A型肉毒毒素輔助額部皮膚軟組織擴張的生物力學研究

[摘要]目的：通過動物實驗探討A型肉毒毒素注射后額部擴張皮瓣的生物力學性能的變化規律，以期為臨床應用提供理論依據。方法：選用白色實驗小型豬，在其胸腹部兩側用作網格樣標記，一側注射A型肉毒毒素，對側注射生理鹽水對照，兩側置入200ml擴張器，注水完成后切取全層擴張皮瓣作為試件，在Instron4302萬能材料試驗機上對皮瓣試件進行應力-應變、應力松弛和蠕變實驗。結果：實驗組皮瓣的粘彈性比對照組的好，更接近于未擴張皮瓣；在同樣的松弛時間內，實驗組皮瓣比對照組更容易松弛；在相同的應力作用下，相同的時間內，實驗組皮瓣的蠕變量要小于對照組。結論：注射A型肉毒毒素后，可以使擴張皮瓣的粘彈性增強，更接近于未擴張皮瓣，擴張器注水量增加，注水間隔縮短，在相同注水量下擴張面積增加。

[關鍵詞]A型肉毒毒素；額部皮膚軟組織擴張；生物力學；應力-應變關系；應力松弛；蠕變

[中圖分類號]R622 R332 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-6455（2012）02-0253-04

Study on biomechanical characteristics of using botulinum toxin A in forehead expanded flap

BAO Shi-wei1，LI Sen-kai2，HU Chun-hui3，LI Xiao-yang3

（1.Department of Plastic Surgery， Beijing Hospital，Beijing 100730， China;2.Plastic Surgery Hospital of CAMS;3.Beijing University of Technology）

Abstract: Objective Animal study is to investigate the biomechanics properties of using the botulinum toxin A to accelerate the expansion in forehead. Methods The bilateral chest and abdomen of every guinea pig was marked symmetrically in grid by tattoo. The botulinum toxin A was injected in cutaneous muscle of one side as the experimental group， the saline in other side as the control group. Implanted a 200ml expander beneath the cutaneous muscle on the bilateral chest and abdomen， and it was inflated 20ml each time， twice a week. After finished expansion， the specimens were obtained from the expanded flap and the capsule was resected. The stress-strain relationship， stress relaxation and creep of these specimens were tested by the material testing machine Instron4302. Results The viscoelasticity of the flap in the experimental group was better than the control group and similar to the unexpanded flap. In the same relaxation time，the flap in the experimental group was easy to relax than the control group. Keeping the same stress，the creep strain in the experimental group was less than the control group in the same period. Conclusion The botulinum toxin A can enhance the viscoelasticity of the expanded forehead flap，and make it similar to the unexpanded flap. It also can reduce the inflation resistance，accelerate the expansion，shorten the expansion period and enhance the area of expanded myocutaneous flap in forehead.

Key words:botulinum toxin A；expansion in forehead；biomechanics；stress-strain relationship；stress relaxation；creep

額部皮膚軟組織擴張已在臨床中被廣泛應用，由于額部具有特殊的解剖結構，皮膚、皮下組織和額肌三層結合緊密，擴張器一般要置入到額肌下，實際上臨床中常用的額部擴張皮瓣應該是一種擴張肌皮瓣[1]。筆者考慮到額部擴張時要包括額肌這一解剖特點，提出擴張器置入前使用A型肉毒毒素注射于額肌，利用其抑制突觸前膜釋放神經介質乙酸膽堿，阻斷神經介質的傳遞，從而引起肌肉松弛性麻痹，肌張力減低，達到降低擴張阻力、縮短擴張時間的作用。為了進一步明確其輔助擴張效果，筆者進行了相關動物實驗研究，利用皮膚生物力學特性與人相近的小型豬作為研究模型[2]，與北京工業大學機械工程與應用電子技術學院合作，采用便于臨床應用的應力-應變關系、應力松弛和蠕變這三項生物力學特性進行研究，探討A型肉毒毒素注射于額肌后，額部擴張皮瓣的生物力學特性的變化規律，為A型肉毒毒素輔助額部擴張器擴張在生物力學上尋找可靠證據，以更好的指導臨床應用。

1 材料和方法

1.1 實驗動物：實驗動物選用中國農科院提供的白色實驗小型豬4只，體重16～20㎏，性別不限，標準飼料單籠喂養。

1.2 儀器及試劑：①A型肉毒毒素：蘭州生物制品有限公司生產的衡力注射粉針（100U/支）；②擴張器：200ml長方形擴張器8枚（浙江余姚久盛硅橡膠制品廠）；③文身機、文刺針及紅色文身顏料；④Stimuplex HNS 11神經刺激儀(德國Stockert GmbH公司)；⑤Instron4302萬能材料試驗機（制造商是英國Instron Ltd公司）；⑥實驗用麻醉藥物：速眠新、氯胺酮、陸醒靈及利多卡因；⑦常規手術器械；⑧注射器、4-1/2頭皮針、鋼尺。

1.3 實驗方法

1.3.1 麻醉

采用氯胺酮和速眠新按2:1或3:1混合后肌注全身麻醉，藥物用量為首次肌注0.2ml/kg，手術時間每超過1.5h追加半量，術中使用1%的利多卡因行局部浸潤麻醉。

1.3.2 文身：距背正中線相等的胸腹部兩側，用文身機作長方形網格樣標記，大小為10㎝×6㎝，網格間距為2㎝，長軸與豬脊柱垂直（即與豬皮肌纖維垂直），用紅色顏料標記。

1.3.3 A型肉毒毒素注射：隨機選取小型豬一側胸腹部紅色文身區（即擴張器擬植入區）注射A型肉毒毒素，對側注射生理鹽水作為對照組。利用神經刺激儀指示注射深度。A型肉毒毒素的用法為：用4ml生理鹽水溶解100uA型肉毒毒素，濃度為2.5U/0.1ml，每點注射2.5U/0.1ml，總量60U。

1.3.4 擴張器植入：3天后行擴張器植入術，左右兩側均植入200ml長方形擴張器各一枚：在紅色文身區頭側或尾側切開皮膚，切口長約3cm，在皮肌下作鈍性分離，分離腔隙至紅色文身區邊緣，切勿超過紅色文身區，將擴張器植入皮肌下。分層縫合切口，術后肌注青霉素80萬單位，用磺胺喂養3天，預防切口感染。

1.3.5擴張器注水：擴張器植入術后7天開始向擴張器內注水，每次擴張器固定注水量20ml（擴張器容量的10%），注水總量達到擴張器額定容量200ml時完成擴張過程。

1.3.6 生物力學實驗試件的切取：擴張器注水完成后7天，在每個擴張皮瓣中央上下兩側，平行于脊椎方向切取3條2㎝×1㎝全層擴張皮瓣，修剪掉包膜組織。即每只小型豬實驗側切取6個試件，對照側切取6個試件，共12個試件。切取皮瓣的方向要與皮肌纖維的方向保持一致，并以其長軸方向進行生物力學檢測，以消除因肌纖維方向而造成擴張皮瓣生物力學特性的各異所帶來的偏差。

1.3.7 生物力學檢測：與北京工業大學機械工程與應用電子技術學院合作，在Instron4302萬能材料試驗機上對皮瓣試件進行應力-應變、應力松弛和蠕變實驗。實驗在常溫下進行，且用超聲波加濕器保持一定的濕度。本實驗采用的傳感器為100N，變形由Instron4302萬能材料試驗機自動測量，所有的力學實驗都經過預調處理過程。先對試件進行抗拉強度實驗，然后根據強度實驗的結果定出合理的應力水平，在同一應力水平下進行其它的生物力學實驗。測定應力-應變時以相同的速度10mm/min拉伸試件，直到載荷達到約2.0MPa，然后以同樣速度卸載，直到載荷為0，經過三次這樣的加載和卸載處理后，可以看到加載和卸載時的應力-應變曲線的滯后環相對消失，曲線趨于穩定，此時的應力-應變為經過預調處理的結果，取實驗的第4次結果，進行比較和計算。對應力松弛和蠕變也同樣要經過預調，使其達到穩定狀態。進行應力松弛實驗時，本實驗中設定加載速度為125mm/min，使試件突然受拉至某一應力水平約2.0MPa，并保持其伸長不變，應力將會逐漸減小，松弛時間為600s。進行蠕變實驗時，加載速度為10mm/min，試件達到應力約為2.0MPa時，保持應力不變，試件將變形發生蠕變，本實驗中蠕變時間為600s。

1.3.8 統計學處理：將A型肉毒毒素注射側的擴張皮瓣試件與對照側試件做對比，研究A型肉毒毒素注射后擴張皮瓣的生物力學特性的變化情況。所有數據均采用origin7.5進行擬和比較，得出其擬合參數，再進行t檢驗，來分析比較兩種材料各個性能的差別。

2 結果

2.1 應力-應變：經過三次加載卸載處理后，曲線趨于穩定，此時實驗的第4次結果應力-應變為經過預調處理的結果，記錄此時試件上的拉力F和伸長量 L。因為擴張皮瓣為軟組織，要按大變形計算，因此采用大變形的應力-應變關系。分別計算伸長比λ=。假定皮膚為不可壓縮材料，采用Lagrange應力 和Green應變，其中lagrange應力為T=F/A0，Green應變ε=（λ2-1）/2，其中F為作用于試件上的拉力，A0為初始面積，L為試件伸長后長度，L0為試件的初始長度。

實驗組和對照組的應力-應變曲線見圖1。由圖1的兩組試件的應變通過函數 擬合所得的參數值見表1。

以上的應力應變曲線反映了擴張皮瓣在不同應力作用下組織的變形能力，是生物軟組織粘彈性指標之一。同樣的應力作用下，變形越大，表明其粘彈性越大。從圖1中的曲線變化趨勢可以看出在同一應力水平下實驗組應變大，說明實驗組皮瓣的粘彈性比對照組的好，更接近于未擴張皮瓣。經統計分析，二者之間有顯著性差異（P<0.05）。

2.2 應力松弛：將試件突然施加一100N定力，使其有一定的伸長量，然后保持此伸長量不變，試件內相應的應力逐漸減小的過程，稱為應力松弛。松弛實驗也需要經過預調整，使其達到穩定狀態。為了使不同的應力狀態有統一的描述，將松弛曲線進行歸一化處理，即把所有應力值除以最初應力值(t=0時的應力值)。圖2為實驗組和對照組的歸一化應力松弛曲線G（t）。由圖2的歸一化松弛曲線通過函數 進行擬合比較所得的各參數值列于表2。

從以上應力松弛曲線圖可以看出，在同一應力水平下，保持試件長度不變時，對照組的應力減小量小于實驗組，也就是說，在同樣的松弛時間內，實驗組皮瓣比對照組更容易松弛。經統計分析，兩試件的松弛量有顯著性差異（P<0.01）。2.3 蠕變：將試件突然施加一定的應力，然后保持應力不變，試件繼續發生變形的現象稱為蠕變。同應力松弛一樣，為了使不同的應變狀態有統一的描述，將蠕變曲線進行歸一化處理，即把所有應變除以最初應變值(t=0時的蠕變值)，所得的曲線即為歸一化蠕變曲線J（t）。如圖3所示，兩種歸一化曲線通過函數 進行擬合比較所得的各參數值列于表3。

由圖中可以看出對照組的 曲線低于實驗組的 曲線，蠕變和松弛同屬于軟組織粘彈性性質，但它們的力學特性由不同的表現和反映，參數Je可以用來反映試件的蠕變實驗期終止時的J(t)值，Je反映了蠕變的程度。從圖中可以看出，蠕變終止時，對照組的Je值最小。說明在相同的應力作用下，相同的時間內，對照組的蠕變量小，就是說實驗組皮瓣的蠕變量要好于對照組。經統計分析，實驗組的蠕變量和對照組的蠕變量有顯著性差異（P<0.01）。

3 討論

自1976年Radovan[3]設計出硅膠囊擴張器以來，額部軟組織擴張已在臨床中被廣泛應用于頭面部外傷、瘢痕、腫瘤及先天畸形等的治療，對頭面部器官的再造由于其具有皮膚色澤相近、就近轉移、血運豐富等優點而被優先選用，額部皮膚擴張已成為部分或者全鼻再造的首選方法。但是，常規皮膚擴張術治療周期長仍是目前困擾臨床的突出問題。在額部，由于特殊的解剖層次，擴張器一般要置于額肌下，這就使得額部擴張器在注水擴張的過程中不僅要克服表面皮膚的阻力，而且要受到額肌的限制，使擴張器注水速度減慢，注水期延長。基于以上原因和額部的特殊解剖結構，筆者提出在額部擴張器置入前注射A型肉毒毒素于額肌，利用A型肉毒毒素抑制突觸前膜釋放神經介質乙酸膽堿，阻斷神經介質的傳遞，從而引起額肌松弛性麻痹，使肌肉松弛，肌張力減低，達到降低擴張阻力、縮短擴張時間的作用。由此筆者進行了相關的動物實驗及臨床研究[4-5]。為了進一步明確其輔助擴張效果，為A型肉毒毒素輔助額部擴張器擴張在生物力學上尋找可靠證據，筆者與北京工業大學機械工程與應用電子技術學院合作，采用便于臨床應用的應力-應變關系、應力松弛和蠕變這三項生物力學特性進行研究，探討A型肉毒毒素注射于額肌后，額部擴張皮瓣的生物力學特性的變化規律，以更好的指導臨床應用。

軟組織力學是通過離體及活體的實驗來研究生物材料的力學性能。近20年來，軟組織力學研究被大量的應用于軟組織擴張的基礎研究，皮膚軟組織經擴張器擴張后之所以能夠延伸增加其面積，主要由其生物力學性質決定的，很多學者對皮膚擴張后的生物力學特性進行了研究，取得了肯定的研究結果[6-8]。

由于皮膚的力學性能在不同個體的同一部位存在差異，在同一個體的不同部位也存在差異，同一皮膚在不同方向上的性能不完全相同，任何部位的皮膚還會隨年齡增長發生顯著的變化[9]；而且由于要與皮肌一同擴張，皮肌的肌纖維方向不同，其力學性能也各不相同。因此，筆者采用對照實驗的研究方法，即選用小型豬距脊柱兩側相同的胸腹部植入擴張器，標本切取時方向保持一致以避免因豬皮膚生物力學特性各向異性所產生的實驗誤差，并統一選取皮瓣平行于皮肌肌纖維方向進行生物力學檢測，力求盡量消除可能引起對照差別的各種主要因素，使實驗結果更加可靠。

皮膚軟組織的應力-應變關系反映皮膚在不同應力的作用下組織變形的能力，是代表皮膚粘彈性的指標之一。它不服從虎克定律，應力隨著應變的增加比虎克定律預計的要快得多，是非線性的關系，這是由皮膚的各向異性造成的[2]。在同樣的應力作用下，變形越大，表明其粘彈性越強[10]。從實驗結果看，注射A型肉毒毒素后，實驗組擴張皮瓣的應變增大，其粘彈性增強，性質更接近于未擴張皮瓣。

皮膚的應力松弛特性是指在維持組織應變不變的情況下，應力隨時間而下降的特性。皮膚經擴張后即產生組織的變形，面積增加，擴張器表面的張力（相當于初始應力）增大。以后隨著時間的增加，皮膚逐漸變得松弛，應力逐漸下降，應力松弛特性的存在允許皮膚能進行下一次的注水。實驗結果反應的注射A型肉毒毒素后皮瓣的應力松弛要優于對照組，表明在同樣的松弛時間內，實驗組比對照組松弛的更為充分，說明在相同的間隔時間下，實驗組能耐受更大的注水量，或者能夠在更短的間隔時間內進行下次注水。

蠕變則是指給予皮膚一定的應力，并保持不變，皮膚可隨時間的增加而逐漸被拉長。Gibson[11]將蠕變分為機械性蠕變和生物學蠕變。后者伴有代謝的增加及組織增殖，故皮膚的擴張屬于生物學蠕變。由于具有蠕變特性，所以皮膚在擴張器注水擴張時能被逐漸擴張。從實驗結果看，實驗組的蠕變性能大于對照組，說明在同樣應力作用同樣時間的情況下，實驗組皮瓣較對照組蠕變速度快，蠕變量大，反應了在相同的注水張力下，注射A型肉毒毒素后可使皮瓣的機械蠕變更大，得到更多的擴張面積。

4 結論

應用實驗動物對A型肉毒毒素注射于額肌后額部皮瓣的生物力學性能進行評價，可以得出結論：注射A型肉毒毒素后，可以使擴張皮瓣的粘彈性增強，更接近于未擴張皮瓣，擴張器注水量增加，注水間隔縮短，在相同注水量下擴張面積增加。這一結果與動物實驗結果相互印證，為臨床應用提供了可靠的理論基礎。

[參考文獻]

[1]鐘德才，魯開化，艾玉峰.額部擴張皮瓣全鼻再造術[J].中華整形燒傷外科雜志，1994，10(5):178-181.

[2]馮元禎.生物力學[M].北京:科學出版社，1983:124-160.

[3]Radovan C.Reconstruction of the breast after radical mastectomy using temporary expander[J].Plast Surg Forum，1978，1:41-43.

[4]鮑世威，李森愷，楊明勇，等.A型肉毒毒素輔助額部皮膚軟組織擴張的實驗研究[J].中國美容醫學，2009，18(4):13-16.

[5]李森愷，鮑世威，周傳德，等.A型肉毒毒素在額部軟組織擴張中的應用[J].中國美容醫學，2008，17(1):8-11.

[6]Schneider MS，Borkow JE，Cruz IT.et al.The tensiometric properties of expanded guinea pig skin[J].Plast Reconstr Surg，1988，81(3):398-405.

[7]Timmenga EJ，Schoorl R，Klopper PJ，et al.Biomechanical and histomorphological changes in expanded rabbit skin[J].Br J Plast Surg，1990，43:101-106.

[8]張正文，翟弘峰，康深松.擴張皮膚移植后的生物力學變化[J].中國美容醫學，2006，15(3):267-269.

[9]Zeng yanjun，Huang kun，Xu chuanqing. Biorheological characteristics of skin after expansion[J]. Biorheology，2001，38(5):367-378.

[10]楊堅，曾衍鈞，張恩平.皮膚擴張粘彈性實用分析[J].北京生物醫學工程，2004，23(1)：70-72.

[11]Gibson T.Reconstruction of the top of the nose and ala by load cycling of the nasal skin and harnessing of extra skin[J].Plant Reconstr Surg，1986，77:320.

[收稿日期]2011-10-13 [修回日期]2011-12-18

編輯/張惠娟