Mechanical characterization of human superficial fascia: an experimental comparison between the abdominal and the thoracic district

Human abdominal superficial fascia, also known as Scarpa’s fascia, is a connective tissue whose mechanical properties, which are directly linked to its microstructure, have not yet been analyzed and literature lacks in information about its mechanical behavior. The purpose of this work was to investigate, by performing failure and stress-relaxation uniaxial tests, an eventual tissue anisotropy between orthogonal directions from tissue mechanical properties such as Young’s modulus and maximum strain/stress and viscoelastic mechanical properties. Results were compared with the ones obtained by testing a portion of thoracic superficial fascia of the back and then with the ones obtained by a previous work. Samples were harvested from two fresh-frozen cadavers: abdominal superficial fascia from both the left and the right side of the body came from an 85 years old male, while the thoracic portion of fascia from a 90 years old female (one side). Results obtained from failure tests showed that the tissue from both anatomical districts presented non-linear behavior and did not present a statistically significant anisotropy between directions, with the only exception of the stress in the two orthogonal direction of the right portion of abdominal SF. Mean values of 0.45 ± 0.11 mm/mm were obtained for the strain in the abdominal superficial fascia and of 0.44 ± 0.06 mm/mm for the thoracic superficial fascia of the back, mean values of 0.72 ± 0.36 MPa were obtained for the ultimate tensile stress in the abdominal fascia and of 2.49 ± 0.69 MPa for the thoracic fascia, 2.65 ± 1.51 MPa for Young’s modulus of the abdominal SF and 8.36 ± 1.87 MPa for the thoracic fascia of the back. The thoracic superficial fascia of the back presented higher stiffness than the abdominal SF. Stress relaxation tests proved the viscoelastic behavior of the superficial fascia of both districts and both districts presented increased stiffness resulting from an increase in strain rate. This study added new data for the description of mechanical properties of the tissue by performing uniaxial failure and stress-relaxation tests, these findings represent only the first step towards a complete characterization of abdominal SF mechanical behavior and towards the refinement of its application in sectors such as the personalization of treatment for physical therapy and reconstructive surgery. An enlarged sample size could further proof of the concept.

La fascia superficiale addominale umana, nota anche come fascia di Scarpa, è un tessuto connettivo le cui proprietà meccaniche, direttamente legate alla sua microstruttura, non sono ancora state studiate e in letteratura mancano le informazioni sul suo comportamento meccanico. Lo scopo di questo lavoro era di indagare, mediante prove di trazione a rottura e prove di rilassamento dello stress uniassiali, una possibile anisotropia del tessuto tra direzioni ortogonali tramite le proprietà meccaniche del tessuto come il modulo di Young e lo strain/stress massimo a rottura e le proprietà viscoelastiche. I risultati sono stati confrontati con quelli ottenuti testando una porzione di fascia superficiale toracica del dorso e infine con quelli ottenuti in un lavoro precedente. I campioni sono stati prelevati da due cadaveri congelati: la fascia superficiale addominale, prelevata sia dal lato sinistro che da quello destro del corpo, proveniva da un uomo di 85 anni, mentre la porzione toracica della fascia proveniva da una donna di 90 anni dal solo lato destro. I risultati ottenuti dai test di trazione a rottura hanno dimostrato che il tessuto di entrambi i distretti anatomici presentava un comportamento non lineare e non mostrava anisotropia statisticamente significativa nelle due direzioni ortogonali, ad eccezione dello stress nelle due direzioni ortogonali del lato destro della fascia addominale. Sono stati ottenuti valori medi di of 0.45 ± 0.11 mm/mm per lo strain della fascia superficiale addominale e di 0.44 ± 0.06 mm/mm per la fascia superficiale toracica del dorso, valori medi di 0,72 ± 0,36 MPa per lo stress a rottura nella fascia addominale e di 2,49 ± 0,69 MPa per la fascia toracica, 2,65 ± 1,51 MPa per il modulo di Young della fascia addominale e 8,36 ± 1,87 MPa per la fascia toracica del dorso. La fascia superficiale toracica del dorso presentava rigidezza superiore rispetto all’addominale. Gli esperimenti di rilassamento dello stress hanno dimostrato il comportamento viscoelastico della fascia superficiale di entrambi i distretti ed entrambi i distretti presentavano una rigidità aumentata in seguito a un aumento della velocità di deformazione. Questo studio ha fornito nuovi dati per la descrizione delle proprietà meccaniche del tessuto mediante l'uso di prove di trazione a rottura e di stress-relaxation uniassiali, tali risultati rappresentano solo il primo passo verso una caratterizzazione completa del comportamento meccanico della fascia superficiale addominale e quindi verso il perfezionamento delle sue applicazioni in ambiti come la personalizzazione del trattamento di fisioterapia o la chirurgia ricostruttiva. Ulteriori test su un numero maggiore di campioni possono andare a dimostrare questi risultati.