为什么随着年龄增长会出现皱纹？一项新研究表明，老化的皮肤在张力作用下会向侧面拉伸，就像橡皮泥一样，形成更深、更直的皱纹。这一切都源于胶原蛋白的排列方式。
皱纹是衰老的自然组成部分。有些人视皱纹为荣耀，而另一些人则试图用各种方法消除它们。长期以来，科学家们一直认为，皱纹的产生是遗传、日晒和其他环境因素共同作用的结果，但一项新的研究揭示了皱纹背后的深层原因。
为了了解人类皮肤随着年龄增长如何以及为何形成皱纹，美国宾汉姆顿大学的研究人员首次进行了实验研究，研究衰老过程如何改变皮肤的行为和结构。
“这不再仅仅是一个理论，”宾汉姆顿大学生物医学工程副教授、该研究的通讯作者盖伊·杰曼（Guy German）说道。“我们现在有确凿的实验证据，揭示了衰老背后的物理机制。”
胶原蛋白可以被认为是一束粗而强韧的蛋白质纤维，它们被扭成绳索状，在皮肤表层下形成支撑结构。它赋予皮肤机械强度和弹性。皮肤真皮层（位于表皮外层和最深层皮下组织之间）中的胶原蛋白纤维并非随机排列。它们大多成束排列，并根据身体部位的不同，倾向于朝着一个主导方向延伸。这种主导方向形成了所谓的“兰格氏线”，即皮肤中的自然张力线。
胶原纤维的排列方式赋予皮肤各向异性，这意味着皮肤在不同拉伸方向上会表现出不同的表现。如果顺着纤维方向拉伸，皮肤会变得强韧有弹性。如果逆着纤维方向拉伸，皮肤的抗拉强度会更高，皱纹也会随之变化。
在本研究中，研究人员从7位年龄在16至91岁之间的捐赠者（择期手术期间采集或从尸体上采集）身上采集了皮肤样本。为避免紫外线损伤，样本采集自未暴露于阳光的区域。皮肤薄条沿着或横过天然胶原纤维方向切割。样品以可控的拉伸力拉伸40分钟，以模拟皮肤的自然张力。
胶原纤维的扫描电子显微镜影像
研究人员测量了皮肤的拉伸程度（轴向应变）、侧向压缩程度（横向应变），并计算了泊松比，该指标用于衡量皮肤在拉伸时变薄的程度。他们使用硅胶模具捕捉皱纹的形状和深度，并使用显微镜分析皱纹的曲折度（皱纹的扭曲程度）、宽度和深度。拉伸前后测量皮肤的重量和体积，以评估液体流失情况，液体流失是皮肤组织在张力作用下体积收缩的标志（多孔弹性测试）。
他们发现，在相同拉伸量下，老年人皮肤的侧向压缩程度更大。这会导致泊松比增大，表明实际体积损失，或者说液体被挤出了皮肤基质（真皮层中含有胶原纤维的支架）。老年人皮肤的皱纹也更深、更宽，这证实了老年人皮肤在正常力的作用下更容易弯曲。老年人皮肤的皱纹更直，这可能是由于结构变化造成的，例如真皮层和表皮层连接处的扁平化以及胶原蛋白的流失。
赫尔曼用更直接、更真实的世界对比来解释这项研究的结果。
“比如，如果你拉伸橡皮泥，它会在水平方向上伸展，但在另一个方向上也会收缩——它会变薄，”他说。“你的皮肤也会这样。随着年龄的增长，这种收缩会变得更剧烈。如果你的皮肤收缩过度，就会弯曲。皱纹就是这样形成的。”
这项研究存在一些局限性。实验仅测试了单一方向张力下的皮肤，而真实的皮肤在日常生活中会承受多方向的力。研究人员将“老年”定义为65岁及以上，这可能无法准确反映皮肤的生物性衰老。所有较年轻的样本均来自女性；较年长的样本大多来自男性。虽然研究人员认为这不会影响他们的研究结果，但仍可能引入偏差。该研究还排除了光老化（即受紫外线损伤的）皮肤，而将研究重点纯粹集中在内在衰老上，这限制了其与现实世界的相关性，因为更多的皱纹是由日晒引起的。
然而，抛开这些局限性，这项研究具有现实意义。首先，它有助于更好地理解皱纹的形成机制。确定横向应变和多孔弹性效应是皱纹的关键驱动因素，可以为下一代局部治疗或设备提供参考。了解衰老皮肤的生物力学，可以通过针对胶原纤维的排列和组织的多孔弹性来改进手术计划、美容注射和激光治疗。最后，该研究的发现可以应用于大脑、心脏和骨骼等其他组织，在这些组织中，机械各向异性和多孔弹性也发挥着关键作用。
然而，在研究结果转化为新的抗衰老治疗方法和产品之前，研究人员提供了一些免费的、尽管众所周知的建议。
“如果你一生都在户外工作，你的皮肤比办公室白领更容易老化，更容易出现皱纹，”German说道。“生理衰老和光老化的结果类似。所以，去享受一个美好的夏天吧，但别忘了涂防晒霜——你未来的自己会感激你的。”
该研究发表在《生物医学材料机械行为杂志》上。
