【摘要】 目的 检验关于胶原蛋白是皮肤黏弹性主要决定因素的假设，重点考察皮肤组织在动态载荷下的热力学性能。方法 采用不同的热加载实现皮肤组织中胶原质不同程度的热变性；使用差示扫描量热仪检测胶原质的热变性及其热稳定性，并通过热损伤积分方程分析了胶原质的热稳定性；采用动态热力学分析仪表征了温度和皮肤胶原质损伤对皮肤黏弹性特性的影响。结果 由于水份的流失，储存模量随温度的升高而显著增大；与此相反，功耗因子却呈现出明显的温度不敏感性。结论 热损伤和热变性程度对皮肤黏弹性性能的影响与温度的影响相类似，表明在恒定的频率下胶原蛋白分子的热变性对皮肤的黏弹性行为影响很大。
【关键词】 皮肤组织；热力学行为；热变性；黏弹性
ABSTRACT: Objective To test the hypothesis that collagen is a significant determinant of skin viscoelasticity， with particular attention paid to the thermomechanical properties of skin under dynamic loading. Methods Differential scanning calorimetry (DSC) was used to detect the denaturation of dermal collagen and assess its thermal stability. The DSC results obtained with various heating rates were used to derive the Arrhenius parameters in burn damage integration， which were subsequently used to calculate the degree of denatured collagen in the skin. The dynamic mechanical analyzer (DMA) was employed to evaluate the changes in skin viscoelastic properties as a function of temperature and collagen damage. Results The results showed remarkable changes in storage modulus， possibly due to the release of water， whilst there was no significant change in loss factor. Conclusion These results suggest that at a fixed frequency the denaturation of collagen molecules has a large effect on the viscoelastic behavior of skin tissue.
KEY WORDS: skin tissue; thermal denaturation; thermomechanical behaviour; viscoelasticity
皮肤是一种典型的黏弹性材料。有关皮肤黏弹性行为的早期研究发现其应力-应变关系依赖于应变率、加载速率、加载历史以及预处理应力历史；研究还发现皮肤组织在反复加载实验中呈现出明显的迟滞现象，以及在恒定应变条件下的应力松弛现象［1-3］。然而，上述研究大多在准静态的实验条件下进行，很少有关于皮肤动态黏弹性特性的研究报道［4-5］。
胶原蛋白是皮肤组织的主要成分。随着皮肤温度的升高，胶原蛋白逐步发生热变性，不仅其结构发生变化，胶原质中的水合作用也随之发生改变。可以预料，胶原组织的热变性将导致其黏弹性性能的显著变化。尽管对其他胶原组织，如软骨［6-7］和骨组织［8-9］的黏弹性行为的相关研究已有陆续报道，但迄今为止还没有与温度相关的皮肤黏弹性行为的公开报道。
本研究的目的是检验关于胶原蛋白是皮肤黏弹性主要决定因素的假设，重点考察皮肤组织在动态载荷下的的热力学性能。基于这个目的，采用不同的热加载实现皮肤组织中胶原蛋白不同程度的热变性，使用差示扫描量热仪检测胶原蛋白的热变性及其热稳定性，并通过热损伤积分方程分析胶原质的热稳定性。此外，还采用动态热力学分析仪表征温度和皮肤胶原质损伤对皮肤黏弹性特性的影响。
1 热变性和热损伤的量化
热损伤和热变性可以通过以下公式量化［10］：
Ω(t)=lnC(0) C(t)=∫t0Aexp-Ea RTdt(1)
Deg(t)=C(0)-C(t) C(0)=1-exp(-Ω(t))(2)
其中t为时间项，Ω是无量纲化后的热损伤，“Deg”代表热损伤程度，C(0)和C(t)分别是最初和当前没有发生变性的胶原质浓度，A是材料常数(频率因子)，Ea是激活能，R=8.314 J/molK是普适气体常数。有关猪皮肤组织的Arrhenius参数将在第2部分利用差示扫描量热仪实验获得。
2 材料与方法
2.1 试样准备
有关猪皮肤试样的准备资料在相关文献［10］已有详细描述，此处不再赘述。
2.2 用差示扫描量热仪判断皮肤胶原蛋白的热力学变化
采用差示扫描量热仪测量试样和参考物之间的热流可以判断热力学的变化。这一方法已被广泛应用于胶原质组织的表征［10-11］。从皮肤胶原质组织的热力学变化可以确定热加载历史对比热的影响，并推导出多种参数，如胶原质的热变性温度和热损伤等。本研究采用型号为Q1000 Tzero的TA差示扫描量热仪对猪皮肤胶原质的热稳定性进行评估，在4种不同热加载速度下(2、5、10、20 ℃/min)以及20 ℃-100 ℃的温度范围内对皮肤试件进行扫描。
2.3 动态热力学分析
采用型号为Q800的TA动态热力学分析仪，在不同温度环境(25 ℃-100 ℃)和热加载速度(2、5、10、20 ℃/min)下对皮肤组织的黏弹性特性进行了实验测量；动态载荷频率固定为1 Hz，测试模式为单悬臂梁弯曲。在线弹性区域测量了皮肤组织的弯曲模量，采用的弯曲加载模式同时涉及了弯曲和剪切作用。对短而厚的试件而言，剪切力起主导作用，但对长而薄的试件而言，扭矩起主导作用。在本实验中，皮肤弯曲试件的长度与厚度之比大于10，因而满足弯曲条件［7］。
需要指出的是，所有实验均在一个充满空气的容器中进行。
3 结果与讨论
3.1 差示扫描量热实验的结果
猪侧腹皮肤试件的典型差示扫描量热谱曲线如图1所示。实验测得的比热与公开报道的结果［10，12］吻合很好。在无应力状态下，皮肤组织的热变性可通过其吸热的突然增加来标识。图1表明，猪侧腹皮肤的热变性从60 ℃左右开始，随着温度的进一步增加，吸热在66.83 ℃时达到峰值，然后开始减小。因此，变性温度Tmax=66.83 ℃。实验还观察到皮肤的热变性吸热特征与加载速度有关；因为与图1所示趋势的一致性及篇幅限制，本文没有给出在其他温度速率下获得的热谱曲线。
在恒定的升温速率下对胶原质组织进行加热时，根据热力学定律和Arrhenius方程，升温速率r和Arrhenius参数(Ea，A)以及热变性峰值温度Tmax之间存在如下关系［13-15］：rEa ART2max=exp-Ea RTmax(3)方程(3)可改写为：lnrEa ART2max=lnexp-Ea RTmaxlnr T2max=-Ea R 1 Tmax-lnEa R+ln(A)(4)
式(4)表明，激活能Ea可通过ln(r/T2max)和1/Tmax关系曲线的斜率得到，而A则可由其截距获得。图2给出了猪侧腹部皮肤组织的ln(r/T2max)与1/Tmax关系曲线，表1统一给出了猪腹、脊背、耳朵及脸部皮肤的实验结果。表1 不同部位猪皮肤组织的Arrhenius参数(略)
本文实验结果和式(5)的比较如图3所示。从图中可看出两者吻合很好。此外，还可通过方程(1)和(2)来计算相应的热损伤和热变性的程度。
3.2 动态热力学分析试验的结果
通过动态热力学分析试验测量了猪皮肤组织的黏弹性特性，获得了其储存模量(E′)、损耗模量(E″)和功耗因子(tanδ)与温度历史的函数关系。与采用单调加载获得的材料刚度相类似，储存模量和黏弹性周期中储存的弹性能有关。功耗因子代表给定加载周期中能量损失与储存能量的比值，即tanδ=E″/E′，表征试样的阻尼衰减程度。
在这里，给出了猪侧腹部皮肤的储存模量和功耗因子随温度变化的曲线(图4、图5)。结果表明，储存模量随温度的升高而增加：温度较高时，皮肤变硬并且其硬化的速率随着温度的升高和加热速率的增加而分别上升。功耗因子则几乎不受温度变化的影响，但随着加热速率的增加而增加；换言之，温度对猪皮肤的黏弹性性能只有很小的影响，或者说猪皮肤的阻尼特性并不受温度的影响。本实验测得的衰减因子为0.14，与在室温下采用表面波动法测得的结果类似［17］。
在准静态条件下，一般认为皮肤组织的黏弹性特性和刚度主要决定于胶原质［18］，表明胶原质在皮肤的整体力学性能中发挥着重要作用。由此可以假设，在热加载条件下胶原质对皮肤的黏弹性行为也起着主要作用。为了验证该假设，图6、图7、图8和图9分别给出了储存模量和损耗模量与热损伤和热变性程度之间的关系曲线。
结果显示，热损伤和热变性程度对皮肤黏弹性性能的影响与温度的影响相类似；或者说在给定载荷频率下，热变性导致的胶原质结构变化并不影响储存模量和损耗模量。已有研究［7］表明，在动态热力学分析实验中观测到的皮肤力学性能的改变，可能是由于加热过程中脱水以及材料本身的分子结构变化所造成。在本实验过程中也观测到了猪皮肤试件重量的减少，其原因就可能是加热过程中胶原质变性所引起的脱水，但尚需要进一步的实验验证。
4 结 论
实验测得了温度和皮肤胶原质热变性对皮肤组织黏弹性特性的影响。结果显示，由于胶原质变性所引起的脱水，皮肤的储存模量具有较高的温度敏感性，但其功耗因子却具有对温度或者热变性的不敏感性。此外，在恒定的加载频率下胶原质的变性对皮肤的黏弹性行为影响很小。
更进一步的实验研究应该着眼于量化加热过程中组织脱水和胶原质热变性在皮肤组织黏弹性性能变化中的相对贡献；在更广泛的频率范围内进行研究也应成为将来工作的一部分。
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