适应和自我修复能力。在日常生活中，皮肤的擦伤起泡、皮肤与衣服接 触摩擦的舒适性等都是皮肤摩擦学现象；在康复医疗中，脊柱和颈椎的矫形 支架和皮肤的摩擦、假肢接收腔和残肢之间的摩擦等也属于皮肤摩擦学问题。 因此，控制皮肤摩擦是降低手脚摩擦损伤、提高衣着舒适性和假肢适用性以 及开发高品质护肤品的重要基础。 皮肤组织不同于无生命的常规材料，其在摩擦过程中会表现出自我适应 和自我修复；另外人体不同部位皮肤的弹性模量等力学性能差异较大，其形 状一般不是绝对平面，这将影响皮肤摩擦学研究中工况的精确确定，因此与 无生命的常规摩擦学材料相比，皮肤摩擦学研究显得更加复杂。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 1 皮肤的组织结构与功能 1 皮肤的组织结构 皮肤是被覆于人体表面的组织【2 1 ，是人体最大的器官，在e l 、鼻、肛门、 尿道口、阴通口等体表各腔、孔处与体内管腔黏膜相移行。成人的皮肤总面 积约1 5 - 2 m 2 ，占体重的1 6 左右。皮肤的厚度随年龄、部位不同而厚薄 不一，不包括皮下组织，其平均厚度一般为0 5 - - 4 m m ，其中掌( 跖) 处、枕后、 项背、臀部较厚，眼睑、腋窝、乳房、外阴等部位较薄。 皮肤表面有凹下的沟纹称皮沟，多角形的凸起称皮嵴，它们共同组成皮 纹。指( 趾) 纹和掌( 跖) 纹具有持征性图形，其受遗传因素决定，个体之间均 有差异，终生保持不变，故可用于个体鉴别，在指纹鉴定和遗传学上有重要 意义。 皮肤的颜色因种族、年龄、性别及部位的不同而不同，与遗传有关。 皮肤由表皮、真皮和皮下组织构成 2 1 ，其组织结构见图1 - 1 ，其间除有毛 发、汗腺、皮脂腺、指( 趾) 甲等附属器外，还有丰富的血管、淋巴管、神经 和肌肉。表皮：表皮位于皮肤浅层，由分层排列、构成表皮主体的角质形成 细胞和数量很少、散在于角质形成细胞之间的非角质形成细胞所组成，届复 层鳞状上皮。角质形成细胞自表皮基底部逐渐向上分化，具有合成角蛋白的 功能，最终形成角质蛋白脱落。正常情况下，表皮每3 - - - - 4 周完全更换一次。 表皮由深至浅依次分为基底层、棘层、颗粒层、透明层、角质层。 真皮：真皮位于表皮下方，由胶原纤维、弹性纤维、细胞和基质组成的 致密结缔组织构成，分为乳头层和网状层。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 襄盛 宴盛 应f 巷 揪 肌 昧 艘 卧敷 翻l - i 度肤组织结构i 2o 皮下组织：皮下组织位于真皮之下，又称浅筋膜，由疏松结缔组织和脂 肪小叶构成，其厚度随年龄、性别、部位和个体的营养状态不同而有较大差 异。此层内含有汗腺、毛囊、血管、淋巴管及神经等，具有保温、缓冲、贮 存能量等作用。 皮肤的附属器：皮肤的附属器包括毛发、皮脂腺( 见图l 一2 ) 、汗腺和甲 等。 2 皮肤的功能 人体皮肤的作用非常重要，除有保护、感觉、吸收、分泌、排泄和调节 体温等生理功能外，还参与各种物质的代谢和机体的免疫。 ( 1 ) 屏障作用：皮肤一方面保护机体内各种器官和组织免受外界环境中机 械的、物理的、化学的和生物的等有害因素的损伤，另一方面防止组织内的 各种营养物质、电解质和水分的丧失。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 图1 2 皮脂腺x 2 0 1 ” ( 2 ) 感觉作用：皮肤内分布有感觉神经及运动神经，以感知触、冷、温、痛、 压和痒等各种感觉，引起相应的神经反射，维护机体的健康。 ( 3 ) 调节体温作用：皮肤是体内热量散发的重要组成部位，可以通过皮肤血管 收缩、立毛和排汗等形式来调节体温，也可以通过辐射、对流、传导和蒸发 等物理方式来散发热量。 ( 4 ) 吸收作用：皮肤具有通过角质层、毛囊、皮腊腺和汗管吸收外界物质的能 力，这对维护身体健康是不可缺少的，同时也是现代皮肤科外用药物治疗皮 肤病的理论基础。 ( 5 ) 分泌和排泄作用：皮肤具有一定的分泌和排泄功能，这主要是通过汗腺分 泌汗液，皮脂腺排泄皮脂进行的。排汗具有散热降温、保护皮肤、排泄药物 以代替肾脏部分功能等作用；皮脂具有形成皮表脂质膜、润泽毛发及皮肤的 作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 1 2 皮肤摩擦学问题 皮肤摩擦学是人体摩擦学体表类的一个重要研究对象。人体皮肤具有新 陈代谢的特性，在摩擦过程中会表现出自我适应、自我修复的过程，因此与 无生命的常规摩擦学材料相比，皮肤摩擦学研究显的更加复杂【1 1 。 在医学中，人们十分注意皮肤与一些医疗器械之间的摩擦学问题，例如脊 柱和颈椎的矫形支架和皮肤之间、假肢接受腔和残肢之间、糖尿病患者足底 防溃疡衬垫与脚底之间的摩擦学问题等等，因此在这些界面上摩擦学设计的 失误，将导致患者放弃使用这些医疗器械，从而失去临床作用【5 】。在日常生 活中，由于劳动、锻炼、保暖、保健、美容等需要，人体皮肤离不开与其他 多种材料的接触摩擦，也产生许多皮肤摩擦问题，如：皮肤与劳动生产工具、 体育用品等的擦伤起泡现象，皮肤与纺织纤维材料接触摩擦的舒适性等。皮 肤摩擦学研究涉及到皮肤与外界物体接触界面的微气侯及湿度，皮肤与外界 物体接触界面的擦动，界面摩擦运动引起的皮肤组织反应，包括皮肤表面破 裂、起泡、角质化与起茧、汗毛和汗腺的破坏等方面。皮肤与外界材料之间 适当的摩擦是有利的，而过多的摩擦又会对皮肤或外界材料造成伤害。例如： 通过手施加在物体表面的压力而产生的摩擦力使得手能将物体拿起；在劳动 过程中由于手与工具表面为了克服相对运动而产生的较大压力及摩擦力将会 对皮肤表面造成伤害，。导致摩擦起泡甚至将表皮磨破：又如残疾人穿戴假肢 时，只有依靠残肢皮肤与假肢材料之间摩擦力的产生才能将假肢牢固的穿在 残肢上，然而由于假肢设计问题或者残肢状况不理想，将会导致某些地方摩 擦力过大，对残肢皮肤造成伤害，也会加剧假肢材料的磨损，减短使用寿命。 皮肤摩擦学研究正是要解决这些问题，研究但不限于皮肤与材料之间的摩擦 学匹配性，进行皮肤与材料之间的摩擦学设计等等【5 。但与一般摩擦学问题 相比，皮肤摩擦学研究还具有几个特点：多学科交叉性、生物活性、存在的 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 普遍性、独特的软组织结构和物理特性、复杂的表面形貌等【6 】。正是由于以 上特点以及在试验过程中影响因素多，例如皮肤的新陈代谢、自适应及自修 复等过程、软组织结构及力学性能难以测定等使得皮肤摩擦学研究比一般摩 擦学问题更为复杂。 1 1 3 国内外皮肤摩擦学的研究方法和现状 皮肤摩擦学是一门新兴的边缘和交叉学科，它是运用物理、数学、材料 科学和工程等方面的知识来分析研究和解决生物医学问题。2 0 世纪6 0 年代 国际上才开始对皮肤摩擦学进行研究，国外多采用传统摩擦学的研究方法和 手段，主要针对不同材料和不同部位皮肤间的摩擦力和摩擦系数进行测定， 停留在理论探索阶段，许多研究成果并没有运用于实际的生产和生活中。可 以说皮肤摩擦学还处于研究的初级阶段，由于对皮肤摩擦学研究手段的限制， 皮肤摩擦学的研究还没有形成体系。目前国外的应用背景主要限制在化妆品 和纺织行业，而我国在这方面的研究工作刚刚起步。 实验设备 实验方法和设备是皮肤摩擦特性研究的关键。根据研究的需要，国外研 究人员开发了皮肤摩擦计测量皮肤的摩擦力，现在使用的皮肤测量计主要有 三种类型：手提式皮肤摩擦计、改装型皮肤摩擦力定量测量设备、台式生物 医学显微摩擦计。( 1 ) 手提式皮肤摩擦计的主要部分是手提式探测器装置， 包括一个d c 电机、一个旋转的t e n o n 圆盘探头和位置可转动的传感器 4 】； ( 2 ) 法国s t j a c q u e s 大学皮肤生物工程实验室的) a s s e r i n 7 】等人开发了一台 测量人体前臂掌侧与接触材料间摩擦特性的设备。该设备由三部分组成：摩 擦力测量装置、待测部位的固定装置和台式位移测微计。( 3 ) 美国c e t r 公 司提供的轻便台式生物医学显微摩擦计( u m t ) 8 - 9 】，是一种高精密度检测 仪器，可测量不同科学和工程学的多种不同类型样品的摩擦学特性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 影响皮肤摩擦特性的因素 人体皮肤的摩擦特性不仅取决于皮肤自身、纹理结构、柔软度和光滑度、 干燥度或含油程度等，还取决于其与外界表面和外界环境的交界面。 1 年龄、性别、体重、身高 与年龄有关的摩擦力研究得出了全然不同的结论：a n a s t a s i a 1 0 】比较的年 轻组和老年组的摩擦系数最大差值为0 0 4 ，说明在年龄结构上变化不大。 c u a 1 1 】等也报告说年龄之间没有摩擦系数的差别；但a s s e r i n 7 1 和e i s n e r 1 2 1 发 现年轻人的前臂摩擦系数比老年人高、绝经后的妇女显著低于绝经前的妇女、 年龄对摩擦系数的影响还有待于进一步研究。这可能与生理机能变化、皮肤 纹理的个体差别和人体不同部分的皮肤有关。经大多数学者研究证实人的性 别、体重和身高等因素对摩擦特性的影响无显著差别。 2 人体不同部位的皮肤与接触材料 m z h a n g b 3 等人对年龄从1 9 4 0 岁、没有明显皮肤疾病的1 0 个实验 者的六个不同部位的皮肤，即手掌( p h ) 、手背( d h ) 、前臂前列( a f ) 、前 臂后侧( p f ) 、腿部前列( a l ) 、腿部后侧( p l ) 相对于五种材料，即铝、 尼龙、硅树脂、棉短袜泥质岩进行了摩擦系数研究。摩擦系数范围从o 2 4 至1 2 6 。发现在所有测量位置中手掌具有最高的摩擦系数，在所有试验的材 料中，硅树脂显示出最高的摩擦系数。皮肤的最高摩擦系数是手掌位置与硅 树脂的平均摩擦系数为0 9 3 士0 2 0 。 从上述结果可以看出，人体不同部位的皮肤由于其组织、纹理结构、物 理化学性质、功能及外界接触的环境不同，有着不同的摩擦特性。 3 法向载荷和接触面积 经典摩擦理论认为与法向力成线形比例，但不适应皮肤的摩擦特性。一 种新的称为对数模型已得到：即f = l x * w n ，n 为指数，1 3 ( 1 。其中两接触表 面面积和压力分布起着主要作用。动摩擦力的测量说明该模型对摩擦力的预 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 测较为满意。s t a n l e y 等【1 4 】认为在高于一定载荷范围时，a m o n t o n 定律适合于 皮肤的摩擦，在载荷偏小时，存在一定的偏差，这是因为皮肤和材料的接触 变形不仅仅是塑性的，真实的接触面积与所加载荷并不成线形关系。 m z h a n g 1 3 】等在1 0 次试验中测量了摩擦系数随施加的法向力的变化。结果说 明随着载荷的增加摩擦系数稍微有些下降。当载荷从0 2 5 n 增加到1 n 时； 平均摩擦系数减少9 5 6 。 4 皮肤表层含水量和皮肤温度 当皮肤发生水合作用时电容和点导数系数增加，摩擦系数升高：当皮肤 干燥缺水时电容和电导数系数下降，摩擦系数也下降f 1 5 18 1 。对于体外皮肤的 实验，皮肤暴露在水中3 m i n ，然后擦去没被皮肤吸收的多余水分，发现皮肤 的水合作用马上使皮肤的摩擦系数增加到1 5 倍。随后应用异丙基乙醇使皮 肤干燥缺水。观察到摩擦系数下降。 皮肤的湿度不同会有不同的摩擦特性。试验证明，当物体如球拍手柄、 桨或短袜摩擦潮湿的皮肤比它接触干或非常湿的皮肤产生的摩擦力要高、当 很大的力施加在干燥皮肤上时，皮肤组织的角质层迅速撕破，在皮肤上与其 接触的材料表面之间形成了一层润滑的、自由移动的、起保护作用的障碍层。 而非常湿的皮肤上的过量水份在皮肤和摩擦表面之间形成了一层润滑膜，有 助于降低摩擦力潮湿的( 稍潮湿) 皮肤因为很薄的一层水产生了表面张力， 使皮肤细胞聚集在一起，阻止了他们的运动，因为增加了摩擦效应。 5 皮肤表面润滑剂作用 有许多用于减少皮肤摩擦力的润滑剂，如矿物油、丙烯乙二醇、硅树脂 液、液态石蜡、+ 滑石粉( 云母) 、皮脂( 人类皮肤上的天然油) 、花生油、石 油果冻和甘油等；不同的润滑剂对皮肤的摩擦特性会产生不同的影响。涂有 肥皂的手的摩擦系数和摩擦力显著低于干或湿手【1 9 】，法向力也显著高于干或 湿的皮肤。理论上认为润滑剂的作用的防止水泡，因为它们在皮肤和摩擦表 面之间提供了一层屏障。实际感觉也是如此，在涂用它们时皮肤表面的摩擦 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 力减少。但是，进一步的研究表明这些产品只能在短期( 一个小时内) 使摩 擦力减少，之后摩擦力又回升到正常水平，更长时间( 三个小时后) 摩擦系 数实际上比正常值高出3 5 t 2 们。因此，润滑剂只在短时期有效，可能是因为 这些物质锁在皮肤中的水分，增加了皮肤表面的张力，相应增加了摩擦力。 皮肤摩擦学不仅在医学研究中，还有很多产业密切相关，如皮肤保护用 品、纺织品、皮革制品等。通过这项研究，可以建立皮肤与各种纺织、卫生、 保健等生活用品之间的舒适度标准，研究个体差异下( 性别、年龄等) 环境 温度、湿度、皮肤水合作用、纤维含水量等对舒适度的影响，而应用皮肤的 摩擦数据可以对护肤品和化妆品进行定量地评定。 皮肤摩擦损伤性研究 以往的研究通常把人体皮肤当作无生命的常规材料，忽视人体皮肤具有 新陈代谢的特性，在摩擦过程中表现出自我适应、自我修复的功能。 表卜1 皮肤在不同摩擦工况损伤下的痂皮厚度及显著性分析1 2 1 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 - 詈 o 基 二 o 套 2 暑 薯 _ 图1 - 3 不同法向力及往复频率磨损下的兔皮肤真皮组织内炎性细胞数量比较 ( n = 1 5 ，p 法向载荷1 1 5 0n 往复的位移为1 0m i l l 往复滑动的频率分别为0 5 h z 和1 h z ， 往复运动时间为3 0m i n 实验的温度为2 5 士2 空气湿度为6 5 4 - 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 2 3 微观分析方法 ( 1 ) 旋转式切片机( l e i c a r m z l 3 5 ) 对按照常规切片制作过程( 固定、取材、 包埋、透明、脱水、浸蜡) 制作的组织块进行切片。 ( 2 ) 光学显微镜( l e i c a ，d m r _ x ) 在光学显微镜的低倍和高倍镜下分别观察 h e 染色后的切片磨损组织结构，对不同摩擦工况下的组织结构进行对比。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 第3 章免皮肤与人体皮肤摩擦性能对比研究 在日常生活中，由于劳动、锻炼、保暖、美容等需要，人体皮肤离不开 与其他多种材料的摩擦摩擦接触，从而产生许多皮肤摩擦问题。而其中残肢 皮肤表面与假肢的摩擦磨损现象最为严重。在摩擦造成皮肤损伤的研究方面， 出于人道主义考虑很难试验重现这些损伤情况，因此这方面的研究均采用与 人体皮肤近似的动物进行试验。然而毕竟人体的皮肤组织结构与动物皮肤的 组织结构有一些差异性。因此本试验通过对人体皮肤的摩擦性能与动物皮肤 的摩擦性能的对比研究是否可以根据对动物皮肤摩擦损伤研究来模拟人体皮 肤摩擦损伤。 3 1 兔皮肤与人体皮肤的组织差异 正常兔皮肤无真皮乳头结构，皮肤附件、毛发结构丰富。兔皮从上到下 由表皮、真皮和皮下组织构成。表皮占总厚度的1 ，真皮占9 0 - - - 9 2 ，皮 下组织占7 9 。兔皮肤厚度约为1 2 1 5 毫米【3 6 1 。 人体皮肤厚度f l l 般为0 5 - - 4 m m ( 不包括皮下脂肪组织) 。表皮厚度悬殊 较大，为o 0 7 - - - 1 2 m m ，手掌、足跖可达0 8 1 4 m m ，而肘窝处仅0 3 m m 。 眼睑的表皮厚度则小于0 1 m m 。一般真皮的厚度为0 4 - - 2 4 m m 不等皮肤的 整个厚度，人体皮肤有显著的个体差异，我国成人男性皮肤平均厚度为 1 1 5 r a m ，可因部位不同而有很大差别，。如躯干背部及臀部较厚，约2 2 3 m m ， 眼脸，耳后皮肤较薄，约o 5 m m 。同一肢体，内侧偏薄，外侧较厚，如大腿 外侧约1 1 3 r a m ，内侧为o 9 5 r a m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 圈 ( a ) 正常人大腿内侧皮肤组织( b ) 兔皮肤组织 圉3 - 1 人体皮肤与兔皮肤组织切片照片 根据残肢人群的损伤实际情况我们取人体大腿内侧皮肤，可以看出该处 人体皮肤的厚度小于兔皮肤厚度。因此抗摩擦性更差，更容易发生摩擦损伤。 32 皮肤与假肢材料( 丙烯酸树脂) 的摩擦性能研究 3 2 1 试验结果： 图3 - 2 示出了活兔皮肤在压力o3 n 、07 n 、8 n 时摩擦系数随时间的的 变化图。从中可以看出，在摩擦过程中，当载荷较低时摩擦系数波动较大， 而随载荷的增大而逐渐稳定。摩擦系数的平均随法向压力的增大而减小。与 图3 3 ( a ) 、( b ) 中所示的人体皮肤与假肢材料( 丙烯酸树脂) 的摩擦系数变 化规律进行对比，我们可以看出不同的皮肤与假肢材料( 丙烯酸树脂) 之间 摩擦系数髓时间的变化规律相同。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 图3 2 兔与丙烯酸树脂配副时的摩擦系数随时何变化曲线 ( a )( b ) 圈3 3 人体皮肤与丙烯酸树脂配副时的摩擦系数随时闻变化曲线：( a ) 正常人皮肤 ( b ) 残肢皮肤刚 图3 4 为在0 3 n 、0 7 n 、8 n 下各类皮肤与假肢材料( 丙烯酸树脂) 的 摩擦系数的对比图表。在载荷为o 3 n 时，平均摩擦系数，活体兔皮肤分别高 于正常皮肤25 和残肢皮肤11 。在载荷为07 n 时，活体兔皮肤分别低于 正常皮肤7 4 和31 。在载荷为8 n 时，活兔皮肤分别低于正常皮肤2 1 和残肢皮肤96 。可见活体兔皮肤与假肢材料的摩擦系数在不同载荷的情况 下，其摩擦系数与残肢皮肤和正常人皮肤与假肢材料( 丙烯酸树脂) 的平均 摩擦系数非常相近。 co；芒k芎芒星80 glkt iu一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 7 页 ( a ) p = 0 3 n ( b ) p = 0 7 n ( c ) p = 8 n 图3 - 4 不同载荷下各类皮肤与假肢材料的平均摩擦系数对比 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 3 2 2 讨论分析 摩擦学试验结果表明，随着载荷增大，假肢材料( 丙烯酸树脂) 与各类 皮肤之问的摩擦系数逐渐减小。摩擦系数被定义为： l a = f n n 为接触面间的法向压力，f 为产生相对运动所需的剪切力。c o m a i s h 和 b o t t o m s 3 即等人发现在有限的载荷范围里( o 3 9 ) 皮肤遵循a m o n t o n 的摩擦法 则，但高于这个范围的载荷下，摩擦系数背离该法则。皮肤对摩擦的抵抗是 许多因素作用的结果，其中一个相关因素就是接触面积a 的变化【3 9 1 。因皮肤 的粘着性和伸缩性，皮肤与材料的接触面积由赫兹方程定义，接触面积不随 压力程线性增长，而是比压力增长慢很多，摩擦接触面的剪切力( 仁t 掌a ) 在 法向力n 增大的情况下变化很小，所以摩擦系数p 减小。一 在p = 0 3 n 这样小的载荷下，皮下组织及肌肉的协调能力影响非常微小， 皮肤及材料表面性质是皮肤与材料间摩擦系数的主导因素 3 7 1 。由于兔皮肤比 人体皮肤和残肢皮肤更湿润，所以摩擦系数略大。在p = 0 7 n 时皮肤及材料 表面性质和皮下组织及肌肉的协调能力共同作用影响着皮肤与材料之间的摩 擦系数，残疾人皮肤、正常人皮肤和兔皮肤在与假肢材料接触时的差异很大。 当载p = 8 n 时，皮肤表面被完全压下、粗糙度被改变，与低载荷相比，皮肤 的表面性质对摩擦系数的影响降低，摩擦系数取决与皮肤下组织及肌肉的弹 性协调能力。正常人腿部肌肉机能好于残疾人，而残疾人由于长期穿戴假肢， 肌肉已经出现明显的萎缩，肌肉抗牵拉能力较差，所以残肢皮肤与材料之间 的剪切力与法向力的比值稍大于正常人。由于兔皮肤不是和肌肉连在一起， 所以其牵拉能力较好，摩擦系数也略小于正常人。 活体兔皮肤实验时，试验的放置位置比人体皮肤更困难，由于活体兔不 可能在试验过程中保持固定的姿势，在试验过程由于生物的呼吸、肌肉的抽 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 动以及其他生理因素。所以兔皮肤的摩擦系数曲线的波动幅度更大些。 由于兔和人都是脯乳动物动物其生理结构十分相似，而且生物医学在研 究人体皮肤烧伤、烫伤的过程中也使用活体兔来作为替代生物。且通过摩擦 学试验我们看出兔皮肤与假肢材料的摩擦特性与正常皮肤、残肢皮肤有相似 的摩擦特性。因此可以运用活体兔皮肤替代人体皮肤来研究的人体摩擦损伤 修复规律。 3 3 各类皮肤与假肢材料的摩擦系数的对比表 1 二； p 蕊 ，j q 1 ：o鬻 l 。：i 0 图3 - 4 所示在不同载荷下平均摩擦系数对比图 1摩擦学试验结果显示，兔皮肤与假肢材料( 丙烯酸树脂) 的摩擦系 数同人体皮肤与假肢材料的摩擦系数一样均随载荷增大而逐渐减小。 2活体兔皮肤与假肢材料的摩擦系数在不同载荷的情况下，其摩擦系 数与残肢皮肤和人体正常皮肤与假肢材料( 丙烯酸树脂) 的摩擦系数非常相 近。兔皮肤与假肢材料的摩擦特性与正常皮肤、残肢皮肤有相似的摩擦特性， 表明运用活体兔皮肤替代人体皮肤来研究的人体摩擦损伤修复规律。 。；1 0。乱豁l一 讼 1111lllll_l 结 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 第4 章皮肤摩擦损伤修复适应性研究 在人们的日常生活和工作中，不可避免的存在着皮肤摩擦受损情况。如： 人们劳动过程中，手与工具之间的摩擦会出现红肿、水疱，生成手茧现象； 人们穿着不合适的鞋袜引起脚部摩擦起泡现象等。为了减轻皮肤的摩擦受损， 人们采取了各种方法，如：在皮肤与工具之间涂抹润滑油，改变工具的材料、 形状等以减少摩擦，改善工作和生活条件等，然而皮肤与材料摩擦损伤最严 重的情况是假肢穿戴者残肢皮肤与假肢接受腔界面的摩擦磨损。患者与假肢 之间的力都是通过残肢与接受腔的接触表面传递的。由于运动、压力及相应 的摩擦力对残肢皮肤、皮下组织、血管的正常流动产生了严重的影响，接受 腔的材料与残肢皮肤反复摩擦会导致皮肤发热，产生红肿、水疱和溃烂，给 患者带来极大的痛苦。 有关皮肤摩擦学的研究早在2 0 世纪7 0 年代就开始了，主要通过测量皮 肤的摩擦系数来研究影响皮肤摩擦特性因素，例如种族、性别、年龄、皮肤 本身的类型( 油脂含量，湿润度及干燥度等) 、皮肤纹理等，然而这些研究几 乎都把皮肤看作无生命的材料，忽略了皮肤具有新陈代谢和自我修复的功能。 在摩擦对皮肤的损伤研究方面，出于人道主义观点，很难用试验重现摩擦对 皮肤造成的损伤，因此尚未见国内外研究者利用活体皮肤研究摩擦过程中皮 肤摩擦特性的变化及对皮肤产生的损伤影响。在假肢研究方面，目前国内外 主要从生物力学的角度对传统假肢力的传递、接受腔的设计及计算方面进行 了大量的研究，但很少考虑摩擦学的因素。本课题组所前期曾利用活体兔皮 肤来模拟残肢皮肤，研究了肢体伤残人群穿戴假肢行使行走功能时不同压力、 频率对皮肤表面损伤程度及皮肤组织病理性变化规律的影响，但皮肤的摩擦 损伤自修复适应性还有待于研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 众所周知，自修复性是生物体的重要特征之一。自修复是通过物质补给 和能量补给，使受伤的组织再生，恢复机理。当外界的环境变化，生物体根 据外界的变化而发生相应的改变以适应外界的变化。中国有上千万的假肢穿 戴者，都经历着残肢与假肢的摩擦并逐渐适应的过程，所以研究皮肤摩擦磨 损的自修复适应性有着重要的意义。因此本文在摩擦学研究所前期研究的基 础上，继续利用兔皮肤来模拟残肢皮肤，针对残肢皮肤与接受腔材料的摩擦 磨损现象，利用摩擦学和组织学的研究手段研究摩擦过程中一定的修复周期 内不同的摩擦次数、不同频率对皮肤表面的损伤修复情况和皮肤病理变化规 律的影响，期望为假肢穿戴者的穿戴适应过程提供实验依据。 4 1 试验简介 4 1 1 试验方法 将1 5 只兔子分为5 组，每组3 只兔子，给每组依次编号，其号数即为其 摩擦的次数( 每次摩擦为3 0 m i n ) ，动物实验分组见表。考虑到频率对兔皮 肤摩擦损伤的影响，在每个实验兔的脊柱两侧各选3 个实验区进行不同频率 的摩擦实验( 兔头部向上，脊柱左侧为的频率为o 5 h z ，右侧为1 h z ) 。实验 前用酒精清洗兔脊柱两侧摩擦接触部位和上摩擦副表面。整个实验过程用乙 醚对兔子进行麻醉。 取材实验结束2 4 小时后取相应编号的三只实验兔( 即第一次实验结束 后取编号为f 的兔子，依次类推) 采用静脉推入空气处死，及时切取摩擦部 分和修复部分的皮肤组织，4 中性甲醛固定后逐级酒精脱水，二甲苯透明， 石蜡浸透、包埋、病理切片机切片，苏木精伊红( h e ) 染色。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 3 01 0 1 o 70 5 1 5 4 1 2 组织学评定方法 表皮大体观察摩擦试验过程中用肉眼观察摩擦部位的反应，根据国际标准 i s o1 0 9 9 3 1 0 4 0 1 的刺激与致敏试验对皮肤反应进行记分( 见表4 2 ) 。 组织学观察在光学显微镜低倍和高倍镜下分别观察切片h e 染色后的磨损 组织和修复组织结构。 痂皮厚度的观测4 0 倍物镜下观察痂皮厚度的变化情况。 细胞计数4 0 倍的物镜下测定h e 切片上每0 2 5 m m 2 组织内的炎性细胞的 数目，每个样品随机观察5 个视野，取平均值。+ 5 2 1 l 9 6 3 ， ， 3 4 5 ， ， ， 2 5 3 4 5 ， ， ， ， ， l 4 2 5 3 4 5 l 2 3 4 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 4 2 结果与讨论 4 2 1 兔皮肤表面的损伤变化 与未摩擦的皮肤表面相比，摩擦后的兔皮肤出现了破损，表面有组织液 渗出，表4 3 和表4 4 分别记录了在o 5 h z 和1 h z 下不同修复次数下兔皮肤 表面的摩擦损伤过程及程度。每种参数下得到的3 个创面的摩擦损伤程度大 致相同。从表中我们可以看出相同的修复次数下，在频率为1 h z 的摩擦损伤 程度比0 5 h z 的摩擦损伤程度大。在相同频率情况下，修复次数越多，摩擦 损伤程度越小。可见皮肤对外界的摩擦环境有了一定适应性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 表4 - 3 在0 5 h z 的频率不同修复次数下兔皮肤表面损伤程度 表4 4 在1 h z 的频率不同修复次数下兔皮肤表面损伤程度 4 2 2 兔皮肤摩擦损伤的病理性变化 摩擦后的兔皮肤在h e 染色光镜下观察，摩擦部位表皮已破损，有较多 的炎性渗出物，渗出物表面为纤维素，纤维素内主要由大量坏死的中性粒细 胞组成，渗出物干燥，破损收缩，形成痂皮。临近坏死表皮组织的真皮组织 内胶原细胞肿胀、稀疏，有大量的炎性细胞 2 1 1 。 随着摩擦次数的增加，毛囊及皮脂腺遭到破坏