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顾建文，解放军306医院，神经外科 生物力学是当前活跃在自然科学前沿的新兴学科，作为一门独立学科在国际上正式出现以来，受到人们高度重视。生物力学是研究生物体中力学问题的科学，是力学、生物学、医学等学科相互渗透的边缘学科，体现了现代科学的发展，具有学科间彼此渗透、相互交叉、紧密联系的特点。它研究的范围极广，从生物的整体直至各部分器官或组织的运动，已成为诊断学、外科学、修复学、骨科学等医学学科的理论基础。目前，对于生物硬组织（如骨骼、牙齿、关节等）及部分生物软组织（如肌肉、血液、血管等）的力学特性研究已有大量报道，但有关周围神经生物力学特性的研究尚不多。周围神经无论在生理状态下，还是在牵拉伤的发生机制中，以及在损伤后的张力缝合或神经损伤后移植神经长度的选择等方面，均与神经的生物力学特性密切相关。 周围神经的基本组成单位是神经纤维，许多神经纤维聚集合成神经束，由数量不等的神经束再聚集合成神经干。神经干内的神经纤维并不是局限在单一的的神经束内，而是在不同的神经束之间穿插行走，不断交换神经纤维，使得神经束的数目、大小和位置不断发生变化，在神经干内，不同神经束之间形成丛状交织的状态。周围神经干内的结缔组织包括神经内膜、神经束膜和神经外膜。神经内膜包绕每根神经纤维并将许多神经纤维组合成束，其特征是含量丰富，由纤维的胶原纤维排列成束状。神经外膜包绕在许多神经束集合成的神经干外面，它含有三种细胞外纤维，以纵行走向的胶原纤维最多，其次是纵行排列成板层状的弹性纤维。 关于周围神经结缔组织的胶原纤维成分。 从周围神经局部解剖与组织结构特点来看，周围神经并不是各向同性的均质结构，神经内各结构成分所表现的力学性质不同，所以，了解周围神经力学性质的结构基础，对深入研究周围神经的力学性质及周围神牵拉伤的损伤机制具有重要意义。 周围神经是具有粘性和弹性双重性质的生物软组织，其生物力学特性包括抗张性，应力应变关系，滞后，应力松弛，蠕变等现象。周围神经的抗张性在正常生理状态下，周围神经能在一定范围内适应外力的牵张，表现出一定程度的抗张性。目前研究发现这种抗张性存在如下结构基础：第一，神经干、神经束、神经纤维在其周围的组织床上均是迂曲存在的，意味着神经纤维实际长度比神经干要长，这使得神经在被牵拉时，可以通过神经干、神经束、神经纤维迂曲的消失，使受到的力得到吸收与中和，从而保护神经组织，体现出一定的抗张强度。第二，在神经内结缔组织膜中，均含有胶原纤维。胶原纤维韧性大，抗拉力强，能抵御一定程度的机械刺激，具有较高的抗张性。但对于周围神经中三种结缔组织膜抗张性大小的认识，存在争议。周围神经中束膜是最具有抗张性的结构，神经外膜2 型胶原占绝对优势，决定了外膜有较强抗张性，神经束在神经干内又分又合，彼此交错呈现丛状的排列方式，也提高了神经的抗张性。了解周围神经抗张性的结构基础，对深入研究周围神经牵拉伤的发生机制，神经损伤后张力缝合以及神经缺损后移植神经长度选择等方面的应用研究均提供有益理论基础。 应力—应变关系是于载荷—延长量形状相似的曲线，即应变对应力响应不是瞬时完成的。该曲线可分三部分，第一部分为正常生理作用范围的弹性阶段，应力与应变呈指数关系，曲线为凹形，对应应力成正比的最大应力即为该神经弹性极限；第二部分为近似直线，提示当超过神经的弹性限度，神经延长即便减少，张力却急剧增加，似直线上升；第三部分应力与应变的关系近似第一段，但曲线为凸形，此段最高点所对应的应力为该神经的强度极限。神经应力—应变关系曲线的形状受多种因素的影响，不同种属，不同个体，或同一个体不同部位的神经，甚至同一根神经不同节段，其曲线形状都有很大差异。对于同一段神经，加载速度、施力方式、是在体或离体也会影响到曲线形状。曾用三种加载方式：恒定逐步加载、长时间 逐步加载，突然加载，结果引出的应力—应变关系曲线明显不同。因此，对于神经应力—应变关系的研究，必须综合考虑其影响因素，尤其是比较不同神经的力学性质，必须在加载速度、施力方式等外部因素一致的条件下进行。神经的滞后现在对同一神经加载和御载过程中，作两条应力—应变关系曲线，两曲线并不重合，表现出滞后现象，具体地说，对于同一应力水平御载时的应变要比加载时的应变大一些，出现滞后环。这是由神经是一种粘弹性固体的特性所决定。现有大量实验证实，神经被牵拉早期，以弹性性质表现为主，很快达到弹性极限；中期和后期，则以粘性性质表现为主，直至达到神经断裂点，而且神经的弹性极限远远小于断裂点。当神经组织受到较大力牵拉后，会出现扭曲状态，这说明，在神经内部不同弹性性质的成分中，有的已超出弹性极限，而有的还在弹性范围内，所以对整个神经干而言，御载的过程应变对应力的响应会落后于加载的过程，出现滞后现象。 神经的应力松弛 将神经拉伸到一定长度，应力随时间的延长而逐渐减小的现象为应力松弛。应力松弛是神经组织对变形的适应性反应，机制尚不清楚。应力松弛可用应力—时间曲线加以描绘。许多学者对其影响因素进行研究! 发现不同的初始应变状态以及施力后变化的速率不同，应力松弛程度不同。神经的应力松弛特性对于认识吻合口张力，确定神经损伤后的张力临界点具有重要意义。 神经的蠕变 蠕变是物体在恒定应力作用下，其形变随时间增加而增加的现象，对周围神经蠕变现象的专门研究，报道不多。周围神经蠕变现象与其生物软组织的性质相似，但在定量上有较大差别。 周围神经生物力学特性的研究现状周围神经在形态学、生理学、病理学、生化学、分子学等领域已有深入研究，但其生物力学特性的研究却远不理想。究其原因，研究技术与方法始终 是束缚该领域发展的重要因素。早期的研究主要是采用离体神经进行力学测试，测试的方法差异很大，有沿用刚性材料力学实验方法，在各种类型的万能材料试验机上进行单向拉伸测试；有采用张力传感器与二道生理记录仪连续记录张力的变化，再根据每次伸长的张力峰值，转换成应变—张力曲线。但是，生物软组织的力学特性受神经、体液、代谢以及理化环境的调控和影响。周围神经是比较典型的索状软组织，与其他软组织相比，在人和动物体内耐受缺氧能力差，理化环境要求严格，对氧供、离子强度、温度都有较高要求，因此离体的神经组织不能表现出生命活体在原位状态下的力学特性，所以，通过离体的神经组织实验，难以提供准确的生物力学参数。随着临床医学和生物医学工程应用研究的发展，周围神经的力学研究，有从离体向在体和活体发展的趋势。但由于活体神经生物力学实验手段还不完善，因而公认的理论和实验方法不多，主要存在的问题是无损夹具、加载方式的设计和边界条件的确定比较困难。 周围神经力学特性的研究是一个具有广阔前景的领域，有许多芳草地有待开发和探索，但也存在一些难题。第一，周围神经生物力学特性研究缺乏公认的较为成熟的理论和技术与方法，故同一受试对象，不同学者采用不同方法，研究结果相差悬殊，使得周围神经部分力学特性参数指标存在争议。第二，不同种属、个体的神经，或同一个体不同部位的神经，甚至同一神经的不同节段，其生物力学特性不同，而目前神经生物力学数据库远不丰富。第三，在神经应力—应变规律的研究中，神经内各主要成分的力学性质及其在神经干应力—应变规律中的作用，没有准确的方法加以检测，而这对于深入系统阐明神经组织的力学特征，对于彻底揭示神经牵拉伤的致伤机制、及预防神经牵拉伤的形成均具有重要意义。第四，周围神经损伤后，生物力学特性的改变对神经修复的影响，缺乏系统研究。如神经断裂伤后，有关缝合口张力大小对修复效果的影响，尚无定论，而如何确定神经损伤的张力临界点对修复的成败具有重要意义。 研究周围神经生物力学特性的意义 神经受到外力造成损伤，常常是在外观仍保持完整时，内部却发生了可逆或不可逆的病理改变，而张力又是导致周围神经修复失败常见的因素。因此，周围神经的损伤、修复、再生及功能恢复过程均需要客观评价指标。通过神经生物力学研究，可以明确：第一，正常神经干受到多大程度的牵拉会引起损伤，神经损伤的病理类型与外力有何定量关系。第二，神经内各主要成分在神经干应力—应变规律中的作用如何。第三，神经断裂后，吻合口张力对神经再生质量与功能恢复有何影响。这些问题一旦阐明，对于彻底揭示神经牵拉伤的致伤机制及预防神经牵拉伤的形成，确定神经张力缝合的临界点，既具有理论意义，又具有临床应用价值。 |
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