生物力學肌腱及韌帶生物力學特性

1、生物力學肌腱及韌帶生物力學特性 肌腱、韌帶和關(guān)節(jié)囊是三個緊密圍繞、連接和穩(wěn)定骨肌腱、韌帶和關(guān)節(jié)囊是三個緊密圍繞、連接和穩(wěn)定骨骼系統(tǒng)的關(guān)節(jié)的主要結(jié)構(gòu)。骼系統(tǒng)的關(guān)節(jié)的主要結(jié)構(gòu)。l韌帶和關(guān)節(jié)囊的作用是使骨與骨相連接，加強關(guān)節(jié)韌帶和關(guān)節(jié)囊的作用是使骨與骨相連接，加強關(guān)節(jié)的機械性能，引導其運動以及防止過度活動。的機械性能，引導其運動以及防止過度活動。l肌腱的作用是使肌肉與骨相連接，從肌肉傳導拉張肌腱的作用是使肌肉與骨相連接，從肌肉傳導拉張力到骨結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生關(guān)節(jié)活動，另外肌腱可以提力到骨結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生關(guān)節(jié)活動，另外肌腱可以提供一定的力臂。供一定的力臂。主要內(nèi)容主要內(nèi)容 二、機械行為、機械行為 一、組成和

2、結(jié)構(gòu)一、組成和結(jié)構(gòu) 三、影響肌腱與韌帶生物力學性能的影響肌腱與韌帶生物力學性能的因素因素l肌腱與韌帶是致密的結(jié)締組織，呈平行肌腱與韌帶是致密的結(jié)締組織，呈平行纖維的膠原結(jié)構(gòu)纖維的膠原結(jié)構(gòu)纖維母細胞纖維母細胞20%細胞外母質(zhì)細胞外母質(zhì)80%水水70%固體物質(zhì)固體物質(zhì)30%膠原膠原75%基質(zhì)基質(zhì)彈性蛋白彈性蛋白l膠原分子是由纖維母細胞合成，這種分子屬于膠原分子是由纖維母細胞合成，這種分子屬于I型膠原，型膠原，由由3個個a鏈按右旋成三重螺旋線，呈繩狀排列鏈按右旋成三重螺旋線，呈繩狀排列1、膠原、膠原圖片圖片3-2交聯(lián)交聯(lián)首（陽性）首（陽性）尾（陰性）尾（陰性）繞織多肽鏈繞織多肽鏈3個個鏈鏈 膠原分子

3、膠原分子 微原纖維微原纖維+繞織多肽鏈繞織多肽鏈 原纖維原纖維+腱內(nèi)腱內(nèi)膜膜 纖維束纖維束l肌腱：纖維呈有序的平行排列，可承受肌腱：纖維呈有序的平行排列，可承受高度的軸向拉張負荷高度的軸向拉張負荷l 韌帶：纖維呈近似平行排列，相互交韌帶：纖維呈近似平行排列，相互交織的很緊密。除了能承受主方向上的張織的很緊密。除了能承受主方向上的張力外，還可以承受其他方向較小的張力，力外，還可以承受其他方向較小的張力，肌腱與韌帶的膠原纖維肌腱與韌帶的膠原纖維排列的不同與其所適應(yīng)排列的不同與其所適應(yīng)結(jié)構(gòu)的功能有關(guān)結(jié)構(gòu)的功能有關(guān)l彈性蛋白在肌腱和韌帶中所占的比重主彈性蛋白在肌腱和韌帶中所占的比重主要與該組織的機械性

4、能是相適應(yīng)的。要與該組織的機械性能是相適應(yīng)的。l如：黃韌帶，可提供活動節(jié)段的預應(yīng)力，如：黃韌帶，可提供活動節(jié)段的預應(yīng)力，使脊柱有一定的內(nèi)在穩(wěn)定性。使脊柱有一定的內(nèi)在穩(wěn)定性。l韌帶和肌腱的基質(zhì)內(nèi)含有蛋白多糖（韌帶和肌腱的基質(zhì)內(nèi)含有蛋白多糖（PG）達固體物質(zhì)的達固體物質(zhì)的20%，其他的還有結(jié)構(gòu)性，其他的還有結(jié)構(gòu)性蛋白、血漿蛋白和不同程度的小分子。蛋白、血漿蛋白和不同程度的小分子。lPG分子的作用：分子的作用：硫化多糖鏈（糖氨基糖：硫化多糖鏈（糖氨基糖：GAG）+核心蛋核心蛋白白+透明質(zhì)酸透明質(zhì)酸 PG集合體集合體+細胞外液細胞外液膠凍樣物質(zhì)膠凍樣物質(zhì)提高膠原纖維的穩(wěn)定性和提高膠原纖維的穩(wěn)定性和強度

5、強度外結(jié)構(gòu)外結(jié)構(gòu)：肌腱和韌帶均被一層疏松細隙的結(jié)締組織包肌腱和韌帶均被一層疏松細隙的結(jié)締組織包繞，但也有重要的區(qū)別。繞，但也有重要的區(qū)別。l肌腱：其外結(jié)構(gòu)組織被稱為腱旁組織，是一個鞘，肌腱：其外結(jié)構(gòu)組織被稱為腱旁組織，是一個鞘，有保護肌腱，減小磨察力的作用。有保護肌腱，減小磨察力的作用。l韌帶：外結(jié)構(gòu)為更多的結(jié)締組織。韌帶：外結(jié)構(gòu)為更多的結(jié)締組織。與骨附著：每一束纖維都有腱內(nèi)膜緊裹，與骨附著：每一束纖維都有腱內(nèi)膜緊裹，在肌肉在肌肉-肌腱連接處與肌束膜連接，在肌肌腱連接處與肌束膜連接，在肌腱腱-骨連接處，腱內(nèi)膜的膠原纖維與骨連骨連接處，腱內(nèi)膜的膠原纖維與骨連接，形成通透性接，形成通透性Sharp

6、ey纖維，并與骨外纖維，并與骨外膜連接。膜連接。1區(qū)區(qū)-平行的膠原纖維平行的膠原纖維2區(qū)區(qū)-未礦化的纖維軟骨未礦化的纖維軟骨3區(qū)區(qū)-礦化的纖維軟骨礦化的纖維軟骨4區(qū)區(qū)-皮質(zhì)骨皮質(zhì)骨圖片圖片3-4肌腱肌腱-骨連接骨連接：l生物力學性能生物力學性能l生理性負荷生理性負荷l損傷的機能損傷的機能l肌腱與韌帶內(nèi)的粘彈性行為（速度依肌腱與韌帶內(nèi)的粘彈性行為（速度依賴性）賴性）l分析肌腱和韌帶的生物力學性能的一種分析肌腱和韌帶的生物力學性能的一種方式是使標本在恒定延伸速度下觀察拉方式是使標本在恒定延伸速度下觀察拉張變形，延伸組織，直至破壞，將所有張變形，延伸組織，直至破壞，將所有的力或負荷的力或負荷P和變形

7、量描畫出來，可得到和變形量描畫出來，可得到負荷負荷-延伸曲線圖。延伸曲線圖。l分四個區(qū)：分四個區(qū)：第一區(qū)第一區(qū)趾區(qū)（或起始）：波形纖維被拉直。趾區(qū)（或起始）：波形纖維被拉直。第二區(qū)第二區(qū)線區(qū)：纖維組織硬度迅速增大并開始變形，呈線區(qū)：纖維組織硬度迅速增大并開始變形，呈線性變化。線性變化。第三區(qū)第三區(qū)膠原纖維逐漸出現(xiàn)衰竭。膠原纖維逐漸出現(xiàn)衰竭。第四區(qū)第四區(qū)組織出現(xiàn)完全衰竭，其抵抗負荷的能力消失。組織出現(xiàn)完全衰竭，其抵抗負荷的能力消失。負荷-延伸曲線圖圖片圖片3-5PlinPmaxlE基于應(yīng)力與應(yīng)變的曲線關(guān)系基于應(yīng)力與應(yīng)變的曲線關(guān)系lE=應(yīng)力應(yīng)力/應(yīng)變應(yīng)變l趾區(qū)：趾區(qū)：E不穩(wěn)定不穩(wěn)定l線區(qū)：較穩(wěn)定線

8、區(qū)：較穩(wěn)定肌腱與韌帶的彈性模量肌腱與韌帶的彈性模量（E）l肌腱和韌帶的最高生理應(yīng)變極限，即在肌腱和韌帶的最高生理應(yīng)變極限，即在跑跳時的極限，應(yīng)變幅度只是跑跳時的極限，應(yīng)變幅度只是Pmax的三分的三分之一或四分之一。之一或四分之一。l在活體內(nèi)在活體內(nèi),假設(shè)組織的生理性負荷為假設(shè)組織的生理性負荷為P，Plin為組織的屈服點。為組織的屈服點。若若JP,韌帶和肌腱處于正常的拉伸狀態(tài)；韌帶和肌腱處于正常的拉伸狀態(tài)；若若PJPlin,肌腱和韌帶出現(xiàn)明顯折斷，同時肌腱和韌帶出現(xiàn)明顯折斷，同時關(guān)節(jié)等結(jié)構(gòu)也會發(fā)生移位，可能會造成關(guān)節(jié)等結(jié)構(gòu)也會發(fā)生移位，可能會造成周圍結(jié)構(gòu)的損害，如關(guān)節(jié)囊、血管等周圍結(jié)構(gòu)的損害，如

9、關(guān)節(jié)囊、血管等lNoyes采用臨床試驗，即在尸體膝關(guān)節(jié)作前抽屜實驗，采用臨床試驗，即在尸體膝關(guān)節(jié)作前抽屜實驗，直至前十字韌帶斷裂，觀察前十字韌帶的進行性衰竭直至前十字韌帶斷裂，觀察前十字韌帶的進行性衰竭和脛骨關(guān)節(jié)的位變，描繪出應(yīng)力和脛骨關(guān)節(jié)的位變，描繪出應(yīng)力延伸曲線圖，以及延伸曲線圖，以及記錄照片。記錄照片。l將應(yīng)力將應(yīng)力延伸曲線圖轉(zhuǎn)換成負荷延伸曲線圖轉(zhuǎn)換成負荷移位曲線圖，如右移位曲線圖，如右圖所示，將曲線圖劃分為三個區(qū)其各自符合于圖所示，將曲線圖劃分為三個區(qū)其各自符合于l在臨床穩(wěn)定時所測試的前十字韌帶負荷；在臨床穩(wěn)定時所測試的前十字韌帶負荷；l在生理活動時施加于韌帶生的負荷；在生理活動時施加

10、于韌帶生的負荷；l自微衰竭開始至完全斷裂時韌帶所承受的負荷自微衰竭開始至完全斷裂時韌帶所承受的負荷PlinPmax結(jié)果顯示在超越正常負荷結(jié)果顯示在超越正常負荷以前和整個生理范圍內(nèi)，以前和整個生理范圍內(nèi)，韌帶已經(jīng)在開始微衰竭韌帶已經(jīng)在開始微衰竭l韌帶損傷的分類：韌帶損傷的分類：有些疼痛，無關(guān)節(jié)不穩(wěn)定，膠原纖維發(fā)生微衰竭。有些疼痛，無關(guān)節(jié)不穩(wěn)定，膠原纖維發(fā)生微衰竭。韌帶部分斷裂，出現(xiàn)劇烈疼痛，關(guān)節(jié)不穩(wěn)定，膠原纖韌帶部分斷裂，出現(xiàn)劇烈疼痛，關(guān)節(jié)不穩(wěn)定，膠原纖維發(fā)生進行性衰竭，韌帶的強度和硬度減少至維發(fā)生進行性衰竭，韌帶的強度和硬度減少至50%以以上。上。損傷后一剎那之間出現(xiàn)劇烈疼痛，以后疼痛減輕，關(guān)

11、損傷后一剎那之間出現(xiàn)劇烈疼痛，以后疼痛減輕，關(guān)節(jié)完全不穩(wěn)定，多數(shù)纖維斷裂。節(jié)完全不穩(wěn)定，多數(shù)纖維斷裂。l肌腱和韌帶可在負荷下，表現(xiàn)出粘彈性肌腱和韌帶可在負荷下，表現(xiàn)出粘彈性和速度依賴性（即時間依賴性），其機和速度依賴性（即時間依賴性），其機械性能隨負荷的速度不同而變化，若應(yīng)械性能隨負荷的速度不同而變化，若應(yīng)力力應(yīng)變曲線的線性部分顯得越陡，則應(yīng)變曲線的線性部分顯得越陡，則應(yīng)變率越高，組織的硬度也越強，若曲應(yīng)變率越高，組織的硬度也越強，若曲線越平緩，情況則反之。線越平緩，情況則反之。1 應(yīng)力應(yīng)力松懈實驗松懈實驗 負荷停止在應(yīng)力負荷停止在應(yīng)力應(yīng)變曲線的線區(qū)以下，而應(yīng)變保應(yīng)變曲線的線區(qū)以下，而應(yīng)變保持

12、一定伸展階段，即延展量恒定，顯示出負荷的松解。持一定伸展階段，即延展量恒定，顯示出負荷的松解。 應(yīng)力在開始時迅速減小，然后逐漸放慢，重復進行，應(yīng)力在開始時迅速減小，然后逐漸放慢，重復進行，應(yīng)力減小將變得逐漸不明顯。應(yīng)力減小將變得逐漸不明顯。測試韌帶和肌腱的測試韌帶和肌腱的兩個標準試驗兩個標準試驗(周期周期性實驗性實驗)蠕動實驗蠕動實驗 負荷停留在應(yīng)力負荷停留在應(yīng)力應(yīng)變曲線的線區(qū)內(nèi)，應(yīng)變曲線的線區(qū)內(nèi)，應(yīng)力維持于恒定，重復實驗，變形在開應(yīng)力維持于恒定，重復實驗，變形在開始時較快，之后逐漸放慢。始時較快，之后逐漸放慢。l這一特性在臨床上的應(yīng)用：這一特性在臨床上的應(yīng)用： 利用蠕動實驗反應(yīng)的特點，能對一

13、些畸形利用蠕動實驗反應(yīng)的特點，能對一些畸形進行有效的治療，如用手法治療兒童進行有效的治療，如用手法治療兒童的馬蹄內(nèi)翻足，治療特發(fā)性脊柱側(cè)彎的馬蹄內(nèi)翻足，治療特發(fā)性脊柱側(cè)彎等。等。l具有粘彈性行為的典型結(jié)構(gòu)具有粘彈性行為的典型結(jié)構(gòu)骨骨-韌帶韌帶-骨復合體：骨復合體： 使用慢負荷時（使用慢負荷時（60s），骨），骨-韌帶韌帶-骨復合體最薄弱的部骨復合體最薄弱的部分是骨附著處。分是骨附著處。 使用快負荷時（），骨使用快負荷時（），骨-韌帶韌帶-骨復合體最薄弱的部分骨復合體最薄弱的部分是韌帶是韌帶。表明負荷速度在增加時，骨的強度增加得要比韌帶快得多。l運動與止動運動與止動l成熟與老年成熟與老年l妊娠與

14、產(chǎn)后期妊娠與產(chǎn)后期l非類固醇抗炎藥物非類固醇抗炎藥物 跟骨一樣，韌帶和肌腱隨著運動的的增跟骨一樣，韌帶和肌腱隨著運動的的增加其機械性能將增強，硬度也增加；當加其機械性能將增強，硬度也增加；當運動減少（止動）時機械性能將變?nèi)?，運動減少（止動）時機械性能將變?nèi)酰捕纫步档?。硬度也降低。l右圖為一動物實驗，使用石膏固定膝關(guān)節(jié)八周后，從右圖為一動物實驗，使用石膏固定膝關(guān)節(jié)八周后，從張拉開始直至完全衰竭，描繪出最大負荷和達到衰竭張拉開始直至完全衰竭，描繪出最大負荷和達到衰竭的能量儲存與對照組的百分比以及應(yīng)力的能量儲存與對照組的百分比以及應(yīng)力延伸曲線圖。延伸曲線圖。實驗實驗膝的骨膝的骨-韌帶韌帶-骨復合體

15、的機械性能骨復合體的機械性能明顯下降明顯下降lAmiel等人對家兔進行試驗，膝關(guān)節(jié)固定等人對家兔進行試驗，膝關(guān)節(jié)固定9周過后，外側(cè)副韌帶的強度和剛度明顯周過后，外側(cè)副韌帶的強度和剛度明顯下降，發(fā)現(xiàn)組織代謝有所增加，而膠原下降，發(fā)現(xiàn)組織代謝有所增加，而膠原分子的間的交聯(lián)量和質(zhì)也有所減少，膠分子的間的交聯(lián)量和質(zhì)也有所減少，膠原纖維束的直徑也有所減少。原纖維束的直徑也有所減少。l膠原的物理性能與膠原分子內(nèi)和膠原分膠原的物理性能與膠原分子內(nèi)和膠原分子間交聯(lián)的質(zhì)和量有密切關(guān)系。子間交聯(lián)的質(zhì)和量有密切關(guān)系。 年齡年齡20歲即成熟后及進入老年，膠歲即成熟后及進入老年，膠原的機械性能達到平衡，膠原量也開原的機械性能達到平衡，膠原量也開始減少，組織的強度和剛度開始下降始減少，組織的強度和剛度開始下降。年