生物力学—肌腱与韧带的生物力学特性

• 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 ①用手法治疗儿童的 马蹄内翻足，②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：
①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。
②使用快负荷时（0.6s），骨-韧带 -骨复合体最薄弱的部分是韧带。
③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。
• 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。
Pmax
○
Plin ○
图片3-5
负荷-延伸曲线图
肌腱与韧带的弹性模量 （E）
• E基于应力与应变的曲线 关系
若J>Plin,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
实验①
• 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。
膝的骨-韧带-骨复合体的机械性能 明显下降
实验②
• 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。
• 生物力学 • ——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。
• 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。
主要内容 一、组成和结构
二、机械行为
三、影响肌腱与韧带生物力学性能的 因素
一、组成和结构
• 肌腱与韧带是致密的结缔组 织，呈平行纤维的胶原结构
﹛ ﹛ ﹛ 纤维母细胞20% 细胞外母质80%
水70% 胶原75%
固体物质30% 基质
弹性蛋白
1、胶原
• 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
Pmax Plin
• ①在临床稳定时所测试的前十 字韧带负荷；
• ②在生理活动时施加于韧带生 的负荷；
• ③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
•原纤维发生 微衰竭。
②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50%以上。
• E=应力/应变 • 趾区：E不稳定 • 线区：较稳定
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J<P,韧带和肌腱处于正常的拉伸状态；
若P<J<Plin,韧带和肌腱发生微断裂
测试韧带1 和肌腱的 两个标准试验(周期 性实验)
①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。
②蠕动实验
负荷停留在应 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。
二、机械行为
1. 生物力学性能 2. 生理性负荷 3. 损伤的机能 4. 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，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。
图片3-2
绕织多肽链 交联
○
首（阳性） 尾（阴性）
3个ɑ链
胶原分子
膜 纤维束
微原纤维+绕织多肽链 原纤维+腱内
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
1. 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
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，交联的质和量随年龄增 加，肌腱和韧带的拉张强度增加；
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。
3、妊娠与产后期
• 在妊娠和产后期，耻 骨区的肌腱和韧带的 松弛度往往增加。
4、非类固醇抗炎药物
• 非类固醇抗炎药物（NSAID）， 如阿司匹林、乙酰胺酚和消 炎痛等。
• 短期使用NSAID药物虽然对肌 腱和韧带愈合的影响不大， 但能增快组织生物机械复原 的速度，其机理可能是由于 胶原分子间的交联增多。
• 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。
肌腱-骨连接：
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
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
1. 运动与止动 2. 成熟与老年 3. 妊娠与产后期 4. 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。
外，还可以承受其他
方向较小的张力，
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。