肌腱和韌帶的生物力學(xué)

（優(yōu)選）肌腱和韌帶的生物力學(xué)第一頁，共四十二頁。肌腱和韌帶的機械特性生物力學(xué)特性肌腱和韌帶的生理負荷肌腱和韌帶的粘彈性表現(xiàn)（對應(yīng)力速率的依賴性）第二頁，共四十二頁。韌帶斷裂和肌腱受傷的機制第三頁，共四十二頁。影響肌腱和韌帶生物力學(xué)特性的因素成長及老化壬辰和產(chǎn)后活動及制動糖尿病類固醇非類固醇消炎藥血液透析移植物第四頁，共四十二頁。概述肌腱、韌帶和關(guān)節(jié)囊是覆蓋、連接和制動關(guān)節(jié)的三個主要結(jié)構(gòu)組織。雖然它們都不像肌肉那樣主動收縮，但它們對關(guān)節(jié)運動都有著重要的作用。韌帶和關(guān)節(jié)囊提供骨與骨的連接，從而增強關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和引導(dǎo)正常關(guān)節(jié)運動及防止關(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)運動或保持身體的姿勢。肌腱與肌肉組合成肌腱-肌肉單位，構(gòu)成動態(tài)限制。肌腱另一個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度，以免過度伸展。第五頁，共四十二頁。肌腱和韌帶受傷或不協(xié)調(diào)很常見。對這些組織的生物力學(xué)特性及自身復(fù)原的潛能有適當了解是正確處理這些損傷的基礎(chǔ)第六頁，共四十二頁。肌腱和韌帶是組成與結(jié)構(gòu)第七頁，共四十二頁。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.膠原的機械穩(wěn)定性對肌腱和韌帶的強度和韌帶都很重要。第八頁，共四十二頁。和其他結(jié)締組織一樣，肌腱和韌帶都只含有少數(shù)的細胞（成纖維細胞）和大量的細胞外基質(zhì)。細胞大約占整個結(jié)構(gòu)的20%的體積比例，而其他細胞外基質(zhì)占其余的80%。組成這些外基質(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99%干重第九頁，共四十二頁。第十頁，共四十二頁。膠原

膠原分子是由成纖維細胞在其細胞中首先制造較大的基本前體（前膠原）之后由細胞內(nèi)分泌到細胞體外成為膠原。3條多肽鏈組成膠原分子，五個膠原分子組成一條微纖維，之后再組成次級纖維及原纖維。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纖維束。成纖維細胞便分布在纖維束之間。經(jīng)纖維膜（腱內(nèi)膜）組成肌腱。第十一頁，共四十二頁。第十二頁，共四十二頁。肌腱滑動結(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。

滑膜鞘分為臟層和壁層，臟層覆蓋肌腱，形成腱外膜。臟層又分出纖維膜進入肌腱，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。

纖維鞘管壁薄厚不一致，由多個環(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)第十三頁，共四十二頁。第十四頁，共四十二頁。彈力蛋白

肌腱和韌帶的機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)，但在彈性強的韌帶如黃韌帶，它的含量便很高第十五頁，共四十二頁?；|(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)，加上它們在肌腱和韌帶內(nèi)的作用似混凝土將纖維粘合，以增強這合成結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強韌度第十六頁，共四十二頁。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途徑進入肌腱，之后又會與縱向的毛細血管系統(tǒng)相同。第十七頁，共四十二頁。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。缺血部分被認為有兩個途徑來得到養(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?shù)难悍植?，這些血液多來自韌帶與骨的接點。雖然血流量不多，但這些血液對維持它的功能起到很重要的作用。尤其是把養(yǎng)分輸送到細胞和令韌帶組織于受傷后有復(fù)原的機會是特別重要的。在沒有血液供應(yīng)到這些組織的情況下，韌帶疲勞時，微創(chuàng)傷會不斷積聚，最終可能使韌帶斷裂第十八頁，共四十二頁。有關(guān)腱鞘區(qū)的肌腱營養(yǎng)來源曾有很多爭議，現(xiàn)在較一致認為滑液是腱鞘區(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擴散和肌腱屈伸運動時滑液被動擠入肌腱組織。傳統(tǒng)觀念認為肌腱經(jīng)外源性途徑愈合，肌腱粘連組織是細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)后早期活動使肌腱的外源性愈合優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為內(nèi)源性愈合優(yōu)勢。肌腱和韌帶的相對滑動（主動反主動肌腱功能方向的活動）既限制了外來肉芽的生長，改善組織灌注和促進滑液擴散，又在縫合端產(chǎn)生間斷重復(fù)張力，刺激內(nèi)源性愈合，增加肌腱的強度和滑動能力，減少粘連。第十九頁，共四十二頁。外周結(jié)構(gòu)及在骨骼上的附著點

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肌腱及讓它在內(nèi)滑動。例如手指的屈肌腱中，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第二十頁，共四十二頁。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。腱外膜上滑膜細胞所分泌的滑液有助肌腱滑動。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。在骨與腱的接點的膠原纖維與sharpey貫穿纖維相連接，并一直連續(xù)也骨膜連接第二十一頁，共四十二頁。肌腱和韌帶在骨骼上的附著點結(jié)構(gòu)很相似，都如下所示有四個不同的區(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)變化使組織的機械特性漸漸改變，故能減少應(yīng)力聚集在肌腱-骨骼附著點上第二十二頁，共四十二頁。電鏡顯示狗的髕腱與骨骼接點的四區(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。第二十三頁，共四十二頁。肌腱和韌帶的機械特性第二十四頁，共四十二頁。肌腱和韌帶都是粘彈性組織并具粘彈性特質(zhì)。肌腱能承受很強的張力將肌肉的收縮力傳至關(guān)節(jié)和帶動關(guān)節(jié)運動，但它也是柔軟的組織，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，但它們也能承受很大的張力及對抗外力以免過度伸展。第二十五頁，共四十二頁。分析肌腱和韌帶的機械性能對了解它們受傷的原理有重要的意義。兩種組織在正?；蜻^度負荷下受張力影響。當張力過大導(dǎo)致受傷時，受傷的程度視其張力的速率和力度的大小而定。第二十六頁，共四十二頁。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，膠原纖維在拉力超過此區(qū)后逐漸斷裂。4最大應(yīng)力肌腱強度，整個肌腱以斷裂。第二十七頁，共四十二頁。肌腱和韌帶的生理負荷在正?；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，當羊以快步疾走時，肌腱的應(yīng)變2.6%，但速度減慢時應(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荷是45N，相當于它能承受最大應(yīng)力的1/4第二十八頁，共四十二頁。肌腱和韌帶的粘彈性表現(xiàn)（對應(yīng)力速率的依賴性）當肌腱和韌帶承受應(yīng)變速率增加時，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，肌腱和韌帶儲存的能量教也較高，因此需要較強的應(yīng)力才能把這些組織拉斷當肌腱和韌帶在進行重復(fù)拉伸測試時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線會沿伸長軸右移應(yīng)變會增加。如果重復(fù)負載持續(xù)加于受損的剛性減弱的組織，正常的生理負荷范圍內(nèi)組織也會微斷裂第二十九頁，共四十二頁。韌帶斷裂和肌腱受傷的機制第三十頁，共四十二頁。韌帶斷裂與肌腱受傷的機制基本相同，因此一下對韌帶斷裂的討論也可引用于肌腱。當韌帶在活體內(nèi)受到一個超過它的生能負荷，達到屈服點前會出現(xiàn)微斷裂。當負荷超出直線變形區(qū)，整條韌帶會有明顯的斷裂，而它所連接的關(guān)節(jié)會有不正常的移位。移位會導(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受損。第三十一頁，共四十二頁。第三十二頁，共四十二頁。第三十三頁，共四十二頁。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。人類測試顯示前十字韌帶屈服點340-390N前十字韌帶受傷的關(guān)節(jié)會出現(xiàn)很大的關(guān)節(jié)內(nèi)部移位，導(dǎo)致應(yīng)力和軟骨的負荷增加而出現(xiàn)關(guān)節(jié)退化。沒有前十字韌帶功能的膝關(guān)節(jié)會出現(xiàn)關(guān)節(jié)不穩(wěn)和突然松動，這會影響日常生活如步行、跑步、蹲膝動作。第三十四頁，共四十二頁。肌腱和韌帶受傷機制十分相似，但因肌腱于肌肉連接，要多考慮兩個重要因素，分別是連接著肌腱的肌肉所發(fā)揮的收縮力與肌腱相對于肌肉的橫切面積比例。第三十五頁，共四十二頁。肌肉收縮時，連接的肌腱便會承受應(yīng)力，在肌肉承受最大收縮時，肌腱的拉伸應(yīng)力也達最高點。在肌肉進行離心收縮時，肌腱承受的應(yīng)力會更大。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，所以便會增加跟腱的拉力。如負荷超過跟腱的屈曲點便會導(dǎo)致跟腱斷裂。

粗大的肌腱能承受較大負荷。一般大肌肉有較大的肌腱連接。第三十六頁，共四十二頁。影響肌腱和韌帶生物力學(xué)特性的因素第三十七頁，共四十二頁。有很多因素會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、活動及制動、糖尿病、使用類固醇或非類固醇消炎藥或血液透析等第三十八頁，共四十二頁。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。成長期過后步入衰老期，細小的膠原原纖維增加，膠原的生物力學(xué)特性會有一段時間橫向發(fā)展，之后組織的拉伸強度和剛度便會減退第三十九頁，共四十二頁。妊娠和產(chǎn)后

可能和妊娠后肌腱和韌帶較為松弛有關(guān)第四十頁，共四十二頁?；顒雍椭苿由锝M織是活的，它的機械性是會隨著它所承受的應(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