生物力学肌腱及韧带生物力学特性

1、生物力学肌腱及韧带生物力学特性 肌腱、韧带和关节囊是三个紧密围绕、连接和稳定骨肌腱、韧带和关节囊是三个紧密围绕、连接和稳定骨骼系统的关节的主要结构。骼系统的关节的主要结构。l韧带和关节囊的作用是使骨与骨相连接，加强关节韧带和关节囊的作用是使骨与骨相连接，加强关节的机械性能，引导其运动以及防止过度活动。的机械性能，引导其运动以及防止过度活动。l肌腱的作用是使肌肉与骨相连接，从肌肉传导拉张肌腱的作用是使肌肉与骨相连接，从肌肉传导拉张力到骨结构，从而产生关节活动，另外肌腱可以提力到骨结构，从而产生关节活动，另外肌腱可以提供一定的力臂。供一定的力臂。主要内容主要内容 二、机械行为、机械行为 一、组成和

2、结构一、组成和结构 三、影响肌腱与韧带生物力学性能的影响肌腱与韧带生物力学性能的因素因素l肌腱与韧带是致密的结缔组织，呈平行肌腱与韧带是致密的结缔组织，呈平行纤维的胶原结构纤维的胶原结构纤维母细胞纤维母细胞20%细胞外母质细胞外母质80%水水70%固体物质固体物质30%胶原胶原75%基质基质弹性蛋白弹性蛋白l胶原分子是由纤维母细胞合成，这种分子属于胶原分子是由纤维母细胞合成，这种分子属于I型胶原，型胶原，由由3个个a链按右旋成三重螺旋线，呈绳状排列链按右旋成三重螺旋线，呈绳状排列1、胶原、胶原图片图片3-2交联交联首（阳性）首（阳性）尾（阴性）尾（阴性）绕织多肽链绕织多肽链3个个链链 胶原分子

3、胶原分子 微原纤维微原纤维+绕织多肽链绕织多肽链 原纤维原纤维+腱内腱内膜膜 纤维束纤维束l肌腱：纤维呈有序的平行排列，可承受肌腱：纤维呈有序的平行排列，可承受高度的轴向拉张负荷高度的轴向拉张负荷l 韧带：纤维呈近似平行排列，相互交韧带：纤维呈近似平行排列，相互交织的很紧密。除了能承受主方向上的张织的很紧密。除了能承受主方向上的张力外，还可以承受其他方向较小的张力，力外，还可以承受其他方向较小的张力，肌腱与韧带的胶原纤维肌腱与韧带的胶原纤维排列的不同与其所适应排列的不同与其所适应结构的功能有关结构的功能有关l弹性蛋白在肌腱和韧带中所占的比重主弹性蛋白在肌腱和韧带中所占的比重主要与该组织的机械性

4、能是相适应的。要与该组织的机械性能是相适应的。l如：黄韧带，可提供活动节段的预应力，如：黄韧带，可提供活动节段的预应力，使脊柱有一定的内在稳定性。使脊柱有一定的内在稳定性。l韧带和肌腱的基质内含有蛋白多糖（韧带和肌腱的基质内含有蛋白多糖（PG）达固体物质的达固体物质的20%，其他的还有结构性，其他的还有结构性蛋白、血浆蛋白和不同程度的小分子。蛋白、血浆蛋白和不同程度的小分子。lPG分子的作用：分子的作用：硫化多糖链（糖氨基糖：硫化多糖链（糖氨基糖：GAG）+核心蛋核心蛋白白+透明质酸透明质酸 PG集合体集合体+细胞外液细胞外液胶冻样物质胶冻样物质提高胶原纤维的稳定性和提高胶原纤维的稳定性和强度

5、强度外结构外结构：肌腱和韧带均被一层疏松细隙的结缔组织包肌腱和韧带均被一层疏松细隙的结缔组织包绕，但也有重要的区别。绕，但也有重要的区别。l肌腱：其外结构组织被称为腱旁组织，是一个鞘，肌腱：其外结构组织被称为腱旁组织，是一个鞘，有保护肌腱，减小磨察力的作用。有保护肌腱，减小磨察力的作用。l韧带：外结构为更多的结缔组织。韧带：外结构为更多的结缔组织。与骨附着：每一束纤维都有腱内膜紧裹，与骨附着：每一束纤维都有腱内膜紧裹，在肌肉在肌肉-肌腱连接处与肌束膜连接，在肌肌腱连接处与肌束膜连接，在肌腱腱-骨连接处，腱内膜的胶原纤维与骨连骨连接处，腱内膜的胶原纤维与骨连接，形成通透性接，形成通透性Sharp

6、ey纤维，并与骨外纤维，并与骨外膜连接。膜连接。1区区-平行的胶原纤维平行的胶原纤维2区区-未矿化的纤维软骨未矿化的纤维软骨3区区-矿化的纤维软骨矿化的纤维软骨4区区-皮质骨皮质骨图片图片3-4肌腱肌腱-骨连接骨连接：l生物力学性能生物力学性能l生理性负荷生理性负荷l损伤的机能损伤的机能l肌腱与韧带内的粘弹性行为（速度依肌腱与韧带内的粘弹性行为（速度依赖性）赖性）l分析肌腱和韧带的生物力学性能的一种分析肌腱和韧带的生物力学性能的一种方式是使标本在恒定延伸速度下观察拉方式是使标本在恒定延伸速度下观察拉张变形，延伸组织，直至破坏，将所有张变形，延伸组织，直至破坏，将所有的力或负荷的力或负荷P和变形

7、量描画出来，可得到和变形量描画出来，可得到负荷负荷-延伸曲线图。延伸曲线图。l分四个区：分四个区：第一区第一区趾区（或起始）：波形纤维被拉直。趾区（或起始）：波形纤维被拉直。第二区第二区线区：纤维组织硬度迅速增大并开始变形，呈线区：纤维组织硬度迅速增大并开始变形，呈线性变化。线性变化。第三区第三区胶原纤维逐渐出现衰竭。胶原纤维逐渐出现衰竭。第四区第四区组织出现完全衰竭，其抵抗负荷的能力消失。组织出现完全衰竭，其抵抗负荷的能力消失。负荷-延伸曲线图图片图片3-5PlinPmaxlE基于应力与应变的曲线关系基于应力与应变的曲线关系lE=应力应力/应变应变l趾区：趾区：E不稳定不稳定l线区：较稳定线

8、区：较稳定肌腱与韧带的弹性模量肌腱与韧带的弹性模量（E）l肌腱和韧带的最高生理应变极限，即在肌腱和韧带的最高生理应变极限，即在跑跳时的极限，应变幅度只是跑跳时的极限，应变幅度只是Pmax的三分的三分之一或四分之一。之一或四分之一。l在活体内在活体内,假设组织的生理性负荷为假设组织的生理性负荷为P，Plin为组织的屈服点。为组织的屈服点。若若JP,韧带和肌腱处于正常的拉伸状态；韧带和肌腱处于正常的拉伸状态；若若PJPlin,肌腱和韧带出现明显折断，同时肌腱和韧带出现明显折断，同时关节等结构也会发生移位，可能会造成关节等结构也会发生移位，可能会造成周围结构的损害，如关节囊、血管等周围结构的损害，如

9、关节囊、血管等lNoyes采用临床试验，即在尸体膝关节作前抽屉实验，采用临床试验，即在尸体膝关节作前抽屉实验，直至前十字韧带断裂，观察前十字韧带的进行性衰竭直至前十字韧带断裂，观察前十字韧带的进行性衰竭和胫骨关节的位变，描绘出应力和胫骨关节的位变，描绘出应力延伸曲线图，以及延伸曲线图，以及记录照片。记录照片。l将应力将应力延伸曲线图转换成负荷延伸曲线图转换成负荷移位曲线图，如右移位曲线图，如右图所示，将曲线图划分为三个区其各自符合于图所示，将曲线图划分为三个区其各自符合于l在临床稳定时所测试的前十字韧带负荷；在临床稳定时所测试的前十字韧带负荷；l在生理活动时施加于韧带生的负荷；在生理活动时施加

10、于韧带生的负荷；l自微衰竭开始至完全断裂时韧带所承受的负荷自微衰竭开始至完全断裂时韧带所承受的负荷PlinPmax结果显示在超越正常负荷结果显示在超越正常负荷以前和整个生理范围内，以前和整个生理范围内，韧带已经在开始微衰竭韧带已经在开始微衰竭l韧带损伤的分类：韧带损伤的分类：有些疼痛，无关节不稳定，胶原纤维发生微衰竭。有些疼痛，无关节不稳定，胶原纤维发生微衰竭。韧带部分断裂，出现剧烈疼痛，关节不稳定，胶原纤韧带部分断裂，出现剧烈疼痛，关节不稳定，胶原纤维发生进行性衰竭，韧带的强度和硬度减少至维发生进行性衰竭，韧带的强度和硬度减少至50%以以上。上。损伤后一刹那之间出现剧烈疼痛，以后疼痛减轻，关

11、损伤后一刹那之间出现剧烈疼痛，以后疼痛减轻，关节完全不稳定，多数纤维断裂。节完全不稳定，多数纤维断裂。l肌腱和韧带可在负荷下，表现出粘弹性肌腱和韧带可在负荷下，表现出粘弹性和速度依赖性（即时间依赖性），其机和速度依赖性（即时间依赖性），其机械性能随负荷的速度不同而变化，若应械性能随负荷的速度不同而变化，若应力力应变曲线的线性部分显得越陡，则应变曲线的线性部分显得越陡，则应变率越高，组织的硬度也越强，若曲应变率越高，组织的硬度也越强，若曲线越平缓，情况则反之。线越平缓，情况则反之。1 应力应力松懈实验松懈实验 负荷停止在应力负荷停止在应力应变曲线的线区以下，而应变保应变曲线的线区以下，而应变保持

12、一定伸展阶段，即延展量恒定，显示出负荷的松解。持一定伸展阶段，即延展量恒定，显示出负荷的松解。 应力在开始时迅速减小，然后逐渐放慢，重复进行，应力在开始时迅速减小，然后逐渐放慢，重复进行，应力减小将变得逐渐不明显。应力减小将变得逐渐不明显。测试韧带和肌腱的测试韧带和肌腱的两个标准试验两个标准试验(周期周期性实验性实验)蠕动实验蠕动实验 负荷停留在应力负荷停留在应力应变曲线的线区内，应变曲线的线区内，应力维持于恒定，重复实验，变形在开应力维持于恒定，重复实验，变形在开始时较快，之后逐渐放慢。始时较快，之后逐渐放慢。l这一特性在临床上的应用：这一特性在临床上的应用： 利用蠕动实验反应的特点，能对一

13、些畸形利用蠕动实验反应的特点，能对一些畸形进行有效的治疗，如用手法治疗儿童进行有效的治疗，如用手法治疗儿童的马蹄内翻足，治疗特发性脊柱侧弯的马蹄内翻足，治疗特发性脊柱侧弯等。等。l具有粘弹性行为的典型结构具有粘弹性行为的典型结构骨骨-韧带韧带-骨复合体：骨复合体： 使用慢负荷时（使用慢负荷时（60s），骨），骨-韧带韧带-骨复合体最薄弱的部骨复合体最薄弱的部分是骨附着处。分是骨附着处。 使用快负荷时（），骨使用快负荷时（），骨-韧带韧带-骨复合体最薄弱的部分骨复合体最薄弱的部分是韧带是韧带。表明负荷速度在增加时，骨的强度增加得要比韧带快得多。l运动与止动运动与止动l成熟与老年成熟与老年l妊娠与

14、产后期妊娠与产后期l非类固醇抗炎药物非类固醇抗炎药物 跟骨一样，韧带和肌腱随着运动的的增跟骨一样，韧带和肌腱随着运动的的增加其机械性能将增强，硬度也增加；当加其机械性能将增强，硬度也增加；当运动减少（止动）时机械性能将变弱，运动减少（止动）时机械性能将变弱，硬度也降低。硬度也降低。l右图为一动物实验，使用石膏固定膝关节八周后，从右图为一动物实验，使用石膏固定膝关节八周后，从张拉开始直至完全衰竭，描绘出最大负荷和达到衰竭张拉开始直至完全衰竭，描绘出最大负荷和达到衰竭的能量储存与对照组的百分比以及应力的能量储存与对照组的百分比以及应力延伸曲线图。延伸曲线图。实验实验膝的骨膝的骨-韧带韧带-骨复合体

15、的机械性能骨复合体的机械性能明显下降明显下降lAmiel等人对家兔进行试验，膝关节固定等人对家兔进行试验，膝关节固定9周过后，外侧副韧带的强度和刚度明显周过后，外侧副韧带的强度和刚度明显下降，发现组织代谢有所增加，而胶原下降，发现组织代谢有所增加，而胶原分子的间的交联量和质也有所减少，胶分子的间的交联量和质也有所减少，胶原纤维束的直径也有所减少。原纤维束的直径也有所减少。l胶原的物理性能与胶原分子内和胶原分胶原的物理性能与胶原分子内和胶原分子间交联的质和量有密切关系。子间交联的质和量有密切关系。 年龄年龄20岁即成熟后及进入老年，胶岁即成熟后及进入老年，胶原的机械性能达到平衡，胶原量也开原的机械性能达到平衡，胶原量也开始减少，组织的强度和刚度开始下降始减少，组织的强度和刚度开始下降。年