应用说明 | ElastoSens™ Bio
使用 ElastoSens™ Bio 测量皮肤的力学性能
引言
皮肤不仅是人体最大的器官，还是一种动态的机械屏障，能够抵御环境应激、调节水分平衡，并参与感觉知觉。 其功能在很大程度上取决于胶原蛋白、弹性蛋白及其他真皮成分的结构组织，这些成分共同形成了弹性、刚度及粘弹性等独特的力学特性。 测量这些特性有助于深入了解皮肤在日常生活中如何应对从拉伸、压缩到剪切等各种力的作用。通过研究这些特性，科学家和临床医生能够更好地理解健康皮肤的运作机制，检测疾病的早期征兆，并设计出能够恢复或维持皮肤功能的治疗方案。
皮肤的主要力学性能
弹性
弹性反映了皮肤在变形后恢复原状的能力。它主要由弹性纤维网所决定，该网络使皮肤在受到拉伸或负压作用后能够回弹。临床研究表明，弹性会随着年龄增长而显著下降，从而影响皮肤的紧致度及其外观。
刚度
刚度描述了皮肤在受力时抵抗变形的能力。它受到真皮中胶原蛋白排列方式的显著影响，解剖部位和年龄也是重要的决定因素。研究表明，较深的层，如网状真皮，通常比表浅的乳头层更硬，且刚度会随着年龄增长而逐渐降低。
粘弹性
皮肤在受到应力作用时会同时表现出粘性与弹性响应，这意味着变形的一部分会立即恢复，而另一部分则会随时间缓慢恢复。这种粘弹性行为反映了胶原蛋白、弹性蛋白与细胞外基质之间的相互作用，对于皮肤承受持续或重复机械负荷的能力至关重要。
各向异性
皮肤的力学反应会因施加力的方向不同而有所差异，这一特性被称为各向异性。这种方向依赖性与胶原纤维的取向（例如沿兰格线）有关，并影响皮肤在身体不同部位的伸展或抗撕裂能力。
疾病与皮肤力学性能之间的关系
系统性硬化症
在系统性硬化症中，由于胶原蛋白过度沉积和纤维化，皮肤会变得明显僵硬且弹性减弱。测量弹性降低或硬度增加等机械参数，有助于评估疾病进展和治疗效果。
硬皮病和局限性硬皮病
像硬皮病这样的局部纤维化疾病会改变皮肤的硬度和厚度。机械测试方法，特别是吸力测试和压痕测试，可以量化这些变化，从而为诊断和治疗监测提供依据。
光老化
长期暴露于紫外线会加速胶原蛋白和弹性纤维的分解，导致皮肤弹性下降、松弛加剧。力学测量表明，光老化皮肤在变形后的恢复能力较弱，这解释了皱纹和皮肤松弛的临床表现。
烧伤疤痕和纤维化
烧伤后的瘢痕组织和纤维化重塑会显著改变皮肤的粘弹性特性，通常导致皮肤过度僵硬且顺应性降低。对这些特性的客观测量正被越来越多地用于追踪瘢痕成熟过程并评估治疗干预措施。
如何评估皮肤组织的力学特性
体内技术（临床）
在临床实践中，通常采用吸力测试、压痕测试或扭转载荷等无创技术来评估皮肤的力学性能。这些方法通过直接对皮肤表面施加轻微的机械力，来监测组织如何变形和恢复。 由于这些方法可在患者身上安全、快速地实施，因此被广泛用于评估与衰老、疾病或治疗反应相关的皮肤弹性、紧致度及粘弹性。其价值在于能够提供标准化、可重复的测量结果，将皮肤的“触感”转化为客观数据，从而为皮肤科、整形外科及美容科学提供支持。
体外技术（研究）
在研究环境中，对切取的皮肤样本进行力学测试，有助于更深入地探索该组织的结构行为。拉伸试验可将皮肤拉伸至断裂，从而揭示应力-应变关系；压痕试验可探测局部刚度；扭转试验可评估抗扭转能力；而流变学方法则可测定粘弹性特性。 由于可以对样本进行逐层研究，研究人员能够将胶原蛋白和弹性蛋白网络等结构特征与皮肤的宏观力学性能联系起来。 这些体外方法提供了在体内无法获得的皮肤生物力学详细图景，有助于推动再生医学、生物材料设计以及针对衰老相关或病理变化的治疗方法开发等领域的进步。
案例研究：利用 ElastoSens™ Bio 进行皮肤组织力学表征
ElastoSens™ Bio：一种用于体外组织检测的非接触式工具
在皮肤生物力学领域， ElastoSens™ Bio 提供了一种先进的体外测试方法。该仪器能够连续、无损地测量皮肤的粘弹性特性，确保在整个实验过程中样本的完整性得以保持。其技术能够对软生物组织进行精确表征，并支持在受控环境条件下随时间推移进行重复测量，从而补充和扩展了传统力学测试所提供的信息。
为了展示 ElastoSens™ Bio 的潜力，我们对皮肤样本进行了一项体外研究。下一节将介绍本实验所使用的材料和方法，随后呈现实验结果，以此提供该仪器应用的实例。
材料与方法
羊皮和牛皮是从当地农场新鲜获取的。将样本修整至约1.8 mm厚度，即仅保留表皮和真皮而去除其下的皮下组织，并裁切成圆形片，装入ElastoSens™ Bio膜夹中（图1）。 为防止样本干燥，测试前将样本浸入磷酸盐缓冲盐水（PBS）中，于4 °C下浸泡过夜。随后，将每份样本置于25 °C的ElastoSens™ Bio仪器中1小时以达到平衡。测量前轻轻去除多余的PBS。
该仪器提供了实时粘弹性参数，包括剪切储能模量（G′）和剪切损耗模量（G″）。对于每种条件，结果均以来自同一皮肤层不同区域的三个样本（n = 3）的平均值表示。
图1。 将羊皮和牛皮组织制备好后装入ElastoSens™ Bio膜夹中，以进行无损粘弹性表征。上图显示了切片前的完整皮肤样本，下图则展示了夹持在夹具中用于测试的典型皮肤样本。
结果与讨论
使用ElastoSens™ Bio测试系统对绵羊皮和牛皮的粘弹性特性进行了评估（图2）。 绵羊皮的剪切储能模量（G′）平均值为6.11 ± 1.62 kPa（n = 3），而牛皮的该数值略低，为4.92 ± 0.24 kPa（n = 3）。 Manan 等人（2015）对取自臀部弯曲区域的牛皮 （厚度约3 mm，包含表皮和真皮，已去除皮下组织）进行单轴拉伸测试，报告的平均杨氏模量为12.57 MPa，对应的微小应变剪切模量约为94 kPa。
我们的测试结果与上述参考文献中报道的结果之间存在差异，这可归因于测试技术和条件上的差异，包括变形模式（拉伸与剪切）、应变水平、温度和测试时间，以及试样制备和测量方向。 总体而言，ElastoSens™ Bio 是在小应变振荡剪切条件下对水合样本进行评估的，这种条件能够捕捉组织的顺应性响应并保持其结构。因此，这一处于 kPa 范围内的模量，能够从生理学角度真实反映皮肤作为保护性及承重屏障的天然功能。
图2：绵羊和牛皮肤组织的粘弹性特性：使用ElastoSens™ Bio无损检测系统测得的剪切储能模量（G′）（平均值 ± 标准差，n=3）。
结论与展望
皮肤组织的力学特性——包括弹性、粘弹性和结构各向异性——对于理解其在保护、屏障功能和感觉知觉方面的生理作用至关重要。 借助 ElastoSens™ Bio 进行的无损粘弹性测试，能够可靠地量化皮肤力学特性，并测定剪切储能模量（G′）和剪切损耗模量（G″）等关键参数。 该方法可提供精确且可重复的数据，为生物医学研究和转化皮肤病学研究提供了坚实的基线。除上述发现外，ElastoSens™ Bio 还为皮肤和软组织研究提供了独特的优势：
- 简单的制备和设置可最大限度地减少操作步骤，同时保持水合状态和结构完整性。
- 高灵敏度和高重复性确保了在不同解剖部位能够获得一致的测量结果，从而反映出区域间的变异性。
- 跨物种基准测试通过直接比较动物模型与人类的皮肤力学特性，促进了转化研究。
- 该平台的多功能性支持在相同条件下对各种软组织和生物材料进行测试，因此可用于开发皮肤替代物、支架或伤口愈合材料。
- 通过受控培养和反复检测，可以监测随时间推移的粘弹性变化，无论这些变化是由于老化、紫外线照射、药物治疗还是病理状况所致。
- 工程化组织应用还受益于非破坏性、重复性测量，这些测量能够反映生物工程皮肤构建体的动态演变过程。
综合来看，这些功能使ElastoSens™ Bio成为一种强大的工具，有助于深化我们对皮肤生物力学的理解，支持比较生理学研究，并为旨在恢复或增强皮肤功能的生物材料和治疗方法的设计提供指导。
参考文献
Kalra, A., Lowe, A., & Al-Jumaily, A. M. (2016). Mechanical behaviour of skin: a review. J. Mater. Sci. Eng, 5(4), 1000254.
Lynch, B., Pageon, H., Le Blay, H., Brizion, S., Bastien, P., Bornschlögl, T., & Domanov, Y. (2022). A mechanistic view on the aging human skin through ex vivo layer-by-layer analysis of mechanics and microstructure of facial and mammary dermis. Scientific reports, 12(1), 849.
Junker, H. J., Thumm, B., Halvachizadeh, S., & Mazza, E. (2023). A quantitative comparison of devices for in vivo biomechanical characterization of human skin. Mechanics of soft materials, 5(1), 5.
Luebberding, S., Krueger, N., & Kerscher, M. (2014). Mechanical properties of human skin in vivo: a comparative evaluation in 300 men and women. Skin Research and Technology, 20(2), 127-135.
Manan, N. F. A., Mahmud, J., & Jumahat, A. (2015). Biomechanical behaviour of bovine skin: An experiment-theory integration and finite element simulation. Jurnal Teknologi, 76(10), 103–111.
了解我们的技术如何利用微量样本，以无损方式测量软生物材料和组织的粘弹性特性
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