Mechanical characterization of the human fascial system: a comparison between superficial and deep abdominal fascia

The fascial system (FS) multilayered organization has been widely overlooked, despite its key role in force transmission, anatomical stability, and its linkage to numerous clinical implications. This study focuses on the medial abdominal wall beneath the arcuate line, where the superficial fascia (SF), or Scarpa’s fascia, and the deep fascia (DF), or rectus sheath, both classified as connective tissues, exhibit distinct tridimensional structures. Since literature still lacks studies on the biomechanical characterization and comparison of these fascial layers in this site, a comprehensive experimental investigation is needed. Fascia patches were harvested from a fresh-frozen human donor (male, 86 y/o, no fascial alterations) and cut into rectangular stripes along two main directions, i.e., the cranio-caudal (CC) and the latero-medial (LM). After a preconditioning phase, two types of uniaxial tests were performed (Mach-1TM, © Biomomentum): failure and stress-relaxation. Tensile tests revealed an anisotropic non-linear behavior of the tissues, more marked for the DF with respect to the SF (~7 and ~2 times higher in the LM direction, for DF and SF respectively). Significant differences were also detected, in both types of fasciae, for the ultimate tensile stress (UTS), higher in the LM direction. Strain values at failure () showed no substantial variation in the two directions, except for the DF of the right (DX) hemisoma. The two hemisomas showed notable disparities only in the LM direction. Comparing SF and DF, average values of , UTS and were greater for the DF, except for in the DX LM comparison. Stress-relaxation tests reported the viscoelastic behavior of the tissues. Median relaxation curves of the samples along both directions showed no differences for the SF, while DF samples cut in the LM direction relaxed more with respect to the CC ones. The two hemisomas did not reveal a different relaxation behavior, both for SF and DF. Equilibrium stress-strain curves confirmed an increase in stiffness at higher strain rates with respect to failure ones. Further studies aiming to deepen the biomechanical characterization of the FS could lead to multidisciplinary applications; in the engineering field, in-silico modeling can be achieved (e.g., useful for the selection of the ideal mesh for abdominal hernias repair), while in clinical or rehabilitation settings, the development of site-specific treatment plans can be facilitated.

Il sistema fasciale (SF) è stato ampiamente trascurato in letteratura, nonostante sia fondamentale per la stabilità anatomica, per la trasmissione delle forze e abbia numerose implicazioni cliniche. Questo studio si focalizza sulla regione addominale mediale sotto la linea arcuata, dove la fascia superficiale (FS), o fascia di Scarpa, e la fascia profonda (FP), o guaina dei retti, presentano strutture tridimensionali distinte. Data la carenza di studi riguardanti la caratterizzazione biomeccanica sperimentale e il confronto tra questi due strati in questo distretto corporeo, un’indagine approfondita in merito risulta necessaria. Le porzioni di fascia sono state prelevate da un unico donatore (maschio, 86 anni, alterazioni fasciali assenti) e tagliate in campioni rettangolari lungo la direzione cranio-caudale (CC) o latero-mediale (LM). Dopo una fase di precondizionamento, sono stati eseguiti due tipi di test uniassiali: test di trazione a rottura e test di stress-relaxation. I test a rottura hanno evidenziato un comportamento anisotropo, più marcato per la FP rispetto alla FS ( mediamente ~7 e ~2 volte maggiore in direzione LM, per la FP e FS rispettivamente). Sono state rilevate differenze significative, sia per la FS che per la FP, anche per lo stress massimo a rottura (UTS), maggiore in direzione LM. I valori di deformazione a rottura () non hanno mostrato variazioni sostanziali nelle due direzioni, tranne per la FP dell'emisoma destro (DX). I due emisomi hanno mostrato differenze significative solo nella direzione LM. Dal confronto tra FS e FP, i valori medi di , UTS e sono risultati superiori per la FP, tranne LM DX. I test di stress-relaxation hanno evidenziato il comportamento viscoelastico dei tessuti. Dai grafici delle curve di rilassamento mediane nelle due direzioni, non persistono differenze per la FS, mentre i campioni di FP tagliati nella direzione LM rilassano maggiormente rispetto ai CC. I due emisomi, sia per FS che per FP, non presentano un diverso comportamento a rilassamento. Il confronto fra le curve stress-strain all'equilibrio con quelle a rottura ha confermato un'aumento della rigidezza a velocità di deformazione più elevate. Ulteriori studi incentrati sulla caratterizzazione biomeccanica del SF potrebbero portare ad applicazioni multidisciplinari; in ambito ingegneristico si potrebbe arrivare ad ottenere una modellazione in-silico dei tessuti analizzati (e.g., utile per la selezione della mesh ideale per la riparazione delle ernie addominali), mentre in ambito prettamente clinico o riabilitativo, la creazione e sviluppo di piani terapici sito-specifici potrebbe essere facilitata.