运动学课件：运动生物力学2

1、胶原组织生物力学一、胶原组织2022/7/2631、什么是组织？组织是机体中一些形态结构类似、功能相关的细胞和细胞间质组合成的群体结构。人体有多种组织，一般可以归纳为四种基本组织：上皮组织、结缔组织、肌肉组织和神经组织。2022/7/2642、什么是结缔组织？结缔组织由细胞和大量的细胞间质组成。细胞间质包括细丝状的纤维和无定型的基质。结缔组织功能：连接、支持、营养、保护、防御和修复等。结缔组织范畴？液态的血液？胶态的固有结缔组织？固态的骨和软骨组织？2022/7/2653、什么是固有结缔组织？固有结缔组织的基质呈胶状，细胞和纤维散布其中。分类疏松结缔组织致密结缔组织脂肪组织网状组织胶原组织？2

2、022/7/266纤维主要由三种类型的纤维组成胶原纤维网状纤维弹性纤维 基质 细胞：成纤维细胞、巨噬细胞、浆细胞、肥大细胞等。胶原组织2022/7/267骨骼系统周围含有胶原组织的有韧带（包括关节囊）、肌腱和皮肤以及外伤后引起的瘢痕组织中的纤维组织等。2022/7/2684.1、胶原纤维别名：白纤维，新鲜时呈亮白色。组成：胶原蛋白。特点：韧性大，抗拉力强。作用：为组织提供强度和刚度。2022/7/2692022/7/26104.2、弹性纤维别名：黄纤维，新鲜时呈黄色。组成：弹性蛋白。特点：富有弹性，容易被拉长及复原。作用：在组织受载时提供延展性。2022/7/26112022/7/26124.

3、3、网状纤维别名：嗜银纤维，银染法能将其染成棕黑色。组成：III型胶原蛋白。特点：多分布于造血器官、内分泌器官及肝内。作用：构成容积/支架。2022/7/26132022/7/26144.4、基质定义一种由生物大分子构成的胶状物质。组成主要为蛋白多糖和糖蛋白。作用减少细胞、纤维间摩擦。2022/7/2615胶原组织胶原组织2022/7/26165、常见的胶原组织骨骼系统周围含有胶原组织的有：韧带（包括关节囊）肌腱皮肤这些结构是被动运动的，不产生主动运动。二、力学特性2022/7/26181、胶原组织生物力学活动时，韧带和肌腱主要在拉伸下受载。关节运动在韧带上产生拉伸载荷，肌肉收缩在肌腱上也产生

4、类似载荷。皮下组织和皮肤则是在更为复杂的形式下受载。要承受拉伸、压缩和剪切负荷。2022/7/26192、胶原组织力学特性影响因素在载荷下，胶原组织的特性受三种主要因素影响：纤维的结构胶原纤维和弹性纤维的特性胶原纤维和弹性纤维之间的比例2022/7/26202.1、纤维的结构肌腱、韧带、皮肤中三种胶原的结构不同，并与每种结构的功能相适应。肌腱韧带皮肤2022/7/2621肌腱纤维肌腱纤维几乎完全平行排列，使肌腱更适应于承受高拉伸载荷。F2022/7/2622韧带纤维韧带纤维，较少恒定的结构。在不同的韧带中，结构随韧带的功能而异。虽然多数韧带纤维近似平行，但也有些纤维不是平行排列。F2022/7

5、/2623皮肤纤维皮肤纤维呈网状，这种结构使皮肤在各个方向上具有延展性。皮下组织的结构则更为松散，从而提供更大的扩展空间。F2022/7/2624肌腱、韧带和皮肤的力学特性纤维排列不同，力学特性不同。肌腱能承受最强的拉伸载荷。韧带受拉伸载荷时，由于纤维不成行，只有与主纤维方向完全一致的纤维首先被完全拉直而承受最大载荷；那些与主纤维方向不平行的纤维，只承受低载荷。皮肤纤维走向较之韧带更无规则，故所能承受的最大载荷也最小，因此皮肤在拉伸下，比肌腱和韧带更脆弱一些。2022/7/2625胶原纤维和弹性纤维的特性：胶原纤维弹性纤维材料类型塑性材料脆性材料拉伸破坏试验 加载开始时稍有伸长，但很快随负荷的

6、增加变得刚硬到达屈服点，随之出现非弹性变形，直到极限破坏 低载荷下呈现较大的伸长，但随载荷的增加，纤维突然变得刚硬，没有变形而突然断裂。变性范围6%8%可达到原长的两倍多承受应力能力大约是皮质骨在拉伸下的一半仅为皮质骨在拉伸下所能承受的1/10。2022/7/26262022/7/2627胶原纤维未受载荷时呈波浪状。受低载荷时，胶原纤维稍有伸长，直到波浪状的纤维拉直，此时胶原纤维束迅速变刚硬，直到屈服点。然后发生非弹性变形，直到极限而断裂破坏。破坏时的变性范围为68%。弹性纤维受低载荷时，弹性纤维伸长很大。当达到极限破坏点时突然变刚硬，没有变形而突然断裂。2022/7/26282.3、胶原纤维

7、和弹性纤维的比例胶原组织中弹性纤维和胶原纤维之间的比例随该组织功能的不同而不同，并影响组织的力学性能。 2022/7/2629肌腱主要功能：是把肌力传递到骨或筋膜。几乎完全由胶原纤维组成。在拉伸载荷下，其性能几乎与单独胶原纤维束的应变相一致。 2022/7/2630韧带功能：稳定关节、支持关节运动并防止过量运动。强度：在载荷下，决定韧带强度的主要因素是韧带的粗细、形状和载荷增加速度。韧带的横截面积影响其强度，与加载方向取向一致的纤维数越多越宽越厚，韧带的强度越大。韧带与骨一样，其强度和刚度随加载荷速度的增加而增大，当加载荷速度（变形率）增加4倍时，破坏时的载荷几乎增加了50%。2022/7/2

8、631膝关节前侧观韧带2022/7/2632韧带的组成人体内的大多数韧带与肌腱一样主要由胶原纤维所组成。但脊柱中的两个韧带项韧带和黄韧带由2/3的弹性纤维参与构成，所以几乎完全表现为弹性性能。这些韧带具有特殊的功能，能保护神经根免受机械冲击，为脊柱提供内在稳定性。 2022/7/2633脊柱的韧带（侧面观）2022/7/2634拉伸破坏试验的力学性能两种韧带在拉伸破坏试验时，力学性能差异A为膝前交叉韧带，具有高百分比的胶原纤维B是黄韧带，具有高百分比的弹性纤维。2022/7/2635韧带与胶原纤维力学特性对比2022/7/2636人膝前交叉韧带拉伸破坏试验区：载荷稍有增加，因波浪形胶原纤维拉直

9、而韧带伸长。区：与加载方向取向相同的纤维完全拉直，组织的刚度迅速增加。组织开始变形并与载荷成线性关系。胶原纤维也开始出现微观破坏。区：应变超过68（屈服点）后，胶原纤维束出现进行性破坏。区：在达到组织能耐受的最大载荷时发生组织的巨大破坏。区：韧带伸长约68时，韧带完全破坏。虽然组织仍然连续，但已不能支持载荷。 2022/7/2637人黄韧带含6070弹性纤维韧带伸长70时突然破坏 2022/7/2638总结存在即合理人体内纤维的种类和排列的密度，因起存在的部位的功能差异而不同。真皮、硬脑膜、巩膜和一些器官的被膜多向密集交织的胶原纤维束肌腱单向平行密集排列的胶原纤维束黄韧带和项韧带单向平行密集排

10、列的弹性纤维束2022/7/26393、骨-韧带-骨复合体离体韧带的力学性能韧带的结构骨-韧带-骨复合体的一个环节。2022/7/2640Copper试验Copper和Misol用光学和电子显微镜检查狗韧带的起止点。根据组织形态把韧带的止点分为4个区。2022/7/2641腱止点结构及功能示意图 （1）1区：腱纤维 （2）2区：纤维软骨 （3）潮线 （4）3区：钙化软骨层 （5）4区：骨2022/7/2642骨-韧带-骨复合体移行区韧带末端（1区）的胶原纤维与纤维软骨（2区）有交织。纤维软骨逐渐变为矿物化纤维软骨（3区）矿物化纤维软骨又与皮质骨融合（4区）。由于韧带-骨连结处存在3种刚度逐渐增

11、加的材料，当韧带进入刚度较大的骨结构上的止点部位，应力集中效应就减小。为什么？ 2022/7/26434、各种载荷条件下复合体性能载荷的速度和持续时间对骨-韧带-骨复合体的影响，在评估关节损伤和治疗各种关节疾病方面具有很高的临床价值。2022/7/26444.1、恒定载荷效应关节在长时间内承受恒定的低载荷时，软组织发生缓慢变形即蠕变。软组织在长期恒定载荷下会产生蠕变现象。受载初期68小时内这种蠕变最大。如在较低速度下持续数月，绝大部分蠕变发生在负荷-变形曲线的初始区。2022/7/2645应用1畸形足牵伸畸形足并用管形石膏固定，使病足承受固定载荷。2022/7/2646应用2特发性脊柱侧弯脊柱

12、侧凸是指脊柱的一个或数个节段在冠状面上偏离身体中线向侧方弯曲，形成一个带有弧度的脊柱畸形，通常还伴有脊柱的旋转和矢状面上后突或前突的增加或减少，同时还有肋骨、骨盆的旋转倾斜畸形和椎旁的韧带和肌肉的异常。2022/7/2647特发性脊柱侧凸最为常见的是原因不明的特发性脊柱侧凸（约占全部脊柱侧凸的 80 ），它好发于青少年，尤其是女性，常在青春发育前期发病，在整个青春发育期快速进展至青春发育结束，在成年期则缓解进展，有时则停止进展。2022/7/2648矫形器治疗用石膏或支架治疗特发性脊柱侧弯，借助所加的恒定载荷使软组织伸长。当软组织变形到某一恒定长度时，使载荷发生松弛，即载荷随时间而减小。受载最

13、初68小时的载荷松弛最大，以后这种效应减弱，也可以在低速率下持续数月。每天脊柱侧弯矫形器的佩戴时间？2022/7/2649三点压力系统2022/7/2650脊柱侧弯矫形器2022/7/26514.2、加载荷速度的影响离体韧带和骨一样，在加载荷速度增加时，能储存更多的能量，断裂时需要更大的力，并能承受较大的伸长。完整的骨-韧带-骨复合体在拉伸破坏试验时呈现更复杂的力学性能。 2022/7/2652前交叉韧带试验Noyes和Grood使用灵长类的膝前交叉韧带进行慢速（ 60秒，比体内损伤机制慢得多）和快速（0.6秒，与体内机制相似）拉伸破坏试验。结果慢加载荷速度：韧带的骨性止点是最弱的部分，可以发

14、生胫骨棘撕脱。快加载荷速度：在2/3的测试样本中，最弱的部位在韧带。2022/7/2653制动实验将灵长类动物在在体石膏中制动8周后进行拉伸破坏试验。结果：与对照组相比，这些动物的前交叉韧带最大破坏载荷下降40%，能量储存明显减少，制动韧带的刚度也明显减少，而伸长加大。 2022/7/2654结论关节在部分或完全制动后，需要较长时间（可长达1年）才能恢复正常的强度和刚度。当关节制动时，等长运动训练并不能模拟正常的生理载荷，所以不能防止韧带强度的降低。但关节制动期间进行等长运动训练有很多有益效果。老年化在韧带上产生的改变与制动引起的结果相似。韧带的强度和刚度随着年龄的增长有明显降低。2022/7

15、/26555、肌腱功能：把肌肉附着在骨或筋膜上，并把拉伸载荷从肌肉传递到骨或筋膜，从而产生关节运动。2022/7/2656肌腱的类型类型：有鞘肌腱和无鞘肌腱。承受特别高摩擦力的部位（如在手掌面，手指及腕关节）：肌腱有一层鞘包裹。这种鞘由纤维层组成并衬一层滑膜壁层，滑膜细胞产生的滑液有利于肌腱滑动。在承受较低摩擦力的部位：肌腱由一层疏松结缔组织构成的腱鞘包裹。在手指中肌腱必须绕角而起作用，在某些地方，一部分鞘形成滑车或环状韧带。（滑车是一种简单机械装置，能够使沿肌腱传递的肌力改变方向）2022/7/2657人手指的屈指深肌腱的简图（1：屈指深肌腱； 2：滑车； 3：腱鞘； 4：长腱纽； 5：短腱

16、纽） 包绕人指深屈肌腱的两个最重要滑车。2022/7/26582022/7/26595.1、肌肉-肌腱-骨复合体在负载时，肌腱的力学性能和韧带基本相同。决定肌腱强度的因素：肌腱的粗细形状以及加载荷速度。和韧带一样，不能孤立地来考虑肌腱，必须把它考虑为肌肉-肌腱-骨系统的一个环节。肌腱止点的结构也与韧带相似，可以分为4个区。伴随着腱性材料向骨性材料的转变，其力学性能也产生逐渐改变，使肌腱在接近骨止点处的应力集中效应有所减小。 2022/7/2660影响肌腱承受应力值的主要因素与肌腱连结的肌肉收缩量。肌腱直径与肌肉直径的比值。2022/7/2661应用举例肌肉收缩时，肌腱上的应力值增加，主要表现为

17、拉应力增高。若肌肉快速的被动伸展，肌腱上的拉应力可进一步升高。 踝关节快速背屈，腓肠肌和比目鱼肌未能反射性松弛，使跟腱上的拉伸增加，肌腱所受载荷可以超过屈服点而引起跟腱断裂。2022/7/2662肌肉的收缩量肌肉产生的收缩量取决于它的生理横截面积。肌肉的横截面积越大，收缩产生的力值越高，通过肌腱传送的拉伸载荷也越大。同样，肌腱的横截面积越大，能承受的载荷也越大。2022/7/2663拉伸强度健康肌腱的拉伸强度是肌肉强度的两倍。临床现象：肌肉断裂比肌腱断裂更为常见。大肌肉通常有大横截面积的肌腱，例如股四头肌有膑腱，小腿三头肌有跟腱。但某些小肌肉也有大横截面积的肌腱，例如跖肌。 2022/7/26

18、64在载荷下，决定韧带强度的主要因素是：韧带的粗细韧带的形状外界载荷增加速度。2022/7/26655.2、手术修复后屈肌腱的愈合手术修复的主要目的：恢复肌腱断端的连结和肌腱的正常滑动功能。手术后314天内，肌腱最弱。此时，修复区胶原纤维变软，其支持力和抗缝合剪切效应的能力下降。 2022/7/2666狗肌腱术后的恢复在较短时间内肌腱抗拉伸强度接近正常，但在随后几天内迅速下降，第5天最低。第6天以后，肌腱逐渐恢复其强度，20天左右恢复正常。 2022/7/2667人肌腱术后的恢复人手术后必须制动3周左右，以防止修复的肌腱再断裂。制动3周以上，常引起肌腱、腱鞘和周围软组织的粘连。临床上，延长制动时间常引起关节僵直。关节僵直和出