肌腱和韧带的生物力学PPT课件

肌腱和韧带的生物力学 肌腱和韧带的组成与结构 胶原弹力蛋白基质血液供应及滑动结构外围结构及在骨骼上的附着点 肌腱和韧带的机械特性 生物力学特性肌腱和韧带的生理负荷肌腱和韧带的粘弹性表现 对应力速率的依赖性 韧带断裂和肌腱受伤的机制 影响肌腱和韧带生物力学特性的因素 成长及老化壬辰和产后活动及制动糖尿病类固醇非类固醇消炎药血液透析移植物 概述 肌腱 韧带和关节囊是覆盖 连接和制动关节的三个主要结构组织 虽然它们都不像肌肉那样主动收缩 但它们对关节运动都有着重要的作用 韧带和关节囊提供骨与骨的连接 从而增强关节的稳定性和引导正常关节运动及防止关节过度屈伸 韧带和关节囊都给关节提供静态限制 肌腱连接肌肉与骨骼 把肌肉的收缩力传至骨骼上 从而使关节运动或保持身体的姿势 肌腱与肌肉组合成肌腱 肌肉单位 构成动态限制 肌腱另一个功能是确保肌肉在其两端的附着处之间能够维持最佳的收缩长度 以免过度伸展 肌腱和韧带受伤或不协调很常见 对这些组织的生物力学特性及自身复原的潜能有适当了解是正确处理这些损伤的基础 肌腱和韧带是组成与结构 肌腱和韧带都是高密度的结缔组织 含有大量平行排列的纤维胶原组织 这些血流量少的组织拥有很多胶原 而胶原是一种纤维蛋白质 它占全身总蛋白的1 3 胶原的机械稳定性对肌腱和韧带的强度和韧带都很重要 和其他结缔组织一样 肌腱和韧带都只含有少数的细胞 成纤维细胞 和大量的细胞外基质 细胞大约占整个结构的20 的体积比例 而其他细胞外基质占其余的80 组成这些外基质的大约70 是水分 其他的30 是固体物质 固体物质包括胶原 基质和少量的弹力蛋白 胶原占75 或以上 而肌腱比韧带含有更多胶原 在四肢的肌腱中 固体物质中胶原可高达99 干重 胶原胶原分子是由成纤维细胞在其细胞中首先制造较大的基本前体 前胶原 之后由细胞内分泌到细胞体外成为胶原 3条多肽链组成胶原分子 五个胶原分子组成一条微纤维 之后再组成次级纤维及原纤维 原纤维经过聚合形成胶原纤维 很多条纤维聚合在一起便组成一个纤维束 成纤维细胞便分布在纤维束之间 经纤维膜 腱内膜 组成肌腱 肌腱滑动结构腱旁组织是一种网状疏松的结缔组织 它即将肌腱与周围的骨膜等组织牢固连接 又将肌腱与其他组织隔开 便于肌腱在这些硬韧的组织上滑动 滑膜鞘分为脏层和壁层 脏层覆盖肌腱 形成腱外膜 脏层又分出纤维膜进入肌腱 将肌腱分为若干束 形成间隔 成为腱内膜 壁层构成纤维膜的衬里 脏层壁层滑膜在纤维鞘的远近两端反褶成盲囊状 中空为滑膜腔腔内有滑液 有利于肌腱在期间滑动 纤维鞘管壁薄厚不一致 由多个环状和交叉韧带组成 形成一系列具有重要生物力学特性的滑车系统 弹力蛋白肌腱和韧带的机械特性除掉取决它们胶原的结构特质外 也受它们拥有的弹力蛋白比例的影响 弹力蛋白在肌腱与四肢的韧带中只占很少数 但在弹性强的韧带如黄韧带 它的含量便很高 基质肌腱和韧带的基质主要成分是蛋白聚糖 大约固体重量20 结构糖蛋白 离子蛋白和其他小分子蛋白 这些蛋白聚糖与肌腱和韧带细胞外的水分结合 形成有高度结构组织半固体的物质 加上它们在肌腱和韧带内的作用似混凝土将纤维粘合 以增强这合成结构的稳定性和强韧度 血液供应肌腱和韧带只有少量的血管 这影响了它们的代谢与受伤后的康复速度 肌腱的血管来自它们所连接着的肌束膜 骨膜和围绕它们的键旁组织及腱系膜 被腱旁组织所包围的肌腱又称含血管腱 而被腱鞘包围的肌腱成为无血管腱 在含血管腱中的血管从周围多个途径进入肌腱 之后又会与纵向的毛细血管系统相同 被腱鞘包围的肌腱血管分布形式不同 这种肌腱的系膜退化为纽带样 缺血部分被认为有两个途径来得到养分 一是由血液吸取 二是在没有血循环的部分养分经关节液渗透到肌腱 养分渗透概念有很重要的临床意义 即肌腱复原可在没有粘连的情况下 即有血液供应 进行 相反 韧带较周围组织的血循环少 但从形态学的研究结果显示韧带有相当的血液分布 这些血液多来自韧带与骨的接点 虽然血流量不多 但这些血液对维持它的功能起到很重要的作用 尤其是把养分输送到细胞和令韧带组织于受伤后有复原的机会是特别重要的 在没有血液供应到这些组织的情况下 韧带疲劳时 微创伤会不断积聚 最终可能使韧带断裂 有关腱鞘区的肌腱营养来源曾有很多争议 现在较一致认为滑液是腱鞘区肌腱的主要营养来源 滑液营养肌腱的方式主要有主动扩散和肌腱屈伸运动时滑液被动挤入肌腱组织 传统观念认为肌腱经外源性途径愈合 肌腱粘连组织是细胞和血管张入断端的载体 粘连形成是肌腱愈合的重要环节 但大量研究表明腱鞘的滑液环境使肌腱具有内在的愈合能力 从此人们认为外源性愈合途径不再是肌腱愈合的重要因素 术后早期活动使肌腱的外源性愈合优势转化为内源性愈合优势 肌腱和韧带的相对滑动 主动反主动肌腱功能方向的活动 既限制了外来肉芽的生长 改善组织灌注和促进滑液扩散 又在缝合端产生间断重复张力 刺激内源性愈合 增加肌腱的强度和滑动能力 减少粘连 外周结构及在骨骼上的附着点韧带和肌腱的外周结构有一定的相似地方 两者都被疏松的结缔组织包裹 疏松结缔组织在韧带中没有别的名称 但在肌腱中被称为腱旁组织 它也更具有结构性 它形成一层腱鞘以保护肌腱及让它在内滑动 例如手指的屈肌腱中 腱鞘包着整条肌腱 但其他肌腱中 腱鞘也可能只包着肌腱的某一段 在摩擦力大的部位 例如手腕和手掌 腱旁组织之下有一层滑膜 称之为腱外膜 它包围着几组纤维束 腱外膜上滑膜细胞所分泌的滑液有助肌腱滑动 在没有太大摩擦力的部位 肌腱便只有腱旁组织而没有腱外膜每一条纤维束都是呗腱内膜包着 它连接肌腱与肌束膜的交接点 在骨与腱的接点的胶原纤维与sharpey贯穿纤维相连接 并一直连续也骨膜连接 肌腱和韧带在骨骼上的附着点结构很相似 都如下所示有四个不同的区域 即肌腱的末端1区 胶原与纤维软骨混合区2区 组织矿化区3区 而后融入密质骨4区 这种由肌腱逐渐转为骨质的结构变化使组织的机械特性渐渐改变 故能减少应力聚集在肌腱 骨骼附着点上 电镜显示狗的髌腱与骨骼接点的四区1区是胶原纤维 2区是非矿化区的纤维软骨 3区是矿化的纤维软骨 4区是皮质骨 肌腱和韧带的机械特性 肌腱和韧带都是粘弹性组织并具粘弹性特质 肌腱能承受很强的张力将肌肉的收缩力传至关节和带动关节运动 但它也是柔软的组织 能绕着骨骼是外缘改变肌肉拉力方向 韧带更为柔软及及可屈曲 可容许骨与骨之间的活动 但它们也能承受很大的张力及对抗外力以免过度伸展 分析肌腱和韧带的机械性能对了解它们受伤的原理有重要的意义 两种组织在正常或过度负荷下受张力影响 当张力过大导致受伤时 受伤的程度视其张力的速率和力度的大小而定 1足趾区 组织只承受很少应力后 出现很大的应变 2直线区 纤维受力后出现线性应变 组织的刚性急剧增加 3直线变形区终止 胶原纤维在拉力超过此区后逐渐断裂 4最大应力肌腱强度 整个肌腱以断裂 肌腱和韧带的生理负荷 在正常活体生理情况下 这些组织所承受的应力只是它们极限的1 3 它们一般应变度 例如跑步和跳跃 大约是2 5 之间 在羊的跖伸肌腱植入应变器显示 当羊以快步疾走时 肌腱的应变2 6 但速度减慢时应变更少 每走一步肌腱最大应变只维持0 1秒 而肌腱在步行中所承受的最大负荷是45N 相当于它能承受最大应力的1 4 肌腱和韧带的粘弹性表现 对应力速率的依赖性 当肌腱和韧带承受应变速率增加时 应力 应变曲线的线性部分的倾斜度增加 表明组织在较高的应变速率有较大的刚度 肌腱和韧带储存的能量教也较高 因此需要较强的应力才能把这些组织拉断当肌腱和韧带在进行重复拉伸测试时 应力 应变曲线会沿伸长轴右移应变会增加 如果重复负载持续加于受损的刚性减弱的组织 正常的生理负荷范围内组织也会微断裂 韧带断裂和肌腱受伤的机制 韧带断裂与肌腱受伤的机制基本相同 因此一下对韧带断裂的讨论也可引用于肌腱 当韧带在活体内受到一个超过它的生能负荷 达到屈服点前会出现微断裂 当负荷超出直线变形区 整条韧带会有明显的断裂 而它所连接的关节会有不正常的移位 移位会导致在韧带周边的组织包括关节囊 韧带 和供养这些组织的血管也同时受损 载荷变形曲线第一区显示正常的生理反应 在微创区中 大应变导致应力加大最终令韧带断裂 人类测试显示前十字韧带屈服点340 390N前十字韧带受伤的关节会出现很大的关节内部移位 导致应力和软骨的负荷增加而出现关节退化 没有前十字韧带功能的膝关节会出现关节不稳和突然松动 这会影响日常生活如步行 跑步 蹲膝动作 肌腱和韧带受伤机制十分相似 但因肌腱于肌肉连接 要多考虑两个重要因素 分别是连接着肌腱的肌肉所发挥的收缩力与肌腱相对于肌肉的横切面积比例 肌肉收缩时 连接的肌腱便会承受应力 在肌肉承受最大收缩时 肌腱的拉伸应力也达最高点 在肌肉进行离心收缩时 肌腱承受的应力会更大 例如很快的背屈踝关节 小腿跖曲肌肉还未来及发挥反射性松弛 所以便会增加跟腱的拉力 如负荷超过跟腱的屈曲点便会导致跟腱断裂 粗大的肌腱能承受较大负荷 一般大肌肉有较大的肌腱连接 影响肌腱和韧带生物力学特性的因素 有很多因素会影响肌腱和韧带的生物力学特质 最常见的包括老化 妊娠 活动及制动 糖尿病 使用类固醇或非类固醇消炎药或血液透析等 在成人中或超过60岁的年老人中 胶原纤维的直径显著缩小 成长期过后步入衰老期 细小的胶原原纤维增加 胶原的生物力学特性会有一段时间横向发展 之后组织的拉伸强度和刚度便会减退 妊娠和产后可能和妊娠后肌腱和韧带较为松弛有关 活动和制动 生物组织是活的 它的机械性是会随着它所承受的应力而改变 导致它能适应不同的功能要求及发挥最佳 韧带和肌腱都像骨一样会受应力影响而产生重新塑造 若应力大 它们会变的更坚韧 若应力减少 它们的刚度也会减低运动训练增加肌腱和韧带与骨连接点的拉伸强度制动后这些韧带的新陈代谢有所增加 导致大量未成熟的胶原产生和胶原分子间关联飞质和量减低 糖尿病 糖尿病病人的新陈代谢异常导致身体丧失氧碳化合物的功能 糖尿病人比正常人多肌腱挛缩 29 比9 腱膜炎 59 比7 关节强直 40 比9 关节囊炎 16 比1 骨质疏松等 类固醇 在韧带受伤后使用皮质类固醇可能会严重影响它的生物力学和组织特性 也会妨碍胶原的合成 非类固醇 非类固醇消炎药常用于处理肌肉骨骼系统的痛症 短期使用非类固醇消炎药不会对肌腱恢复构成不良影响 反而加速这些组织恢复正常的机械特性 血液透析 在