周圍神經生物力學簡介

顧建文，解放軍306醫院，神經外科

生物力學是當前活躍在自然科學前沿的新興學科，作為一門獨立學科在國際上正式出現以來，受到人們高度重視。生物力學是研究生物體中力學問題的科學，是力學、生物學、醫學等學科相互滲透的邊緣學科，體現了現代科學的發展，具有學科間彼此滲透、相互交叉、緊密聯繫的特點。它研究的範圍極廣，從生物的整體直至各部分器官或組織的運動，已成為診斷學、外科學、修復學、骨科學等醫學學科的理論基礎。目前，對於生物硬組織（如骨骼、牙齒、關節等）及部分生物軟組織（如肌肉、血液、血管等）的力學特性研究已有大量報道，但有關周圍神經生物力學特性的研究尚不多。周圍神經無論在生理狀態下，還是在牽拉傷的發生機制中，以及在損傷後的張力縫合或神經損傷後移植神經長度的選擇等方面，均與神經的生物力學特性密切相關。

周圍神經的基本組成單位是神經纖維，許多神經纖維聚集合成神經束，由數量不等的神經束再聚集合成神經干。神經干內的神經纖維並不是局限在單一的的神經束內，而是在不同的神經束之間穿插行走，不斷交換神經纖維，使得神經束的數目、大小和位置不斷發生變化，在神經干內，不同神經束之間形成叢狀交織的狀態。周圍神經干內的結締組織包括神經內膜、神經束膜和神經外膜。神經內膜包繞每根神經纖維並將許多神經纖維組合成束，其特徵是含量豐富，由纖維的膠原纖維排列成束狀。神經外膜包繞在許多神經束集合成的神經干外面，它含有三種細胞外纖維，以縱行走向的膠原纖維最多，其次是縱行排列成板層狀的彈性纖維。

關於周圍神經結締組織的膠原纖維成分。

從周圍神經局部解剖與組織結構特點來看，周圍神經並不是各向同性的均質結構，神經內各結構成分所表現的力學性質不同，所以，了解周圍神經力學性質的結構基礎，對深入研究周圍神經的力學性質及周圍神牽拉傷的損傷機制具有重要意義。

周圍神經是具有粘性和彈性雙重性質的生物軟組織，其生物力學特性包括抗張性，應力應變關係，滯後，應力鬆弛，蠕變等現象。周圍神經的抗張性在正常生理狀態下，周圍神經能在一定範圍內適應外力的牽張，表現出一定程度的抗張性。目前研究發現這種抗張性存在如下結構基礎：第一，神經干、神經束、神經纖維在其周圍的組織床上均是迂曲存在的，意味著神經纖維實際長度比神經干要長，這使得神經在被牽拉時，可以通過神經干、神經束、神經纖維迂曲的消失，使受到的力得到吸收與中和，從而保護神經組織，體現出一定的抗張強度。第二，在神經內結締組織膜中，均含有膠原纖維。膠原纖維韌性大，抗拉力強，能抵禦一定程度的機械刺激，具有較高的抗張性。但對於周圍神經中三種結締組織膜抗張性大小的認識，存在爭議。周圍神經中束膜是最具有抗張性的結構，神經外膜2 型膠原占絕對優勢，決定了外膜有較強抗張性，神經束在神經干內又分又合，彼此交錯呈現叢狀的排列方式，也提高了神經的抗張性。了解周圍神經抗張性的結構基礎，對深入研究周圍神經牽拉傷的發生機制，神經損傷後張力縫合以及神經缺損後移植神經長度選擇等方面的應用研究均提供有益理論基礎。

應力—應變關係是於載荷—延長量形狀相似的曲線，即應變對應力響應不是瞬時完成的。該曲線可分三部分，第一部分為正常生理作用範圍的彈性階段，應力與應變呈指數關係，曲線為凹形，對應應力成正比的最大應力即為該神經彈性極限；第二部分為近似直線，提示當超過神經的彈性限度，神經延長即便減少，張力卻急劇增加，似直線上升；第三部分應力與應變的關係近似第一段，但曲線為凸形，此段最高點所對應的應力為該神經的強度極限。神經應力—應變關係曲線的形狀受多種因素的影響，不同種屬，不同個體，或同一個體不同部位的神經，甚至同一根神經不同節段，其曲線形狀都有很大差異。對於同一段神經，載入速度、施力方式、是在體或離體也會影響到曲線形狀。曾用三種載入方式：恆定逐步載入、長時間

逐步載入，突然載入，結果引出的應力—應變關係曲線明顯不同。因此，對於神經應力—應變關係的研究，必須綜合考慮其影響因素，尤其是比較不同神經的力學性質，必須在載入速度、施力方式等外部因素一致的條件下進行。神經的滯後現在對同一神經載入和御載過程中，作兩條應力—應變關係曲線，兩曲線並不重合，表現出滯後現象，具體地說，對於同一應力水平御載時的應變要比載入時的應變大一些，出現滯後環。這是由神經是一種粘彈性固體的特性所決定。現有大量實驗證實，神經被牽拉早期，以彈性性質表現為主，很快達到彈性極限；中期和後期，則以粘性性質表現為主，直至達到神經斷裂點，而且神經的彈性極限遠遠小於斷裂點。當神經組織受到較大力牽拉後，會出現扭曲狀態，這說明，在神經內部不同彈性性質的成分中，有的已超出彈性極限，而有的還在彈性範圍內，所以對整個神經干而言，御載的過程應變對應力的響應會落後於載入的過程，出現滯後現象。

神經的應力鬆弛

將神經拉伸到一定長度，應力隨時間的延長而逐漸減小的現象為應力鬆弛。應力鬆弛是神經組織對變形的適應性反應，機制尚不清楚。應力鬆弛可用應力—時間曲線加以描繪。許多學者對其影響因素進行研究! 發現不同的初始應變狀態以及施力後變化的速率不同，應力鬆弛程度不同。神經的應力鬆弛特性對於認識吻合口張力，確定神經損傷後的張力臨界點具有重要意義。

神經的蠕變

蠕變是物體在恆定應力作用下，其形變隨時間增加而增加的現象，對周圍神經蠕變現象的專門研究，報道不多。周圍神經蠕變現象與其生物軟組織的性質相似，但在定量上有較大差別。 周圍神經生物力學特性的研究現狀周圍神經在形態學、生理學、病理學、生化學、分子學等領域已有深入研究，但其生物力學特性的研究卻遠不理想。究其原因，研究技術與方法始終

是束縛該領域發展的重要因素。早期的研究主要是採用離體神經進行力學測試，測試的方法差異很大，有沿用剛性材料力學實驗方法，在各種類型的萬能材料試驗機上進行單向拉伸測試；有採用張力感測器與二道生理記錄儀連續記錄張力的變化，再根據每次伸長的張力峰值，轉換成應變—張力曲線。但是，生物軟組織的力學特性受神經、體液、代謝以及理化環境的調控和影響。周圍神經是比較典型的索狀軟組織，與其他軟組織相比，在人和動物體內耐受缺氧能力差，理化環境要求嚴格，對氧供、離子強度、溫度都有較高要求，因此離體的神經組織不能表現出生命活體在原位狀態下的力學特性，所以，通過離體的神經組織實驗，難以提供準確的生物力學參數。隨著臨床醫學和生物醫學工程應用研究的發展，周圍神經的力學研究，有從離體向在體和活體發展的趨勢。但由於活體神經生物力學實驗手段還不完善，因而公認的理論和實驗方法不多，主要存在的問題是無損夾具、載入方式的設計和邊界條件的確定比較困難。

周圍神經力學特性的研究是一個具有廣闊前景的領域，有許多芳草地有待開發和探索，但也存在一些難題。第一，周圍神經生物力學特性研究缺乏公認的較為成熟的理論和技術與方法，故同一受試對象，不同學者採用不同方法，研究結果相差懸殊，使得周圍神經部分力學特性參數指標存在爭議。第二，不同種屬、個體的神經，或同一個體不同部位的神經，甚至同一神經的不同節段，其生物力學特性不同，而目前神經生物力學資料庫遠不豐富。第三，在神經應力—應變規律的研究中，神經內各主要成分的力學性質及其在神經干應力—應變規律中的作用，沒有準確的方法加以檢測，而這對於深入系統闡明神經組織的力學特徵，對於徹底揭示神經牽拉傷的致傷機制、及預防神經牽拉傷的形成均具有重要意義。第四，周圍神經損傷後，生物力學特性的改變對神經修復的影響，缺乏系統研究。如神經斷裂傷後，有關縫合口張力大小對修復效果的影響，尚無定論，而如何確定神經損傷的張力臨界點對修復的成敗具有重要意義。

研究周圍神經生物力學特性的意義

神經受到外力造成損傷，常常是在外觀仍保持完整時，內部卻發生了可逆或不可逆的病理改變，而張力又是導致周圍神經修復失敗常見的因素。因此，周圍神經的損傷、修復、再生及功能恢復過程均需要客觀評價指標。通過神經生物力學研究，可以明確：第一，正常神經干受到多大程度的牽拉會引起損傷，神經損傷的病理類型與外力有何定量關係。第二，神經內各主要成分在神經干應力—應變規律中的作用如何。第三，神經斷裂後，吻合口張力對神經再生質量與功能恢復有何影響。這些問題一旦闡明，對於徹底揭示神經牽拉傷的致傷機制及預防神經牽拉傷的形成，確定神經張力縫合的臨界點，既具有理論意義，又具有臨床應用價值。

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