人体皮肤摩擦和弹性性能的试验研究

南京航空航天大学
硕士学位论文
人体皮肤摩擦和弹性性能的试验研究
姓名：李远峰
申请学位级别：硕士
专业：机械设计及理论
指导教师：戴振东
20080301
摘 要
皮肤位于人体的表面
是人体健康的第一道防线
在日常生活中人体皮肤
不可避免与其它多种材料的摩擦接触
从而产生了许多皮肤摩擦问题人体皮肤
许多生理功能的实现都依赖于其力学性能而皮肤的弹性性能是皮肤力学性能的
一个重要参数
因此
人体皮肤摩擦和弹性性能的研究对于人们保持皮肤健康提高生活质量具有重要的意义
目前国内外关于皮肤摩擦性能的研究主要是在传统的摩擦试验装置上进行
的
这些试验装置大多只能针对人体上肢部位皮肤进行测试测试部位的局限性
较大
国内外有关专用的皮肤摩擦试验装置的研究比较少
为此本文在研究中自行设计了一台FS-1
便携式皮肤摩擦试验机
该装置灵活小巧
使用方便适用
范围广
不但可以测试人体上肢部位皮肤的摩擦系数
而且还可以对人体额头脸颊等其它部位皮肤进行测试 本文采用UMT-
多功能摩擦磨损试验机测试了人体皮肤的摩擦和弹性性能同时采用自行研制的FS-1
便携式皮肤摩擦试验机测试人体皮肤的摩擦性能定量的研究了性别试验部位
试验设备和护肤品对人体皮肤摩擦和弹性性能的影响
试验数据进行了统计学分析
研究结果表明
1
在选定人群样本中性别对皮
肤的摩擦性能影响不大
不同试验部位皮肤的摩擦性能存在差异皮肤摩擦性能
的测试结果因试验设备不同而异
硅油霜显著影响皮肤的摩擦性能其保湿性能
在不同性别
不同试验部位和不同试验设备之间差别不大
2在选定人群样本
中
性别对皮肤的弹性性能影响不大
不同试验部位皮肤的弹性性能存在差异使用硅油霜后未见皮肤的弹性有显著变化 关键词人体皮肤摩擦性能弹性性能硅油霜保湿性能 女士内衣/
Abstract
Skin is located at the surface of human body, it is the first line of human health. In daily life, human skin often contacts with a variety of materials, resulting in a lot of skin frictions, many physiological functions of the skin depend on its mechanical properties, and the skin elastic properties is an important parameter of skin mechanical properties. Therefore, study of human skin frictional and elastic properties have a great significance for maintaining better skin health and improving people's quality of life.
At present, the study of skin friction is mainly on the traditional friction test devices at home and abroad, most of these devices can only test the upper limbs skin of human, having lots of limitations, the development of dedicated skin friction test device is relatively small at home and abroad. In this thesis, we designed a FS-1 portable skin friction tester, which is flexible, easy to use, and a wide range of applications, not only can test the friction coefficients of human upper limbs skin, but also forehead, face , and other sites.
In this thesis,we tested the friction coefficients and elastic modulus of human skin
on UMT-muti-specimen biomedical micro-tribometer, we also tested the friction coefficients of human skin on FS-1 portable skin frictional tester and quantitativly studied gender, test sites, skin care product and test equipments to the effect on frictional and elastic properties of human skin statistical analysis were used in data analysis.The results show that: (1) In selected samples of the crowd , gender has no significant effect on frictional properties of human skin the frictional properties of human skin have significant differences among different test sites,there were significant differences on frictional properties of human skin between different test equipments; Silicone cream has significant effect on frictional properties of human skin,but there were no significant differences for the moisturizing properties of silicone cream between different gender different test sites and different test equipments.(2) In selected samples of the crowd , gender has no significant effect on elastic properties of human skin, elastic properties of human skin have significant differences among different test sites;After using silicone cream, there were no significant differences on elastic properties of human skin.
Keywords: human skin, frictional properties, elastic properties, silicone cream,
moisturizing properties
图清单
图1.1 人体皮肤组织结构图 (2)
图1.2 旋转式皮肤摩擦测试仪原理图 (4)
图1.3 往复式皮肤摩擦试验装置 (4)
图1.4 ST-1型往复滑动皮肤摩擦试验装置原理图 (4)
图1.5 手指皮肤摩擦系数变化与法向载荷的关系 (7)
图1.6 离体皮肤的摩擦系数随皮肤水合作用变化的关系 (7)
图1.7 在体皮肤摩擦系数与皮肤缺水的关系 (7)
图1.8 皮肤涂覆不同品质护肤品后摩擦系数变化曲线 (9)
图1.9 皮肤涂抹不同种类护肤品后摩擦系数变化曲线 (10)
图1.10 不同材料疏水性(Ho/%)与摩擦系数间的关系 (11)
图1.11 基于吸力原理的皮肤弹性测试仪 (12)
图1.12 基于扭力原理的皮肤弹性测试仪 (12)
图1.13 基于弹性切力波原理的皮肤弹性测试仪 (13)
图2.1 UMT-多功能摩擦磨损试验装置 (17)
图2.2 专用夹具 (18)
图2.3 试验示意图UMT- (18)
图2.4 FS-1便携式皮肤摩擦试验装置 (18)
图2.5 FS-1便携式皮肤摩擦试验装置结构示意图 (19)
图2.6 试验示意图FS-1 (19)
图2.7 数据采集卡实物图 (20)
图2.8 数据采集的结构框图 (20)
图2.9 数据传输模块原理图 (21)
图2.10 程序界面 (22)
图2.11 程序流程图 (22)
图2.12 传感器实物图 (23)
图2.13 Y方向的标定结果 (24)
图2.14 Z方向的标定结果 (25)
图3.1 自然状态下人体上臂掌侧皮肤的摩擦系数-时间图UMT- (28)
图3.2 自然状态下人体上臂掌侧皮肤的摩擦系数-时间图FS-1 (28)
图3.3 男女各试验部位皮肤自然状态下及手背使用硅油霜后的平均摩擦系数及标
准差(UMT-) (33)
图3.4 男女各试验部位皮肤自然状态下及手背和前额皮肤使用硅油霜后的平均摩
女士内衣/
擦系数及标准差FS-1 (33)
图3.5 两种试验设备上男女手背和前额皮肤使用硅油霜后平均摩擦系数提升率及标准差 (34)
图4.1 自然状态下人体上臂掌侧皮肤的压入载荷-压入深度图 (41)
图4.2 自然状态下人体上臂掌侧皮肤的弹性模量-压入深度图 (41)
图4.3 男女各试验部位皮肤自然状态下及手背皮肤使硅油霜后的平均弹性模量及标准差 (44)
表清单
表1.1 所有试验者的六个试验部位相对与所有材料的平均摩擦系数 (6)
表1.2 五种材料相对所有试验者的所有试验部位的平均摩擦系数 (6)
表1.3 不同材料疏水性Ho/%与摩擦系数间的关系 (10)
表2.1 三维小量程力传感器的具体参数 (23)
表3-1 男女各试验部位皮肤自然状态下的摩擦系数及手背皮肤使用硅油霜后的
摩擦系数及摩擦系数提升率UMT- (29)
表3-2 男女各试验部位皮肤自然状态下的摩擦系数及手背和前额皮肤使用硅油
霜后的摩擦系数及摩擦系数提升率FS-1 (29)
表3.3 自然状态下相同试验设备上相同试验部位皮肤不同性别之间的摩擦系数成
组t t 0.05=2.024检验 (35)
表3.4 自然状态下相同试验设备上相同性别各试验部位皮肤之间的摩擦系数F检
验 (35)
表3.5 自然状态下相同试验设备上相同性别各试验部位皮肤之间的摩擦系数显著
性多重比较LSD法 (36)
表3.6 自然状态下相同性别相同试验部位皮肤不同试验设备之间的摩擦系数成对
t t 0.05=2.093检验 (37)
表3.7 相同设备上相同性别手背和前额皮肤分别在自然状态下及使用硅油霜后的
摩擦系数成对t t
=2.093检验 (37)
0.05
表3.8 相同试验设备上手背和前额皮肤使用硅油霜后不同性别之间的摩擦系数提
升率成组t t
=2.024检验 (38)
0.05
表3.9 相同性别手背和额头皮肤之间使用硅油霜后的摩擦系数提升率成对t
=2.093检验FS-1 (38)
t
0.05
表3.10 相同性别手背皮肤使用硅油霜后在不同试验设备之间的摩擦系数提升成对
t t 0.05=2.093检验 (39)
表4.1 男女各试验部位皮肤自然状态下及手背皮肤使用硅油霜后的弹性模量
g/mm² (42)
表4.2 自然状态下相同试验部位皮肤不同性别之间的弹性模量成组t t 0.05=2.024
检验 (44)
表4.3 自然状态下相同性别各试验部位皮肤之间弹性模量的F F 0.05=2.725检
验 (45)
表4.4 自然状态下相同性别各试验部位皮肤之间的弹性模量显著性多重比较
LSD法 (45)
女士内衣/
表4.5 相同性别手背皮肤分别在自然状态下和使用硅油霜后的弹性模量成对t t 0.05=2.093检验 (45)
承诺书
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作者签名
日期
女士内衣/
1
第一章 绪论
1.1 引言
人体皮肤的舒适性即感观主要有触觉和视觉两部分
触觉感受包括皮肤是否
光滑
有弹性
视觉感受包括是否丰满
有光泽而皮肤的粗糙度对两者都有影
响
感觉的光滑性能够用摩擦系数加以准确表示皮肤弹性能够用皮肤及皮下组
织的弹性模量表示
粗糙度能够用非接触的测量结果表示丰满度原则上能够结
合弹性模量的评价测试结果来表示光泽的表示可以通过对皮肤反光性能的评价
来得到定量结果
皮肤是人体最大的组织
其覆盖全身
使体内各种组织和器官免受物理性
机械性
化学性和病原微生物性的侵袭
是人体抵御外界的第一道防线同时也
参与人体的代谢过程
其健康与否关系着人体的健康和生命的保护在日常生活
中
由于劳动
锻炼
保暖
保健
美容等需要人体皮肤离不开与其它多种材
料的摩擦接触
从而产生了许多皮肤摩擦问题
如
皮肤与劳动生产工具
体育
用品等的擦伤起泡现象
皮肤与纺织纤维材料接触摩擦的舒适性等
皮肤使用护肤品后的感受及保湿性能等人体皮肤许多生理功能的实现都依赖于其力学性能
而皮肤的弹性性能是皮肤力学性能的一个重要参数
因此人体皮肤摩擦和弹性性能的研究对于更好的保持皮肤健康提高人们的生活质量具有重要的意义
1.2 人体皮肤的结构和功能
1.2.1 人体皮肤的结构 皮肤主要由表皮和真皮构成借皮下组织与深部的组织相连另外还有神经血管淋巴管及皮肤附属器等[1]其组织结构见图 1.1表皮主要由上皮细胞组成
另外还包括少量的树枝状细胞和麦克尔细胞等
上皮细胞最终形成角质蛋白有
保护作用的角质细胞
故又称为角朊细胞
根据角朊细胞的发展阶段和特点表
皮被分为五层
基底层
棘细胞层
颗粒层
透明层和角质层新生的细胞进入
棘细胞层
然后上移到颗粒层
再通过角质层而脱落下来真皮由纤维母细胞及
其产生的胶原纤维
弹力纤维
网状纤维与基质等组成皮下组织又称皮下脂肪层由脂肪小叶及小叶间隔组成
皮肤约占总体重的16%成人的皮肤面积为1.2 2.0 m 2新生儿约为0.21 m
2皮肤的厚度随年龄部位而异平均约0.54mm 表皮厚度从0.04mm
眼睑到 1.6mm 足跖平均约0.1vmm 真皮厚度是表皮的15
40倍掌跖及四肢伸侧等处皮肤较厚眼睑乳房和四肢屈侧等处皮肤较薄
人体皮肤摩擦和弹性性能的试验研究
2 图1.1 人体皮肤组织结构图 1.2.2 人体皮肤的功能
皮肤作为人体的第一道防线和最大组织
参与全身的机能活动以维持机体
和外界自然环境的对立统一
同时机体的异常情况也可在皮肤上反映出来皮肤
能接受外界的各种刺激并通过反射调节使机体更好地适应外界环境的各种变化所以具有十分重要的生理功能具体表现在以下几方面 1屏障作用皮肤一方面保护机体内各种器官和组织免受外界环境中机械
的
物理的
化学的和生物的等有害因素的损伤另一方面防止组织内的各种营养物质电解质和水分的丧失 2感觉作用皮肤内分布有感觉神经及运动神经以感知触冷温痛压和痒等各种感觉引起相应的神经反射维护机体的健康 3调节体温作用皮肤是体内热量散发的重要组成部位可以通过皮肤血
管收缩
立毛和排汗等形式来调节体温
也可以通过辐射
对流传导和蒸发等物理方式来散发热量 4吸收作用皮肤具有通过角质层毛囊皮脂腺和汗管吸收外界物质的
能力
这对维护身体健康是必不可少的同时也是现代皮肤科外用药物治疗皮肤
病的理论基础 女士内衣/
5分泌和排泄作用皮肤具有一定的分泌和排泄功能这主要是通过汗腺分泌汗液皮脂腺排泄皮脂进行的排汗具有散热降温保护皮肤排泄药物以
代替肾脏部分功能等作用皮脂腺具有形成皮表脂质膜润泽毛发及皮肤的作用
1.3 人体皮肤摩擦性能的研究状况
早在20世纪60年代国外就有关于人体皮肤摩擦性能的研究报道由于研究手段的限制人体皮肤摩擦大多采用传统摩擦学的研究方法和手段主要针对
不同材料与不同部位皮肤间的摩擦力与摩擦系数进行测定停留在理论探索阶段许多研究成果并没有用于实际生产和生活中目前国外人体皮肤摩擦性能研究
的应用背景主要限制在化妆品和纺织行业而我国在这方面的研究工作刚刚起步
[2-12]
1.3.1 试验方法及设备
试验方法及设备是人体皮肤摩擦性能研究的关键国外在摩擦系数的评估上
通常所用的方法是测量接触表面间法向力L和运动开始时所需的切向力F来确定皮肤的摩擦系数即μ=L/F测试时的运动模式主要有两种一种是设计是线性运动探头压在皮肤表面并在皮肤上实现往复直线运动另一种设计是旋转运动
探头压在皮肤表面并在皮肤上旋转接触模式有球-面面-面和环-面前期文献
主要对志愿者的皮肤与不同材料接触时的静摩擦系数和动摩擦系数进行了测量[13,16,21-41]
根据摩擦力测试时的旋转和直线运动模式皮肤摩擦力的测量设备分为两种旋转式摩擦力测量设备和直线式摩擦力测量设备旋转式摩擦力测量设备应用转
动的轮或圆盘以恒定的载荷压在皮肤上通过测量转动时的摩擦阻力得到摩擦力Hlighly[24]等设计了一种旋转式皮肤摩擦测试仪该装置通过检测带量角器的转子
通过光电管时的光测量摩擦阻力如图1.2所示Comaish[25]等开发了一种便携式皮肤摩擦测量仪包括一个DC电机一个旋转的Teflon圆盘探头和位置可转动
的传感器当放置在皮肤表面时旋转的旋转的圆盘探头与皮肤接触由摩擦力产
生的转矩可被测量Zhang[16]等在其研究中对该摩擦计进行了两方面的改进首先用弹簧称容量1kg与探测器相连增添弹簧称可监测法向力的变化第二个用环形的探头代替平面或球面探头因为接触表面的压力分布随着软组织和其下骨
骼的几何形状和硬度变化这将影响摩擦力矩环形接触表面可消除压力分布引
起的误差经这两方面改进使测量精度大幅度提高从文献研究中可知2000年后基本上不采用旋转运动模式测量皮肤摩擦力
人体皮肤摩擦和弹性性能的试验研究
4 图1.2 旋转式皮肤摩擦测试仪原理图
直线式摩擦力测量设备分为单向直线式和往复直线式两种早期的单向直线式设计式Comaish 和Bottoms [13]所用的最简单的方法把一带探头的滑块放置在皮
肤上
滑块上放置法码改变法向载荷的大小滑块另一端经定滑轮与另一平盘相
连
平盘上加砝码
直到可拉动滑块以恒定的速度滑动动摩擦系数就等于平盘
中的砝码重量除以滑块上的砝码重量
往复式设计大多使用传动电机实现往复运动摩擦力由应变仪或测力传感器测量最早是由Naylor 设计的[21]Asserin [22]等开发了一台测量人体前臂皮肤与接触材料间摩擦性能的往复式皮肤摩擦试验装置如图1.3所示该设备由三部分组成摩擦力测量装置A 待测部位的固定台B 和台式位移测微计C 摩擦力通过应变仪测量固定台的往复位移由台式位移测微计测量周仲荣等[9]自行研制了一种ST-1型往复滑动皮肤摩擦试验机图1.4示出了该试验装置的原理图该试验装置主要分为三部分摩擦力测试平台三维传感器测力装置和计算机数据采集和处理系统
图1.3 往复式皮肤摩擦试验装置 图1.4 ST-1型往复滑动皮肤摩擦试验装置原理图
以上设备法向载荷都是通过静重量和弹簧力加载没有法向加载的实时监测
系统由于皮肤是不平坦的法向载荷在测量过程中会有波动而这些测量方法
都是假设法向载荷是恒定的这将影响测量的精度和重复性现阶段最先进的摩
擦力测量设备是美国CETR公司开发的UMT系列多功能摩擦磨损试验机[5-8,23,32]
UMT是计算机控制的台式高精度摩擦试验仪器可以对人工关节牙齿人造心脏瓣膜人造皮肤外科的固定材料和手术缝合线等生物材料进行测试也适合
在体皮肤的测试UMT主要由控制器和检测器组成控制器是由八个数据通道和一个对所有运动模式进行模拟的智能化执行器组成检测器上装有高精度的传感
器可以检测样品的垂直和水平方向的位置和运动其法向载荷加载由闭环伺服
系统精确控制可以提供恒力模式和线性增量模式运动模式有直线旋转和往
复式运动可同时采集摩擦力法向载荷接触电阻电容和电导系数并以20KHZ 的数据采样速度记录
1.3.2 影响人体皮肤摩擦性能的因素
前期文献测量的人体皮肤摩擦系数值有较大的差别这是因为皮肤摩擦性能
的评估是一个十分复杂的问题它涉及到皮肤的力学性能微观形貌接触材料
性质接触界面状态皮肤表面的物理化学性质试验条件和个体差异等以下
为前期文献研究中影响皮肤摩擦性能的一些主要因素
1年龄种族性别体重身高
与年龄和性别有关的皮肤摩擦性能研究得出了全然不同的结论Cua等[28]报
导摩擦系数在年龄和性别之间没有显著的差别Elsner[31]发现不同年龄组妇女的阴部皮肤没有显著差别朱华等[6]测得男女手掌和指纹摩擦系数相差不大周仲荣等[8]试验表明性别对人体皮肤的摩擦系数影响不大但Asserin[22]和Elsner[31]发现年
轻人的前臂摩擦系数比老人高绝经后的妇女显著低于绝经前的妇女朱华等[6,7]
测得女性手背皮肤摩擦系数比男性要大前期文献研究的差别说明年龄和性别对
摩擦系数的影响还有待于进一步研究这可能与皮肤的生理机能变化皮肤纹理
的个体差异和人体不同部位的皮肤有关Mauskiatti[33]等发现白人和黑人之间的皮
肤粗糙度没有差别Raja[32]等测出皮肤的摩擦系数在种族之间差别不大大多数
学者研究证实人的性别体重和身高等因素对皮肤摩擦性能的影响不大2试验部位接触材料
人体不同部位的皮肤摩擦性能差别较大Cua[28]等选择了人体11个部位的皮肤即前臂后臂手掌手背腹部后背脚跟大腿前额前胸小腿进行了试验研究结果表明摩擦系数在这些部位中存在较大差别摩擦系数最大
处在前额和后背为0.34±0.02最小处在腹部为0.12±0.01其它部位平均值为0.21±0.01Elsener等[31]对测试的阴部皮肤的摩擦系数为0.66而前臂皮肤为0.48
人体皮肤摩擦和弹性性能的试验研究
6 Zhang 等[16]对年龄从19至40没有明显皮肤疾病的10个试验者的六个不同部位的皮肤即手掌,手背前臂背侧,前臂后侧腿部中前侧腿部中后侧相对于五种材料进行了摩擦系数研究发现手掌具有最高的摩擦系数见表 1.1
不同的接触材料对皮肤摩擦性能也有影响Zhang 等[16]测得的皮肤与五种材料即铝尼龙硅树脂棉短袜泥质岩的摩擦系数见表 1.2可见硅树脂与皮肤具有最高的摩擦系数Bryan [38]等用六种不同的材料在皮肤上进行了试验这些
材料为
砂纸
塑料
皮革
铝
胶带
普通纸结果表明砂纸具有最大的摩擦
系数
0.66普通纸具有最小的摩擦系数
0.27
可以看出
人体不同部位的皮肤由于其组织
纹理结构
物理化学性质功能及外界接触的环境不同有着不同的摩擦性能不同材料由于其表面性质不同对皮肤的摩擦性能会有不同影响 表1.1 所有试验者的六个试验部位相对与所有材料的平均摩擦系数 试验部位 手背 手掌 前臂背侧 前臂后侧 腿部中前侧 腿部中后侧 摩擦系数 0.47±0.12 0.62±0.22 0.46±0.10 0.43±0.10 0.40±0.10 0.40±0.09 表1.2 五种材料相对所有试验者的所有试验部位的平均摩擦系数 材料 铝 尼龙 硅树脂 棉短袜 泥质岩 摩擦系数 0.42±0.14 0.37±0.09 0.61±0.21 0.51±0.11 0.45±0.07 3探头运动速度或频率 探头运动速度和频率增加时摩擦系数增大Zhang 等[16]研究了8次试验中探
头旋转速度对摩擦系数的影响
结果说明随着旋转速度的增加摩擦系数稍有些增加当旋转速度从25rpm 增加到62.5rpm 时摩擦系数增加
7±2% 4法向载荷和接触面积
经典摩擦理论认为摩擦力与法向力成线性比例但这一理论不适合皮肤摩擦
力与法向力的关系大多数文献经试验证实皮肤的摩擦系数随着法向载荷的增大逐渐减小[13,16,32,39] Comaish [13]等证实在高于一定载荷范围时Amonton 定律适合
于皮肤的摩擦
在载荷偏小时
存在一定的偏差这是因为皮肤和材料的接触变
形不仅仅是塑性的
真实的接触面积与所加载荷并不成线性关系Comaish 等认为摩擦力与法向载荷成指数关系即n w μF ⋅=,n 为指数n<1其中两接触表面面积和压力分布起着主要作用Raja 等[32]测量的手指皮肤的摩擦系数随着法向载荷的变化关系见图 1.5
a 图 1.5
b 示出了 摩擦系数随法向载荷变化的对数关系得到摩擦系数与法向载荷的关系为μN
-0.32Koudine [34]等得到μN
-0.28Wolfram [39]经理论分析认为μN
-1/3
a摩擦系数随法向载荷的变化b摩擦系数随法向载荷变化的对数关系曲线图1.5 手指皮肤摩擦系数变化与法向载荷的关系
5皮肤角质层水合作用和表皮缺水干燥
皮肤表皮的含水量可以用皮肤角质层水合作用解释部分文献研究了摩擦力
与皮肤角质层水合作用和表皮缺水的关系摩擦力随着皮肤角质层水合作用的增
强而增大随着表皮缺水程度的增大而减小[31-32,47]通常用电性能测量方法评价皮肤表面的水合作用和表皮缺水[43-49]电性能测量包括电容电导系数和电阻
皮肤角质层组织的作用象一层电解质含水量的变化使角质层对电场会有影响
当皮肤发生水合作用和电导系数增加摩擦系数升高当皮肤干燥缺水时电容和
电导系数下降摩擦系数也下降Elsner等[31]测量的阴部皮肤处的摩擦力高于前臂皮肤说明那里的含水量较高Raja等[32]用UMT设备对皮肤的摩擦系数与皮肤水合作用和缺水的关系进行了测量对于离体的皮肤皮肤浸入到水中约3分钟后拿出擦去没被皮肤吸收的多余水分发现皮肤的水合作用使皮肤的摩擦系数上升
到原值的150%15分钟后皮肤的摩擦系数又返回到其干燥状态时的值图1.6
对于在体皮肤应用异丙基乙醇使皮肤干燥缺水观察到乙醇用于皮肤表面后使
皮肤摩擦系数下降图1.7
图1.6 离体皮肤的摩擦系数随皮肤图1.7 在体皮肤摩擦系数与皮肤
水合作用变化的关系缺水的关系。