肌腱和韌帶的生物力學(xué)資料

1、肌腱和韌帶的生物力學(xué),肌腱和韌帶的組成與結(jié)構(gòu),膠原彈力蛋白基質(zhì)血液供應(yīng)及滑動(dòng)結(jié)構(gòu)外圍結(jié)構(gòu)及在骨骼上的附著點(diǎn),肌腱和韌帶的機(jī)械特性,生物力學(xué)特性肌腱和韌帶的生理負(fù)荷肌腱和韌帶的粘彈性表現(xiàn)（對(duì)應(yīng)力速率的依賴性）,韌帶斷裂和肌腱受傷的機(jī)制,影響肌腱和韌帶生物力學(xué)特性的因素,成長(zhǎng)及老化壬辰和產(chǎn)后活動(dòng)及制動(dòng)糖尿病類固醇非類固醇消炎藥血液透析移植物,概述,肌腱、韌帶和關(guān)節(jié)囊是覆蓋、連接和制動(dòng)關(guān)節(jié)的三個(gè)主要結(jié)構(gòu)組織。雖然它們

2、都不像肌肉那樣主動(dòng)收縮，但它們對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)都有著重要的作用。韌帶和關(guān)節(jié)囊提供骨與骨的連接，從而增強(qiáng)關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和引導(dǎo)正常關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)及防止關(guān)節(jié)過度屈伸。韌帶和關(guān)節(jié)囊都給關(guān)節(jié)提供靜態(tài)限制。肌腱連接肌肉與骨骼，把肌肉的收縮力傳至骨骼上，從而使關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)或保持身體的姿勢(shì)。肌腱與肌肉組合成肌腱-肌肉單位，構(gòu)成動(dòng)態(tài)限制。肌腱另一個(gè)功能是確保肌肉在其兩端的附著處之間能夠維持最佳的收縮長(zhǎng)度，以免過度伸展。,肌腱和韌帶受傷或不協(xié)調(diào)很常見。對(duì)這些組織的生物力學(xué)

3、特性及自身復(fù)原的潛能有適當(dāng)了解是正確處理這些損傷的基礎(chǔ),肌腱和韌帶是組成與結(jié)構(gòu),肌腱和韌帶都是高密度的結(jié)締組織，含有大量平行排列的纖維膠原組織。這些血流量少的組織擁有很多膠原，而膠原是一種纖維蛋白質(zhì)，它占全身總蛋白的1/3.膠原的機(jī)械穩(wěn)定性對(duì)肌腱和韌帶的強(qiáng)度和韌帶都很重要。,和其他結(jié)締組織一樣，肌腱和韌帶都只含有少數(shù)的細(xì)胞（成纖維細(xì)胞）和大量的細(xì)胞外基質(zhì)。細(xì)胞大約占整個(gè)結(jié)構(gòu)的20%的體積比例，而其他細(xì)胞外基質(zhì)占其余的80%。組成這些外基

4、質(zhì)的大約70%是水分，其他的30%是固體物質(zhì)。固體物質(zhì)包括膠原、基質(zhì)和少量的彈力蛋白。膠原占75%或以上，而肌腱比韌帶含有更多膠原；在四肢的肌腱中，固體物質(zhì)中膠原可高達(dá)99%干重,,膠原 膠原分子是由成纖維細(xì)胞在其細(xì)胞中首先制造較大的基本前體（前膠原）之后由細(xì)胞內(nèi)分泌到細(xì)胞體外成為膠原。 3條多肽鏈組成膠原分子，五個(gè)膠原分子組成一條微纖維，之后再組成次級(jí)纖維及原纖維。原纖維經(jīng)過聚合形成膠原纖維。很多條纖維聚合在一起便組成一個(gè)纖維束。成

5、纖維細(xì)胞便分布在纖維束之間。經(jīng)纖維膜（腱內(nèi)膜）組成肌腱。,肌腱滑動(dòng)結(jié)構(gòu)腱旁組織是一種網(wǎng)狀疏松的結(jié)締組織，它即將肌腱與周圍的骨膜等組織牢固連接，又將肌腱與其他組織隔開，便于肌腱在這些硬韌的組織上滑動(dòng)?；で史譃榕K層和壁層，臟層覆蓋肌腱，形成腱外膜。臟層又分出纖維膜進(jìn)入肌腱，將肌腱分為若干束，形成間隔，成為腱內(nèi)膜。壁層構(gòu)成纖維膜的襯里。臟層壁層滑膜在纖維鞘的遠(yuǎn)近兩端反褶成盲囊狀，中空為滑膜腔腔內(nèi)有滑液，有利于肌腱在期間滑動(dòng)。纖維鞘管壁

6、薄厚不一致，由多個(gè)環(huán)狀和交叉韌帶組成，形成一系列具有重要生物力學(xué)特性的滑車系統(tǒng),彈力蛋白肌腱和韌帶的機(jī)械特性除掉取決它們膠原的結(jié)構(gòu)特質(zhì)外，也受它們擁有的彈力蛋白比例的影響。彈力蛋白在肌腱與四肢的韌帶中只占很少數(shù)，但在彈性強(qiáng)的韌帶如黃韌帶，它的含量便很高,基質(zhì)肌腱和韌帶的基質(zhì)主要成分是蛋白聚糖（大約固體重量20%），結(jié)構(gòu)糖蛋白，離子蛋白和其他小分子蛋白。 這些蛋白聚糖與肌腱和韌帶細(xì)胞外的水分結(jié)合，形成有高度結(jié)構(gòu)組織半固體的物質(zhì)，加

7、上它們?cè)诩‰旌晚g帶內(nèi)的作用似混凝土將纖維粘合，以增強(qiáng)這合成結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)韌度,血液供應(yīng)肌腱和韌帶只有少量的血管，這影響了它們的代謝與受傷后的康復(fù)速度。肌腱的血管來自它們所連接著的肌束膜，骨膜和圍繞它們的鍵旁組織及腱系膜。被腱旁組織所包圍的肌腱又稱含血管腱，而被腱鞘包圍的肌腱成為無血管腱。在含血管腱中的血管從周圍多個(gè)途徑進(jìn)入肌腱，之后又會(huì)與縱向的毛細(xì)血管系統(tǒng)相同。,被腱鞘包圍的肌腱血管分布形式不同。這種肌腱的系膜退化為紐帶樣。缺血部分

8、被認(rèn)為有兩個(gè)途徑來得到養(yǎng)分，一是由血液吸取，二是在沒有血循環(huán)的部分養(yǎng)分經(jīng)關(guān)節(jié)液滲透到肌腱。養(yǎng)分滲透概念有很重要的臨床意義，即肌腱復(fù)原可在沒有粘連的情況下（即有血液供應(yīng)）進(jìn)行。相反，韌帶較周圍組織的血循環(huán)少，但從形態(tài)學(xué)的研究結(jié)果顯示韌帶有相當(dāng)?shù)难悍植?，這些血液多來自韌帶與骨的接點(diǎn)。雖然血流量不多，但這些血液對(duì)維持它的功能起到很重要的作用。尤其是把養(yǎng)分輸送到細(xì)胞和令韌帶組織于受傷后有復(fù)原的機(jī)會(huì)是特別重要的。在沒有血液供應(yīng)到這些組織的情況下

9、，韌帶疲勞時(shí)，微創(chuàng)傷會(huì)不斷積聚，最終可能使韌帶斷裂,有關(guān)腱鞘區(qū)的肌腱營養(yǎng)來源曾有很多爭(zhēng)議，現(xiàn)在較一致認(rèn)為滑液是腱鞘區(qū)肌腱的主要營養(yǎng)來源?；籂I養(yǎng)肌腱的方式主要有主動(dòng)擴(kuò)散和肌腱屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)滑液被動(dòng)擠入肌腱組織。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為肌腱經(jīng)外源性途徑愈合，肌腱粘連組織是細(xì)胞和血管張入斷端的載體，粘連形成是肌腱愈合的重要環(huán)節(jié)。但大量研究表明腱鞘的滑液環(huán)境使肌腱具有內(nèi)在的愈合能力，從此人們認(rèn)為外源性愈合途徑不再是肌腱愈合的重要因素。術(shù)后早期活動(dòng)使肌腱的外源

10、性愈合優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為內(nèi)源性愈合優(yōu)勢(shì)。肌腱和韌帶的相對(duì)滑動(dòng)（主動(dòng)反主動(dòng)肌腱功能方向的活動(dòng)）既限制了外來肉芽的生長(zhǎng)，改善組織灌注和促進(jìn)滑液擴(kuò)散，又在縫合端產(chǎn)生間斷重復(fù)張力，刺激內(nèi)源性愈合，增加肌腱的強(qiáng)度和滑動(dòng)能力，減少粘連。,外周結(jié)構(gòu)及在骨骼上的附著點(diǎn)韌帶和肌腱的外周結(jié)構(gòu)有一定的相似地方，兩者都被疏松的結(jié)締組織包裹，疏松結(jié)締組織在韌帶中沒有別的名稱，但在肌腱中被稱為腱旁組織，它也更具有結(jié)構(gòu)性，它形成一層腱鞘以保護(hù)肌腱及讓它在內(nèi)滑動(dòng)。例如手指的

11、屈肌腱中，腱鞘包著整條肌腱，但其他肌腱中，腱鞘也可能只包著肌腱的某一段,在摩擦力大的部位，例如手腕和手掌，腱旁組織之下有一層滑膜，稱之為腱外膜，它包圍著幾組纖維束。腱外膜上滑膜細(xì)胞所分泌的滑液有助肌腱滑動(dòng)。在 沒有太大摩擦力的部位，肌腱便只有腱旁組織而沒有腱外膜每一條纖維束都是唄腱內(nèi)膜包著，它連接肌腱與肌束膜的交接點(diǎn)。在骨與腱的接點(diǎn)的膠原纖維與sharpey貫穿纖維相連接，并一直連續(xù)也骨膜連接,肌腱和韌帶在骨骼上的附著點(diǎn)結(jié)構(gòu)很相似，都

12、如下所示有四個(gè)不同的區(qū)域，即肌腱的末端1區(qū)，膠原與纖維軟骨混合區(qū)2區(qū)，組織礦化區(qū)3區(qū)，而后融入密質(zhì)骨4區(qū)。這種由肌腱逐漸轉(zhuǎn)為骨質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化使組織的機(jī)械特性漸漸改變，故能減少應(yīng)力聚集在肌腱-骨骼附著點(diǎn)上,電鏡顯示狗的髕腱與骨骼接點(diǎn)的四區(qū) 1區(qū)是膠原纖維；2區(qū)是非礦化區(qū)的纖維軟骨；3區(qū)是礦化的纖維軟骨；4區(qū)是皮質(zhì)骨。,肌腱和韌帶的機(jī)械特性,肌腱和韌帶都是粘彈性組織并具粘彈性特質(zhì)。肌腱能承受很強(qiáng)的張力將肌肉的收縮力傳至關(guān)節(jié)和帶動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，但

13、它也是柔軟的組織，能繞著骨骼是外緣改變肌肉拉力方向。韌帶更為柔軟及及可屈曲，可容許骨與骨之間的活動(dòng)，但它們也能承受很大的張力及對(duì)抗外力以免過度伸展。,分析肌腱和韌帶的機(jī)械性能對(duì)了解它們受傷的原理有重要的意義。兩種組織在正常或過度負(fù)荷下受張力影響。當(dāng)張力過大導(dǎo)致受傷時(shí)，受傷的程度視其張力的速率和力度的大小而定。,1足趾區(qū)，組織只承受很少應(yīng)力后，出現(xiàn)很大的應(yīng)變。2直線區(qū)，纖維受力后出現(xiàn)線性應(yīng)變。組織的剛性急劇增加。3直線變形區(qū)終止，膠原纖維

14、在拉力超過此區(qū)后逐漸斷裂。4最大應(yīng)力肌腱強(qiáng)度，整個(gè)肌腱以斷裂。,肌腱和韌帶的生理負(fù)荷,在正?；铙w生理情況下，這些組織所承受的應(yīng)力只是它們極限的1/3.它們一般應(yīng)變度（例如跑步和跳躍）大約是2%-5%之間。在羊的跖伸肌腱植入應(yīng)變器顯示，當(dāng)羊以快步疾走時(shí)，肌腱的應(yīng)變2.6%，但速度減慢時(shí)應(yīng)變更少。每走一步肌腱最大應(yīng)變只維持0.1秒，而肌腱在步行中所承受的最大負(fù)荷是45N，相當(dāng)于它能承受最大應(yīng)力的1/4,肌腱和韌帶的粘彈性表現(xiàn)（對(duì)應(yīng)力速率的

15、依賴性）,當(dāng)肌腱和韌帶承受應(yīng)變速率增加時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線性部分的傾斜度增加，表明組織在較高的應(yīng)變速率有較大的剛度，肌腱和韌帶儲(chǔ)存的能量教也較高，因此需要較強(qiáng)的應(yīng)力才能把這些組織拉斷當(dāng)肌腱和韌帶在進(jìn)行重復(fù)拉伸測(cè)試時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線會(huì)沿伸長(zhǎng)軸右移應(yīng)變會(huì)增加。如果重復(fù)負(fù)載持續(xù)加于受損的剛性減弱的組織，正常的生理負(fù)荷范圍內(nèi)組織也會(huì)微斷裂,韌帶斷裂和肌腱受傷的機(jī)制,韌帶斷裂與肌腱受傷的機(jī)制基本相同，因此一下對(duì)韌帶斷裂的討論也可引用于肌腱。當(dāng)

16、韌帶在活體內(nèi)受到一個(gè)超過它的生能負(fù)荷，達(dá)到屈服點(diǎn)前會(huì)出現(xiàn)微斷裂。當(dāng)負(fù)荷超出直線變形區(qū)，整條韌帶會(huì)有明顯的斷裂，而它所連接的關(guān)節(jié)會(huì)有不正常的移位。移位會(huì)導(dǎo)致在韌帶周邊的組織包括關(guān)節(jié)囊、韌帶、和供養(yǎng)這些組織的血管也同時(shí)受損。,載荷變形曲線第一區(qū)顯示正常的生理反應(yīng)，在微創(chuàng)區(qū)中，大應(yīng)變導(dǎo)致應(yīng)力加大最終令韌帶斷裂。人類測(cè)試顯示前十字韌帶屈服點(diǎn)340-390N前十字韌帶受傷的關(guān)節(jié)會(huì)出現(xiàn)很大的關(guān)節(jié)內(nèi)部移位，導(dǎo)致應(yīng)力和軟骨的負(fù)荷增加而出現(xiàn)關(guān)節(jié)退化。沒有

17、前十字韌帶功能的膝關(guān)節(jié)會(huì)出現(xiàn)關(guān)節(jié)不穩(wěn)和突然松動(dòng)，這會(huì)影響日常生活如步行、跑步、蹲膝動(dòng)作。,肌腱和韌帶受傷機(jī)制十分相似，但因肌腱于肌肉連接，要多考慮兩個(gè)重要因素，分別是連接著肌腱的肌肉所發(fā)揮的收縮力與肌腱相對(duì)于肌肉的橫切面積比例。,肌肉收縮時(shí)，連接的肌腱便會(huì)承受應(yīng)力，在肌肉承受最大收縮時(shí)，肌腱的拉伸應(yīng)力也達(dá)最高點(diǎn)。在肌肉進(jìn)行離心收縮時(shí)，肌腱承受的應(yīng)力會(huì)更大。例如很快的背屈踝關(guān)節(jié)，小腿跖曲肌肉還未來及發(fā)揮反射性松弛，所以便會(huì)增加跟腱的拉力。

18、如負(fù)荷超過跟腱的屈曲點(diǎn)便會(huì)導(dǎo)致跟腱斷裂。粗大的肌腱能承受較大負(fù)荷。一般大肌肉有較大的肌腱連接。,影響肌腱和韌帶生物力學(xué)特性的因素,有很多因素會(huì)影響肌腱和韌帶的生物力學(xué)特質(zhì)。最常見的包括老化、妊娠、活動(dòng)及制動(dòng)、糖尿病、使用類固醇或非類固醇消炎藥或血液透析等,在成人中或超過60歲的年老人中，膠原纖維的直徑顯著縮小。成長(zhǎng)期過后步入衰老期，細(xì)小的膠原原纖維增加，膠原的生物力學(xué)特性會(huì)有一段時(shí)間橫向發(fā)展，之后組織的拉伸強(qiáng)度和剛度便會(huì)減退,妊娠和產(chǎn)

19、后可能和妊娠后肌腱和韌帶較為松弛有關(guān),活動(dòng)和制動(dòng),生物組織是活的，它的機(jī)械性是會(huì)隨著它所承受的應(yīng)力而改變，導(dǎo)致它能適應(yīng)不同的功能要求及發(fā)揮最佳。韌帶和肌腱都像骨一樣會(huì)受應(yīng)力影響而產(chǎn)生重新塑造。若應(yīng)力大，它們會(huì)變的更堅(jiān)韌，若應(yīng)力減少，它們的剛度也會(huì)減低運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練增加肌腱和韌帶與骨連接點(diǎn)的拉伸強(qiáng)度制動(dòng)后這些韌帶的新陳代謝有所增加，導(dǎo)致大量未成熟的膠原產(chǎn)生和膠原分子間關(guān)聯(lián)飛質(zhì)和量減低,糖尿病,糖尿病病人的新陳代謝異常導(dǎo)致身體喪失氧碳化合

20、物的功能。糖尿病人比正常人多肌腱攣縮（29%比9%）腱膜炎（59%比7%)關(guān)節(jié)強(qiáng)直（40%比9%）關(guān)節(jié)囊炎（16%比1%），骨質(zhì)疏松等,類固醇,在韌帶受傷后使用皮質(zhì)類固醇可能會(huì)嚴(yán)重影響它的生物力學(xué)和組織特性，也會(huì)妨礙膠原的合成,非類固醇,非類固醇消炎藥常用于處理肌肉骨骼系統(tǒng)的痛癥。短期使用非類固醇消炎藥不會(huì)對(duì)肌腱恢復(fù)構(gòu)成不良影響，反而加速這些組織恢復(fù)正常的機(jī)械特性。,血液透析,在長(zhǎng)期接受血液透析的病人當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)74%有肌腱或韌帶度過松弛