運(yùn)動(dòng)學(xué)課件：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)2

1、膠原組織生物力學(xué)一、膠原組織2022/7/2631、什么是組織？組織是機(jī)體中一些形態(tài)結(jié)構(gòu)類似、功能相關(guān)的細(xì)胞和細(xì)胞間質(zhì)組合成的群體結(jié)構(gòu)。人體有多種組織，一般可以歸納為四種基本組織：上皮組織、結(jié)締組織、肌肉組織和神經(jīng)組織。2022/7/2642、什么是結(jié)締組織？結(jié)締組織由細(xì)胞和大量的細(xì)胞間質(zhì)組成。細(xì)胞間質(zhì)包括細(xì)絲狀的纖維和無(wú)定型的基質(zhì)。結(jié)締組織功能：連接、支持、營(yíng)養(yǎng)、保護(hù)、防御和修復(fù)等。結(jié)締組織范疇？液態(tài)的血液？膠態(tài)的固有結(jié)締組織？固態(tài)的骨和軟骨組織？2022/7/2653、什么是固有結(jié)締組織？固有結(jié)締組織的基質(zhì)呈膠狀，細(xì)胞和纖維散布其中。分類疏松結(jié)締組織致密結(jié)締組織脂肪組織網(wǎng)狀組織膠原組織？2

2、022/7/266纖維主要由三種類型的纖維組成膠原纖維網(wǎng)狀纖維彈性纖維 基質(zhì) 細(xì)胞：成纖維細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、漿細(xì)胞、肥大細(xì)胞等。膠原組織2022/7/267骨骼系統(tǒng)周圍含有膠原組織的有韌帶（包括關(guān)節(jié)囊）、肌腱和皮膚以及外傷后引起的瘢痕組織中的纖維組織等。2022/7/2684.1、膠原纖維別名：白纖維，新鮮時(shí)呈亮白色。組成：膠原蛋白。特點(diǎn)：韌性大，抗拉力強(qiáng)。作用：為組織提供強(qiáng)度和剛度。2022/7/2692022/7/26104.2、彈性纖維別名：黃纖維，新鮮時(shí)呈黃色。組成：彈性蛋白。特點(diǎn)：富有彈性，容易被拉長(zhǎng)及復(fù)原。作用：在組織受載時(shí)提供延展性。2022/7/26112022/7/26124.

3、3、網(wǎng)狀纖維別名：嗜銀纖維，銀染法能將其染成棕黑色。組成：III型膠原蛋白。特點(diǎn)：多分布于造血器官、內(nèi)分泌器官及肝內(nèi)。作用：構(gòu)成容積/支架。2022/7/26132022/7/26144.4、基質(zhì)定義一種由生物大分子構(gòu)成的膠狀物質(zhì)。組成主要為蛋白多糖和糖蛋白。作用減少細(xì)胞、纖維間摩擦。2022/7/2615膠原組織膠原組織2022/7/26165、常見(jiàn)的膠原組織骨骼系統(tǒng)周圍含有膠原組織的有：韌帶（包括關(guān)節(jié)囊）肌腱皮膚這些結(jié)構(gòu)是被動(dòng)運(yùn)動(dòng)的，不產(chǎn)生主動(dòng)運(yùn)動(dòng)。二、力學(xué)特性2022/7/26181、膠原組織生物力學(xué)活動(dòng)時(shí)，韌帶和肌腱主要在拉伸下受載。關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)在韌帶上產(chǎn)生拉伸載荷，肌肉收縮在肌腱上也產(chǎn)生

4、類似載荷。皮下組織和皮膚則是在更為復(fù)雜的形式下受載。要承受拉伸、壓縮和剪切負(fù)荷。2022/7/26192、膠原組織力學(xué)特性影響因素在載荷下，膠原組織的特性受三種主要因素影響：纖維的結(jié)構(gòu)膠原纖維和彈性纖維的特性膠原纖維和彈性纖維之間的比例2022/7/26202.1、纖維的結(jié)構(gòu)肌腱、韌帶、皮膚中三種膠原的結(jié)構(gòu)不同，并與每種結(jié)構(gòu)的功能相適應(yīng)。肌腱韌帶皮膚2022/7/2621肌腱纖維肌腱纖維幾乎完全平行排列，使肌腱更適應(yīng)于承受高拉伸載荷。F2022/7/2622韌帶纖維韌帶纖維，較少恒定的結(jié)構(gòu)。在不同的韌帶中，結(jié)構(gòu)隨韌帶的功能而異。雖然多數(shù)韌帶纖維近似平行，但也有些纖維不是平行排列。F2022/7

5、/2623皮膚纖維皮膚纖維呈網(wǎng)狀，這種結(jié)構(gòu)使皮膚在各個(gè)方向上具有延展性。皮下組織的結(jié)構(gòu)則更為松散，從而提供更大的擴(kuò)展空間。F2022/7/2624肌腱、韌帶和皮膚的力學(xué)特性纖維排列不同，力學(xué)特性不同。肌腱能承受最強(qiáng)的拉伸載荷。韌帶受拉伸載荷時(shí)，由于纖維不成行，只有與主纖維方向完全一致的纖維首先被完全拉直而承受最大載荷；那些與主纖維方向不平行的纖維，只承受低載荷。皮膚纖維走向較之韌帶更無(wú)規(guī)則，故所能承受的最大載荷也最小，因此皮膚在拉伸下，比肌腱和韌帶更脆弱一些。2022/7/2625膠原纖維和彈性纖維的特性：膠原纖維彈性纖維材料類型塑性材料脆性材料拉伸破壞試驗(yàn) 加載開(kāi)始時(shí)稍有伸長(zhǎng)，但很快隨負(fù)荷的

6、增加變得剛硬到達(dá)屈服點(diǎn)，隨之出現(xiàn)非彈性變形，直到極限破壞 低載荷下呈現(xiàn)較大的伸長(zhǎng)，但隨載荷的增加，纖維突然變得剛硬，沒(méi)有變形而突然斷裂。變性范圍6%8%可達(dá)到原長(zhǎng)的兩倍多承受應(yīng)力能力大約是皮質(zhì)骨在拉伸下的一半僅為皮質(zhì)骨在拉伸下所能承受的1/10。2022/7/26262022/7/2627膠原纖維未受載荷時(shí)呈波浪狀。受低載荷時(shí)，膠原纖維稍有伸長(zhǎng)，直到波浪狀的纖維拉直，此時(shí)膠原纖維束迅速變剛硬，直到屈服點(diǎn)。然后發(fā)生非彈性變形，直到極限而斷裂破壞。破壞時(shí)的變性范圍為68%。彈性纖維受低載荷時(shí)，彈性纖維伸長(zhǎng)很大。當(dāng)達(dá)到極限破壞點(diǎn)時(shí)突然變剛硬，沒(méi)有變形而突然斷裂。2022/7/26282.3、膠原纖維

7、和彈性纖維的比例膠原組織中彈性纖維和膠原纖維之間的比例隨該組織功能的不同而不同，并影響組織的力學(xué)性能。 2022/7/2629肌腱主要功能：是把肌力傳遞到骨或筋膜。幾乎完全由膠原纖維組成。在拉伸載荷下，其性能幾乎與單獨(dú)膠原纖維束的應(yīng)變相一致。 2022/7/2630韌帶功能：穩(wěn)定關(guān)節(jié)、支持關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)并防止過(guò)量運(yùn)動(dòng)。強(qiáng)度：在載荷下，決定韌帶強(qiáng)度的主要因素是韌帶的粗細(xì)、形狀和載荷增加速度。韌帶的橫截面積影響其強(qiáng)度，與加載方向取向一致的纖維數(shù)越多越寬越厚，韌帶的強(qiáng)度越大。韌帶與骨一樣，其強(qiáng)度和剛度隨加載荷速度的增加而增大，當(dāng)加載荷速度（變形率）增加4倍時(shí)，破壞時(shí)的載荷幾乎增加了50%。2022/7/2

8、631膝關(guān)節(jié)前側(cè)觀韌帶2022/7/2632韌帶的組成人體內(nèi)的大多數(shù)韌帶與肌腱一樣主要由膠原纖維所組成。但脊柱中的兩個(gè)韌帶項(xiàng)韌帶和黃韌帶由2/3的彈性纖維參與構(gòu)成，所以幾乎完全表現(xiàn)為彈性性能。這些韌帶具有特殊的功能，能保護(hù)神經(jīng)根免受機(jī)械沖擊，為脊柱提供內(nèi)在穩(wěn)定性。 2022/7/2633脊柱的韌帶（側(cè)面觀）2022/7/2634拉伸破壞試驗(yàn)的力學(xué)性能兩種韌帶在拉伸破壞試驗(yàn)時(shí)，力學(xué)性能差異A為膝前交叉韌帶，具有高百分比的膠原纖維B是黃韌帶，具有高百分比的彈性纖維。2022/7/2635韌帶與膠原纖維力學(xué)特性對(duì)比2022/7/2636人膝前交叉韌帶拉伸破壞試驗(yàn)區(qū)：載荷稍有增加，因波浪形膠原纖維拉直

9、而韌帶伸長(zhǎng)。區(qū)：與加載方向取向相同的纖維完全拉直，組織的剛度迅速增加。組織開(kāi)始變形并與載荷成線性關(guān)系。膠原纖維也開(kāi)始出現(xiàn)微觀破壞。區(qū)：應(yīng)變超過(guò)68（屈服點(diǎn)）后，膠原纖維束出現(xiàn)進(jìn)行性破壞。區(qū)：在達(dá)到組織能耐受的最大載荷時(shí)發(fā)生組織的巨大破壞。區(qū)：韌帶伸長(zhǎng)約68時(shí)，韌帶完全破壞。雖然組織仍然連續(xù)，但已不能支持載荷。 2022/7/2637人黃韌帶含6070彈性纖維韌帶伸長(zhǎng)70時(shí)突然破壞 2022/7/2638總結(jié)存在即合理人體內(nèi)纖維的種類和排列的密度，因起存在的部位的功能差異而不同。真皮、硬腦膜、鞏膜和一些器官的被膜多向密集交織的膠原纖維束肌腱單向平行密集排列的膠原纖維束黃韌帶和項(xiàng)韌帶單向平行密集排

10、列的彈性纖維束2022/7/26393、骨-韌帶-骨復(fù)合體離體韌帶的力學(xué)性能韌帶的結(jié)構(gòu)骨-韌帶-骨復(fù)合體的一個(gè)環(huán)節(jié)。2022/7/2640Copper試驗(yàn)Copper和Misol用光學(xué)和電子顯微鏡檢查狗韌帶的起止點(diǎn)。根據(jù)組織形態(tài)把韌帶的止點(diǎn)分為4個(gè)區(qū)。2022/7/2641腱止點(diǎn)結(jié)構(gòu)及功能示意圖 （1）1區(qū)：腱纖維 （2）2區(qū)：纖維軟骨 （3）潮線 （4）3區(qū)：鈣化軟骨層 （5）4區(qū)：骨2022/7/2642骨-韌帶-骨復(fù)合體移行區(qū)韌帶末端（1區(qū)）的膠原纖維與纖維軟骨（2區(qū)）有交織。纖維軟骨逐漸變?yōu)榈V物化纖維軟骨（3區(qū)）礦物化纖維軟骨又與皮質(zhì)骨融合（4區(qū)）。由于韌帶-骨連結(jié)處存在3種剛度逐漸增

11、加的材料，當(dāng)韌帶進(jìn)入剛度較大的骨結(jié)構(gòu)上的止點(diǎn)部位，應(yīng)力集中效應(yīng)就減小。為什么？ 2022/7/26434、各種載荷條件下復(fù)合體性能載荷的速度和持續(xù)時(shí)間對(duì)骨-韌帶-骨復(fù)合體的影響，在評(píng)估關(guān)節(jié)損傷和治療各種關(guān)節(jié)疾病方面具有很高的臨床價(jià)值。2022/7/26444.1、恒定載荷效應(yīng)關(guān)節(jié)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)承受恒定的低載荷時(shí)，軟組織發(fā)生緩慢變形即蠕變。軟組織在長(zhǎng)期恒定載荷下會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象。受載初期68小時(shí)內(nèi)這種蠕變最大。如在較低速度下持續(xù)數(shù)月，絕大部分蠕變發(fā)生在負(fù)荷-變形曲線的初始區(qū)。2022/7/2645應(yīng)用1畸形足牽伸畸形足并用管形石膏固定，使病足承受固定載荷。2022/7/2646應(yīng)用2特發(fā)性脊柱側(cè)彎脊柱

12、側(cè)凸是指脊柱的一個(gè)或數(shù)個(gè)節(jié)段在冠狀面上偏離身體中線向側(cè)方彎曲，形成一個(gè)帶有弧度的脊柱畸形，通常還伴有脊柱的旋轉(zhuǎn)和矢狀面上后突或前突的增加或減少，同時(shí)還有肋骨、骨盆的旋轉(zhuǎn)傾斜畸形和椎旁的韌帶和肌肉的異常。2022/7/2647特發(fā)性脊柱側(cè)凸最為常見(jiàn)的是原因不明的特發(fā)性脊柱側(cè)凸（約占全部脊柱側(cè)凸的 80 ），它好發(fā)于青少年，尤其是女性，常在青春發(fā)育前期發(fā)病，在整個(gè)青春發(fā)育期快速進(jìn)展至青春發(fā)育結(jié)束，在成年期則緩解進(jìn)展，有時(shí)則停止進(jìn)展。2022/7/2648矯形器治療用石膏或支架治療特發(fā)性脊柱側(cè)彎，借助所加的恒定載荷使軟組織伸長(zhǎng)。當(dāng)軟組織變形到某一恒定長(zhǎng)度時(shí)，使載荷發(fā)生松弛，即載荷隨時(shí)間而減小。受載最

13、初68小時(shí)的載荷松弛最大，以后這種效應(yīng)減弱，也可以在低速率下持續(xù)數(shù)月。每天脊柱側(cè)彎矯形器的佩戴時(shí)間？2022/7/2649三點(diǎn)壓力系統(tǒng)2022/7/2650脊柱側(cè)彎矯形器2022/7/26514.2、加載荷速度的影響離體韌帶和骨一樣，在加載荷速度增加時(shí)，能儲(chǔ)存更多的能量，斷裂時(shí)需要更大的力，并能承受較大的伸長(zhǎng)。完整的骨-韌帶-骨復(fù)合體在拉伸破壞試驗(yàn)時(shí)呈現(xiàn)更復(fù)雜的力學(xué)性能。 2022/7/2652前交叉韌帶試驗(yàn)Noyes和Grood使用靈長(zhǎng)類的膝前交叉韌帶進(jìn)行慢速（ 60秒，比體內(nèi)損傷機(jī)制慢得多）和快速（0.6秒，與體內(nèi)機(jī)制相似）拉伸破壞試驗(yàn)。結(jié)果慢加載荷速度：韌帶的骨性止點(diǎn)是最弱的部分，可以發(fā)

14、生脛骨棘撕脫。快加載荷速度：在2/3的測(cè)試樣本中，最弱的部位在韌帶。2022/7/2653制動(dòng)實(shí)驗(yàn)將靈長(zhǎng)類動(dòng)物在在體石膏中制動(dòng)8周后進(jìn)行拉伸破壞試驗(yàn)。結(jié)果：與對(duì)照組相比，這些動(dòng)物的前交叉韌帶最大破壞載荷下降40%，能量?jī)?chǔ)存明顯減少，制動(dòng)韌帶的剛度也明顯減少，而伸長(zhǎng)加大。 2022/7/2654結(jié)論關(guān)節(jié)在部分或完全制動(dòng)后，需要較長(zhǎng)時(shí)間（可長(zhǎng)達(dá)1年）才能恢復(fù)正常的強(qiáng)度和剛度。當(dāng)關(guān)節(jié)制動(dòng)時(shí)，等長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練并不能模擬正常的生理載荷，所以不能防止韌帶強(qiáng)度的降低。但關(guān)節(jié)制動(dòng)期間進(jìn)行等長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練有很多有益效果。老年化在韌帶上產(chǎn)生的改變與制動(dòng)引起的結(jié)果相似。韌帶的強(qiáng)度和剛度隨著年齡的增長(zhǎng)有明顯降低。2022/7

15、/26555、肌腱功能：把肌肉附著在骨或筋膜上，并把拉伸載荷從肌肉傳遞到骨或筋膜，從而產(chǎn)生關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。2022/7/2656肌腱的類型類型：有鞘肌腱和無(wú)鞘肌腱。承受特別高摩擦力的部位（如在手掌面，手指及腕關(guān)節(jié)）：肌腱有一層鞘包裹。這種鞘由纖維層組成并襯一層滑膜壁層，滑膜細(xì)胞產(chǎn)生的滑液有利于肌腱滑動(dòng)。在承受較低摩擦力的部位：肌腱由一層疏松結(jié)締組織構(gòu)成的腱鞘包裹。在手指中肌腱必須繞角而起作用，在某些地方，一部分鞘形成滑車或環(huán)狀韌帶。（滑車是一種簡(jiǎn)單機(jī)械裝置，能夠使沿肌腱傳遞的肌力改變方向）2022/7/2657人手指的屈指深肌腱的簡(jiǎn)圖（1：屈指深肌腱； 2：滑車； 3：腱鞘； 4：長(zhǎng)腱紐； 5：短腱

16、紐） 包繞人指深屈肌腱的兩個(gè)最重要滑車。2022/7/26582022/7/26595.1、肌肉-肌腱-骨復(fù)合體在負(fù)載時(shí)，肌腱的力學(xué)性能和韌帶基本相同。決定肌腱強(qiáng)度的因素：肌腱的粗細(xì)形狀以及加載荷速度。和韌帶一樣，不能孤立地來(lái)考慮肌腱，必須把它考慮為肌肉-肌腱-骨系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)。肌腱止點(diǎn)的結(jié)構(gòu)也與韌帶相似，可以分為4個(gè)區(qū)。伴隨著腱性材料向骨性材料的轉(zhuǎn)變，其力學(xué)性能也產(chǎn)生逐漸改變，使肌腱在接近骨止點(diǎn)處的應(yīng)力集中效應(yīng)有所減小。 2022/7/2660影響肌腱承受應(yīng)力值的主要因素與肌腱連結(jié)的肌肉收縮量。肌腱直徑與肌肉直徑的比值。2022/7/2661應(yīng)用舉例肌肉收縮時(shí)，肌腱上的應(yīng)力值增加，主要表現(xiàn)為

17、拉應(yīng)力增高。若肌肉快速的被動(dòng)伸展，肌腱上的拉應(yīng)力可進(jìn)一步升高。 踝關(guān)節(jié)快速背屈，腓腸肌和比目魚(yú)肌未能反射性松弛，使跟腱上的拉伸增加，肌腱所受載荷可以超過(guò)屈服點(diǎn)而引起跟腱斷裂。2022/7/2662肌肉的收縮量肌肉產(chǎn)生的收縮量取決于它的生理橫截面積。肌肉的橫截面積越大，收縮產(chǎn)生的力值越高，通過(guò)肌腱傳送的拉伸載荷也越大。同樣，肌腱的橫截面積越大，能承受的載荷也越大。2022/7/2663拉伸強(qiáng)度健康肌腱的拉伸強(qiáng)度是肌肉強(qiáng)度的兩倍。臨床現(xiàn)象：肌肉斷裂比肌腱斷裂更為常見(jiàn)。大肌肉通常有大橫截面積的肌腱，例如股四頭肌有臏腱，小腿三頭肌有跟腱。但某些小肌肉也有大橫截面積的肌腱，例如跖肌。 2022/7/26

18、64在載荷下，決定韌帶強(qiáng)度的主要因素是：韌帶的粗細(xì)韌帶的形狀外界載荷增加速度。2022/7/26655.2、手術(shù)修復(fù)后屈肌腱的愈合手術(shù)修復(fù)的主要目的：恢復(fù)肌腱斷端的連結(jié)和肌腱的正?；瑒?dòng)功能。手術(shù)后314天內(nèi)，肌腱最弱。此時(shí)，修復(fù)區(qū)膠原纖維變軟，其支持力和抗縫合剪切效應(yīng)的能力下降。 2022/7/2666狗肌腱術(shù)后的恢復(fù)在較短時(shí)間內(nèi)肌腱抗拉伸強(qiáng)度接近正常，但在隨后幾天內(nèi)迅速下降，第5天最低。第6天以后，肌腱逐漸恢復(fù)其強(qiáng)度，20天左右恢復(fù)正常。 2022/7/2667人肌腱術(shù)后的恢復(fù)人手術(shù)后必須制動(dòng)3周左右，以防止修復(fù)的肌腱再斷裂。制動(dòng)3周以上，常引起肌腱、腱鞘和周圍軟組織的粘連。臨床上，延長(zhǎng)制動(dòng)時(shí)間常引起關(guān)節(jié)僵直。關(guān)節(jié)僵直和出