生物力学肌腱与韧带的生物力学特性

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1、2021/6/41 生物力学生物力学 肌腱与韧带的生物力学肌腱与韧带的生物力学 2021/6/42肌腱和韧带的功能肌腱和韧带的功能 肌腱、韧带和关节囊是三个紧密围肌腱、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绕、连接和稳定骨骼系统的关节的主要结构。要结构。韧带和关节囊的作用是使骨与骨相连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，引导其运接，加强关节的机械性能，引导其运动以及防止过度活动。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

2、关节活动，另外肌腱可以提供一定的力臂。力臂。2021/6/43主要内容主要内容 二、机械行为、机械行为 一、组成和结构一、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2021/6/44 肌腱与韧带是致密的结缔组肌腱与韧带是致密的结缔组织，呈平行纤维的胶原结构织，呈平行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一一、组成和结构、组成和结构2021/6/45 胶原分子是由胶原分子是由纤维母细胞合纤维母细胞合成，这种分子成，这种分子属于属于I I型胶原，型胶原，由由3 3

3、个个a a链按右链按右旋成三重螺旋旋成三重螺旋线，呈绳状排线，呈绳状排列列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+腱腱内膜内膜 纤维束纤维束2021/6/46肌腱：纤维呈有序的肌腱：纤维呈有序的平行排列，可承受高平行排列，可承受高度的轴向拉张负荷度的轴向拉张负荷 韧带：纤维呈近韧带：纤维呈近似平行排列，相互交似平行排列，相互交织的很紧密。除了能织的很紧密。除了能承受主方向上的张力承受主方向上的张力外，还可以承受其他外，还可以承受其他方向较小的张力，方向较小

4、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2021/6/472 2、弹性蛋白、弹性蛋白 弹性蛋白在肌腱和韧带中弹性蛋白在肌腱和韧带中所占的比重主要与该组织所占的比重主要与该组织的机械性能是相适应的。的机械性能是相适应的。如：黄韧带，可提供活动如：黄韧带，可提供活动节段的预应力，使脊柱有节段的预应力，使脊柱有一定的内在稳定性。一定的内在稳定性。2021/6/483 3、基质、基质 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（PGPG）达固体物）达固体物质的质的20%20%，其他的还有结构性蛋白、血浆蛋白

5、和不同，其他的还有结构性蛋白、血浆蛋白和不同程度的小分子。程度的小分子。PGPG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：GAGGAG）+核心蛋白核心蛋白+透明质酸透明质酸 PG 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提高胶原纤维的稳定性和强度纤维的稳定性和强度2021/6/494 4、外结构与骨附着、外结构与骨附着外结构外结构：肌腱和韧带均被一层疏松肌腱和韧带均被一层疏松细隙的结缔组织包绕，但也有重细隙的结缔组织包绕，但也有重要的区别。要的区别。肌腱：其外结构组织被称为腱旁肌腱：其外结构组织被称为腱旁组织，是一个鞘，有保护肌腱，组织，是一个鞘

6、，有保护肌腱，减小磨察力的作用。减小磨察力的作用。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。2021/6/410与骨附着与骨附着：每一束纤维都有腱：每一束纤维都有腱内膜紧裹，在肌肉内膜紧裹，在肌肉-肌腱连接肌腱连接处与肌束膜连接，在肌腱处与肌束膜连接，在肌腱-骨骨连接处，腱内膜的胶原纤维与连接处，腱内膜的胶原纤维与骨连接，形成通透性骨连接，形成通透性SharpeySharpey纤维，并与骨外膜连接。纤维，并与骨外膜连接。2021/6/4111 1区区-平行的胶平行的胶原纤维原纤维2 2区区-未矿化的未矿化的纤维软骨纤维软骨3 3区区-矿化的纤矿化的纤维软骨维软骨4 4区区-皮

7、质骨皮质骨图片图片3-4肌腱肌腱-骨连接骨连接：2021/6/412二、机械行为二、机械行为生物力学性能生物力学性能生理性负荷生理性负荷损伤的机能损伤的机能肌腱与韧带内的粘弹性行为（速度依赖性）肌腱与韧带内的粘弹性行为（速度依赖性）2021/6/4131 1、生物力学性能、生物力学性能 分析肌腱和韧带的生物力学分析肌腱和韧带的生物力学性能的一种方式是使标本在性能的一种方式是使标本在恒定延伸速度下观察拉张变恒定延伸速度下观察拉张变形，延伸组织，直至破坏，形，延伸组织，直至破坏，将所有的力或负荷将所有的力或负荷P P和变形和变形量描画出来，可得到负荷量描画出来，可得到负荷-延伸曲线图。延伸曲线图。

8、2021/6/414 分四个区：分四个区：第一区第一区趾区（或趾区（或起始）：波形起始）：波形纤维被拉直。纤维被拉直。第二区第二区线区：纤线区：纤维组织硬度迅维组织硬度迅速增大并开始速增大并开始变形，呈线性变形，呈线性变化。变化。第三区第三区胶原纤维胶原纤维逐渐出现衰竭。逐渐出现衰竭。第四区第四区组织出现组织出现完全衰竭，其完全衰竭，其抵抗负荷的能抵抗负荷的能力消失。力消失。负荷-延伸曲线图图片图片3-5PlinPmax2021/6/415 E E基于应力与应变的曲线基于应力与应变的曲线关系关系 E=E=应力应力/应变应变 趾区：趾区：E E不稳定不稳定 线区：较稳定线区：较稳定肌腱与韧带的弹

9、性模量肌腱与韧带的弹性模量（E）2021/6/4162 2、生理性负荷生理性负荷 肌腱和韧带的最高生理肌腱和韧带的最高生理应变极限，即在跑跳时应变极限，即在跑跳时的极限，应变幅度只是的极限，应变幅度只是P Pmaxmax的三分之一或四分之的三分之一或四分之一。一。2021/6/4173 3、损伤的机能、损伤的机能 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 P，PlinPlin为组织的屈服点。为组织的屈服点。若若JP,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,PJPlin,JPlin,肌腱和韧带出现明显折断，同肌腱和韧带出现明显折

10、断，同时关节等结构也会发生移位，可能会造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、血管等成周围结构的损害，如关节囊、血管等2021/6/418 NoyesNoyes采用临床试验，采用临床试验，即在尸体膝关节作前抽即在尸体膝关节作前抽屉实验，直至前十字韧屉实验，直至前十字韧带断裂，观察前十字韧带断裂，观察前十字韧带的进行性衰竭和胫骨带的进行性衰竭和胫骨关节的位变，描绘出应关节的位变，描绘出应力力延伸曲线图，以及延伸曲线图，以及记录照片。记录照片。2021/6/419 将应力将应力延伸曲线图转换成负延伸曲线图转换成负荷荷移位曲线图，如右图所示，移位曲线图，如右图所示，将曲线图划

11、分为三个区其各自将曲线图划分为三个区其各自符合于符合于 在临床稳定时所测试的前十在临床稳定时所测试的前十字韧带负荷；字韧带负荷；在生理活动时施加于韧带生在生理活动时施加于韧带生的负荷；的负荷；自微衰竭开始至完全断裂时自微衰竭开始至完全断裂时韧带所承受的负荷韧带所承受的负荷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2021/6/420 韧带损伤的分类：韧带损伤的分类：有些疼痛，无关节不稳定，胶原纤维发生有些疼痛，无关节不稳定，胶原纤维发生微衰竭。微衰竭。韧带部分断裂，出现剧烈疼痛，关节不稳韧带部

12、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，韧带的强定，胶原纤维发生进行性衰竭，韧带的强度和硬度减少至度和硬度减少至50%50%以上。以上。损伤后一刹那之间出现剧烈疼痛，以后疼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。痛减轻，关节完全不稳定，多数纤维断裂。2021/6/4214 4、肌腱和韧带内的粘弹性行为（速度依赖、肌腱和韧带内的粘弹性行为（速度依赖性）性）肌腱和韧带可在负荷下，表肌腱和韧带可在负荷下，表现出粘弹性和速度依赖性现出粘弹性和速度依赖性（即时间依赖性），其机械（即时间依赖性），其机械性能随负荷的速度不同而变性能随负荷的速度不同而变化，

13、若应力化，若应力应变曲线的线应变曲线的线性部分显得越陡，则应变率性部分显得越陡，则应变率越高，组织的硬度也越强，越高，组织的硬度也越强，若曲线越平缓，情况则反之。若曲线越平缓，情况则反之。2021/6/4221 应力应力松懈实验松懈实验 负荷停止在应负荷停止在应力力应变曲线的线区应变曲线的线区以下，而应变保持一以下，而应变保持一定伸展阶段，即延展定伸展阶段，即延展量恒定，显示出负荷量恒定，显示出负荷的松解。的松解。应力在开始时迅应力在开始时迅速减小，然后逐渐放速减小，然后逐渐放慢，重复进行，应力慢，重复进行，应力减小将变得逐渐不明减小将变得逐渐不明显。显。测试韧带和肌腱的测试韧带和肌腱的两个标

14、准试验两个标准试验(周期周期性实验性实验)2021/6/423蠕动实验蠕动实验 负荷停留在应负荷停留在应力力应变曲线的应变曲线的线区内，应力维线区内，应力维持于恒定，重复持于恒定，重复实验，变形在开实验，变形在开始时较快，之后始时较快，之后逐渐放慢。逐渐放慢。2021/6/424 这一特性在临床上的这一特性在临床上的应用：应用：利用蠕动实验反应的利用蠕动实验反应的特点，能对一些畸形特点，能对一些畸形进行有效的治疗，如进行有效的治疗，如用手法治疗儿童的用手法治疗儿童的马蹄内翻足，马蹄内翻足，治疗治疗特发性脊柱侧弯等。特发性脊柱侧弯等。2021/6/425 具有粘弹性行为的典型结构具有粘弹性行为的

15、典型结构骨骨-韧韧带带-骨复合体：骨复合体：使用慢负荷时（使用慢负荷时（60s60s），骨），骨-韧带韧带-骨复合体最薄弱的部分是骨附着处。骨复合体最薄弱的部分是骨附着处。使用快负荷时（使用快负荷时（0.6s0.6s），骨），骨-韧带韧带-骨复合体最薄弱的部分是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。2021/6/426三、影响肌腱与韧带生物力学性能三、影响肌腱与韧带生物力学性能 的因素的因素 运动与止动运动与止动成熟与老年成熟与老年妊娠与产后期妊娠与产后期非类固醇抗炎药物非类固醇抗炎药物2021/6/4271 1、运动与止动、运动与止动 跟骨一样，

16、韧带和肌腱跟骨一样，韧带和肌腱随着运动的的增加其机械随着运动的的增加其机械性能将增强，硬度也增加；性能将增强，硬度也增加；当运动减少（止动）时机当运动减少（止动）时机械性能将变弱，硬度也降械性能将变弱，硬度也降低。低。2021/6/428 右图为一动物实验，使用石右图为一动物实验，使用石膏固定膝关节八周后，从张膏固定膝关节八周后，从张拉开始直至完全衰竭，描绘拉开始直至完全衰竭，描绘出最大负荷和达到衰竭的能出最大负荷和达到衰竭的能量储存与对照组的百分比以量储存与对照组的百分比以及应力及应力延伸曲线图。延伸曲线图。实验实验膝的骨膝的骨-韧带韧带-骨复合体的机械性能骨复合体的机械性能明显下降明显下降

17、2021/6/429实验实验 AmielAmiel等人对家兔进行试等人对家兔进行试验，膝关节固定验，膝关节固定9 9周过后，周过后，外侧副韧带的强度和刚度外侧副韧带的强度和刚度明显下降，发现组织代谢明显下降，发现组织代谢有所增加，而胶原分子的有所增加，而胶原分子的间的交联量和质也有所减间的交联量和质也有所减少，胶原纤维束的直径也少，胶原纤维束的直径也有所减少。有所减少。2021/6/4302 2、成熟与老年、成熟与老年 胶原的物理性能与胶原胶原的物理性能与胶原分子内和胶原分子间交分子内和胶原分子间交联的质和量有密切关系。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

18、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。年龄年龄20岁，交联的质和量随年龄增岁，交联的质和量随年龄增加，肌腱和韧带的拉张强度增加；加，肌腱和韧带的拉张强度增加；2021/6/4313 3、妊娠与产后期、妊娠与产后期 在妊娠和产后期，耻在妊娠和产后期，耻骨区的肌腱和韧带的骨区的肌腱和韧带的松弛度往往增加。松弛度往往增加。2021/6/4324 4、非类固醇抗炎药物、非类固醇抗炎药物 非类固醇抗炎药物（非类固醇抗炎药物（NSAIDNSAID），），如阿司匹林、乙酰胺酚和消如阿司匹林、乙酰胺酚和消炎痛等。炎痛等。短期使用短期使用NSAIDNSAID药物虽然对肌药物虽然对肌腱和韧带愈合的影响不大，腱和韧带愈合的影响不大，但能增快组织生物机械复原但能增快组织生物机械复原的速度，其机理可能是由于的速度，其机理可能是由于胶原分子间的交联增多。胶原分子间的交联增多。2021/6/433部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！