李明杰，王杰，夏冰，劉芳，李曼，李竹，王志榮，曹亞芬，汪家文*，萬昌武*

(貴州醫(yī)科大學 法醫(yī)學院，貴州 貴陽 550004)

頭皮是覆蓋于頭部的組織器官,由毛發(fā)、血管、神經、膠原纖維和彈性纖維等構成，具有多種生理功能，其中如黏彈性、張力和抗壓力等功能的實現有賴于自身的生物力學特性[1]。頭皮雖由多種成分構成，但膠原纖維是其主要的力學元素，抗張力強。頭皮被外力拉伸直至拉斷，其應變力經歷由低到高的過程，其力學特征的改變主要取決于膠原纖維，隨著膠原纖維的老化，頭皮的生物力學特性必然發(fā)生變化[2]。有文獻報道，不同年齡人群顱腦組織的材料屬性和力學參數存在差異[3-5]，但是關于不同年齡人群頭皮生物力學參數方面的文獻較少，頭皮組織形態(tài)變化和生物力學參數的增齡性變化規(guī)律有待進一步研究。本研究選取大鼠為研究對象，檢測不同年齡大鼠頭皮組織的厚度等形態(tài)學參數，采用電子萬能材料試驗機檢測頭皮的極限載荷(ultimate load，UL)、拉伸強度(tensile strength，TS)及彈性模量(elastic modulus, EM)等生物力學參數，探討大鼠頭皮形態(tài)學參數及其生物力學參數的增齡性變化規(guī)律，為利用頭皮進行法醫(yī)學年齡推斷提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 實驗動物及分組

健康雄性SD大鼠48只，由貴州醫(yī)科大學實驗動物中心提供[合格證號SCXK(黔)2018-0001]，按出生周數分為2、4、6、8、17、26、52和104周齡組，每組6只。本研究經貴州醫(yī)科大學動物實驗倫理委員會批準(編號1901050)，實驗嚴格按照動物倫理要求進行。

1.2 方法

1.2.1頭皮試件制作 各組大鼠按每100 g大鼠體質量予10%水合氯醛溶液0.5～1.0 mL的劑量腹腔注射麻醉，分離大鼠頭皮并于大鼠頭頂正中縱向剪取4.0 cm×1.0 cm和4.0 cm×0.5 cm頭皮試件A、B兩塊，見圖1。

圖1 大鼠頭皮試樣Fig.1 Rat scalp samples

1.2.2頭皮組織學觀察 取B塊頭皮組織置于10 %中性甲醛溶液中固定72 h，包埋，RM2016型輪轉切片機(德國徠卡儀器公司)常規(guī)石蠟切片、HE染色，光學顯微鏡(日本Olympus公司)下觀察頭皮的組織學變化。利用Image Pro-Plus 6.0圖像分析軟件對頭皮表皮、真皮、皮下組織的厚度和總厚度進行檢測，垂直于皮膚表面進行3次線性測量，取其平均值為各層的厚度值[6]。

1.2.3頭皮生物力學試驗 取A塊頭皮組織放于生理鹽水內備用(因2周齡組大鼠頭皮較小，故順延取其頸、背部皮膚)，利用測厚規(guī)(0-10*30型，浙江義烏市開拓五金有限公司)測量每份頭皮試樣兩端及中部3個位置厚度，取其平均值為試樣厚度。使用KDII-0.2 電子萬能材料試驗機(深圳市凱強利試驗儀器有限公司)上、下夾具夾持頭皮試件兩端各1 cm，保持自然平直，標距=20 mm(圖2)，為防止頭皮滑脫，在夾具內面襯墊一層粗砂布。預調3次達到穩(wěn)定狀態(tài)后，采用縱向單軸拉伸法進行拉伸試驗。加載參數設置：試驗速度(V)=5 mm/min，預加載力0.5 N，停機條件為后一個力值小于前一個力值的7/10(F2<0.7 F1)。實驗結束后計算機自動計算輸出極限載荷、拉伸強度和彈性模量等參數。

圖2 頭皮單向縱軸拉伸試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of scalp uniaxial tensile test

1.3 統(tǒng)計學分析

2 結果

2.1 頭皮組織增齡性變化

2.1.1各組大鼠頭皮組織學變化 如圖3所示，在2～26周內，不同年齡組大鼠頭皮隨年齡增長逐漸增厚。26周后，大鼠頭皮變化幅度減小，厚度趨于穩(wěn)定；17周齡組大鼠頭皮角質層脫落，表皮其余各層結構清晰與真皮連接緊密；大鼠頭皮真皮內見大量膠原纖維、血管、汗腺、皮脂腺、毛囊以及神經末梢，橫紋肌結構清楚。2周齡組大鼠頭皮真皮層膠原纖維最細、最少、排列疏松，在17周后膠原纖維粗大、致密、之后趨于穩(wěn)定(圖4)。各周齡大鼠的皮下組織主要由疏松結締組織構成。

2.1.2頭皮厚度 隨年齡增長，大鼠頭皮總厚度、表皮、真皮和皮下組織逐漸增厚，頭皮總厚度和真皮層厚度26周時達高峰，之后趨于穩(wěn)定；表皮與真皮比值變化不明顯(P>0.05)。各組大鼠頭皮表皮、真皮、皮下組織厚度及頭皮總厚度差異均有統(tǒng)計學意義(F值分別為39.433、180.797、125.69及322.731，P<0.05)，均與年齡呈正相關(r>0,P<0.05)，但表皮與真皮的比值與年齡無相關關系(r=0.100,P>0.05)。見表1。

注：A為2周，B為4周，C為6周，D為8周，E為17周，F為26周，G為52周，H為104周。圖3 各組大鼠頭皮的組織學變化(HE，×100)Fig.3 Histological changes in rats' scalp of different age groups (HE，×100)

注：A為2周，B為4周，C為6周，D為8周，E為17周，F為26周，G為52周，H為104周。圖4 各組大鼠頭皮的真皮層變化(HE，×400)Fig.4 Histological changes in rats' scalp of different age groups (HE，×400)

表1 各組大鼠頭皮厚度的變化Tab.1 Changes in histological thickness in rats' scalp of different age

注：(1)與2周組比較，P<0.05；(2)與4周組比較，P<0.05；(3)與6周組比較，P<0.05；(4)與8周組比較，P<0.05；(5)與17周組比較，P<0.05；(6)與26周組比較，P<0.05；(7)與52周組比較，P<0.05。

2.2 頭皮拉伸實驗力-變形曲線變化

初始階段，頭皮組織的拉伸力隨位移增大而逐漸增大，當拉伸力達到最大值(60.97 N)后則急劇減小，最終試件斷裂。見圖5。

圖5 各組大鼠頭皮組織的拉伸力-變形曲線Fig.5 Force-deformation curves in rats' scalp in different age groups

2.3 頭皮生物力學參數變化

各組大鼠頭皮極限載荷、拉伸強度和彈性模量組間差異均有統(tǒng)計學意義(F值分別為24.980、11.052、5.578，P<0.05)。隨著年齡增長，極限載荷和拉伸強度呈增大趨勢，與年齡呈正相關(r分別為0.694、0.548，P<0.05)；彈性模量無明顯變化趨勢，與年齡無相關關系(r=0.290，P>0.05)。見表2。

3 討論

頭皮主要由角質化的表皮、富含膠原纖維的真皮以及由疏松結締組織為主要成分的皮下組織組成[7-8]。研究發(fā)現，皮膚的機械行為取決于多種因素，如年齡、性別、病理和體重，以及部位的位置(異質性)和方向(各向異性)，其中年齡是重要的影響因素[9]。已有研究表明，皮膚形態(tài)具有明顯的增齡性變化特征[10-12]。正是這種特征，為利用頭皮進行年齡推斷提供了可能。

表2 各組大鼠頭皮生物力學參數的變化Tab.2 Changes in biomechanical parameters in rats' scalp of different age groups

注：(1)與2周組比較，P<0.05；(2)與4周組比較，P<0.05；(3)與6周組比較，P<0.05；(4)與8周組比較，P<0.05。

本研究發(fā)現，隨年齡增加頭皮總厚度、表皮、真皮和皮下組織層厚度均具有增厚趨勢，且與年齡呈正相關關系，表明上述參數均可用于進行法醫(yī)學年齡推斷。其中，26周前變化趨勢更為明顯，26周后趨于穩(wěn)定，由于大鼠26周相當于人類35歲[13-14]，故利用頭皮形態(tài)學參數進行年齡推斷的“窗口期”為0～35歲。本研究還發(fā)現，頭皮增厚以真皮層增厚為主，提示頭皮總厚度和真皮層厚度在年齡推斷中具有優(yōu)勢。

利用頭發(fā)、眼角膜等組織生物力學參數進行年齡推斷已有相關文獻報道[15-16]，但利用頭皮生物力學參數推斷年齡較為少見。通常在利用縱向單軸拉伸試驗測試軟組織時，需要對試件進行預調以獲得可重復的機械響應，即在試驗開始時多次加載-卸載試件，以達到生物力學性能穩(wěn)態(tài)，通常在預調3～10次之后達到可重復性狀態(tài)[17]。Tonge等[18]研究了人類皮膚組織的最小預處理效應，即預調處理對數據有微小程度的影響。在實驗初始階段，低載荷會使皮膚發(fā)生很大變形，因為此時皮膚仍然非常柔順，纖維松弛，隨著纖維排列重新定向并逐漸沿載荷施加方向排列，皮膚的拉伸力逐漸增加，而隨著試驗進行，大多數纖維在載荷方向排列和拉伸，曲線幾乎變成直線。當拉伸力進一步增大達到纖維極限時，再施加很小的力就會導致皮膚破裂或斷裂[19]。因此，本研究以預調3次后進行試驗，以保證結果的可重復性和可靠性。

拉伸試驗發(fā)現，大鼠頭皮的極限載荷、拉伸強度、彈性模量等生物力學參數在2～104周總體呈上升趨勢，極限載荷和拉伸強度與大鼠周齡呈正相關關系，與Ottenio等[20]研究結論相符，提示極限載荷、拉伸強度與年齡具有較好的擬合度，可用于年齡推斷。但是，大鼠頭皮的彈性模量參數與年齡無明顯相關性，可能與頭皮彈性纖維隨年齡增長呈現非直線型變化趨勢有關，故該參數可能不適用于年齡推斷[21-22]。本研究單軸拉伸試驗結果同時表明，極限載荷、拉伸強度參數的增齡性變化趨勢范圍比頭皮總厚度、真皮層厚度等參數的范圍更廣，可彌補頭皮厚度在大鼠26周后出現“平臺期”現象的不足。因此，利用生物力學參數進行年齡推斷方法更優(yōu)。

綜上所述，不同年齡大鼠頭皮組織總厚度、真皮和皮下組織厚度隨年齡增長逐漸增大，頭皮極限載荷、拉伸強度隨年齡增長逐漸增大，上述參數呈現的增齡性變化規(guī)律可用以法醫(yī)學年齡推斷，其中以極限載荷、拉伸強度參數更為實用。