生物力学—肌腱与韧带的生物力学特性

1、肌腱与韧带的生物力学,肌腱和韧带的功能,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。 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。 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，另外肌腱可以提供一定的力臂。,二、机械行为,一、组成和结构,三、影响肌腱与韧带生物力学性能的因素,肌腱与韧带是致密的结缔组织，呈平行纤维的胶原结构,一、组成和结构,胶原分子是由纤维母细胞合成，这种分子属于i型胶原，由3个a链按右旋成三重螺旋线，呈绳状排列,1、胶原,肌腱：纤维呈有序的平行排列，可承受高度的轴向拉张负荷 韧带：纤

2、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排列的不同与其所适应结构的功能有关,2、弹性蛋白,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能是相适应的。 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。,3、基质,韧带和肌腱的基质内含有蛋白多糖（pg）达固体物质的20%，其他的还有结构性蛋白、血浆蛋白和不同程度的小分子。 pg分子的作用： 硫化多糖链（糖氨基糖：gag）+核心蛋白+透明质酸 pg集合体+细胞外液胶冻样物质提高胶原纤维的稳定性和强度,4、外结构与骨附着,外结构：肌腱和韧带均被一层疏松细隙

3、的结缔组织包绕，但也有重要的区别。 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。 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，在肌肉-肌腱连接处与肌束膜连接，在肌腱-骨连接处，腱内膜的胶原纤维与骨连接，形成通透性sharpey纤维，并与骨外膜连接。,1区-平行的胶原纤维 2区-未矿化的纤维软骨 3区-矿化的纤维软骨 4区-皮质骨,图片3-4,肌腱-骨连接：,二、机械行为,生物力学性能 生理性负荷 损伤的机能 肌腱与韧带内的粘弹性行为（速度依赖性）,1、生物力学性能,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张变形，

4、延伸组织，直至破坏，将所有的力或负荷p和变形量描画出来，可得到负荷-延伸曲线图。,分四个区： 第一区趾区（或起始）：波形纤维被拉直。 第二区线区：纤维组织硬度迅速增大并开始变形，呈线性变化。 第三区胶原纤维逐渐出现衰竭。 第四区组织出现完全衰竭，其抵抗负荷的能力消失。,e基于应力与应变的曲线关系 e=应力/应变 趾区：e不稳定 线区：较稳定,肌腱与韧带的弹性模量（e）,2、生理性负荷,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pmax的三分之一或四分之一。,3、损伤的机能,在活体内,假设组织的生理性负荷为p，plin为组织的屈服点。 若jplin,肌腱和韧带出现明显折断，同时

5、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,noyes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和胫骨关节的位变，描绘出应力延伸曲线图，以及记录照片。,将应力延伸曲线图转换成负荷移位曲线图，如右图所示，将曲线图划分为三个区其各自符合于 在临床稳定时所测试的前十字韧带负荷； 在生理活动时施加于韧带生的负荷； 自微衰竭开始至完全断裂时韧带所承受的负荷,结果显示在超越正常负荷以前和整个生理范围内，韧带已经在开始微衰竭,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。 韧带部分断裂，出现剧烈疼痛，关节不稳定，胶原纤维发

6、生进行性衰竭，韧带的强度和硬度减少至50%以上。 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。,4、肌腱和韧带内的粘弹性行为（速度依赖性）,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），其机械性能随负荷的速度不同而变化，若应力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，若曲线越平缓，情况则反之。,应力松懈实验 负荷停止在应力应变曲线的线区以下，而应变保持一定伸展阶段，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，应力减小将变得逐渐不明显。,测试韧带和肌腱的两个标准试验(周期性实验),蠕动实验 负荷

7、停留在应力应变曲线的线区内，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。,这一特性在临床上的应用： 利用蠕动实验反应的特点，能对一些畸形进行有效的治疗，如用手法治疗儿童的马蹄内翻足，治疗特发性脊柱侧弯等。,具有粘弹性行为的典型结构骨-韧带-骨复合体： 使用慢负荷时（60s），骨-韧带-骨复合体最薄弱的部分是骨附着处。 使用快负荷时（0.6s），骨-韧带-骨复合体最薄弱的部分是韧带。,表明负荷速度在增加时，骨的强度增加得要比韧带快得多。,三、影响肌腱与韧带生物力学性能 的因素,运动与止动 成熟与老年 妊娠与产后期 非类固醇抗炎药物,1、运动与止动,跟骨一样，韧带和肌腱随着运动的的增

8、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，硬度也降低。,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的能量储存与对照组的百分比以及应力延伸曲线图。,实验,膝的骨-韧带-骨复合体的机械性能明显下降,实验,amiel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，胶原纤维束的直径也有所减少。,2、成熟与老年,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。,年龄20岁即成熟后及进入老年，胶原的机械性能达到平衡，胶原量也开始减少，组织的强度和刚度开始下降。,年龄20岁，交联的质和量随年龄增加，肌腱和韧带的拉张强度增加；,3、妊娠与产后期,在妊娠和产后期，耻