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胶原组织的生物力学


作者:佚名 点击数: 更新时间:2009-12-29 21:12:54 【字体:

   骨骼系统周围的胶原组织是肌腱、韧带和皮

    根据测量,每平方厘米( cm2)截面积肌酌比肌力约为4kg( 3.65~4.Okg),那么,每块肌的绝对肌力(F),可用下述公式表示:
    绝对肌力(F)=比肌力×肌截面积
    当骨骼肌发生某一运动时,它是在克服内、外阻力的过程中完成的。所谓内部阻力,包括肌本身、关节和韧带等软组织的粘滞性、弹性等机械属性的阻力;外部阻力则包括参与运动的肢体某一节段本身的重力以及外加负荷等。每块肌活动力的大小是由全体肌纤维收缩的总和决定的。因此,肌力的大小是与肌的横截面积成正比的。肌纤维数多,横截面积大,该肌的工作力就大。
    ③肌力  可作如下表述:肌力是指肌做功的能力。肌力取决于肌的横截面积。当肌腱移位时,通过力臂的改变可调整力矩的大小,改换做功方向和能力,但肌力的绝对值没有变化。肌做功能力可按下述公式计算:
    W=F×d
    W为肌做功,F为绝对肌力,d为肌收缩幅度、即收缩范围或肌腱移位的距离。
    也可把上述肌做功公式分解如下:
    W=比肌力×肌截面积×肌收缩幅度
    W=4kg/cm2.肌截面积( CIT12).肌收缩距离( cm)
    了解肌与肌力是为肌损伤及其治疗打下基础。
肤。
    胶原组织主要有三种纤维组成,即胶原纤维(提供强度和刚度)、弹力纤维(提供延展性)、网织纤维(提供容积)。  1、胶原纽织的力学特性  在负载情况下,有三种因素影响其特性:  第一、纤维结构的取向(排列)  纤维结构
的取向有平行、交叉、折曲、波浪等排列形式。这些纤维结构取向与其功能相关。肌腱的纤维在未受载荷(力)时呈现波浪状,几乎完全平行排列;当肌腱受力时,呈波浪状平行排列的纤维同时被拉直。这一改变可使肌腱易于承受较强的拉伸载荷。而韧带(包括关节囊)则不同,它们的纤维结构取向很少是恒定的,而是随功能而异。如膝关节内侧副韧带,其纤维便有深、浅层及前纵部、后斜部之分。膝在完全屈曲位时,前纵部紧张,后斜部松弛;膝半屈曲位时,韧带大部分松弛;膝完全伸直位时,全部韧带均呈紧张状态。这种纤维结构和取向(排列)使韧带或关节囊在受力(加载荷)时,只有与主载荷取向一致的纤维被首先拉直,承受最大载荷,这部分纤维自然易被损伤;而与载荷取向不一致的纤维在被拉直前,只承受较小载荷,这部分纤维则不易损伤。正因为如此,膝关节在不同体位状态下损伤时,膝关节内侧副韧带的损伤部位将完全不同,因此其损伤点几乎完全不在同一平面上。从临床角度看,这一理论足以解释许多损伤性疾病的复杂临床表现;同时,也有力的说明了韧带纤维结构不同取向、混合排列在临床上的重要意义。
胶原纤维变形范刚6—8%
先是稍伸长,直至纤维的波浪状拉直,然后纤维变刚硬直到屈股点;此后发生非弹性变形直至极限破坏——断裂。直到破坏时,胶原纤维的变形范围仅为6~8%。而弹力纤维则不同,在较低载荷作用下,纤维可伸长200%(可长达二倍),在没有明显非弹性变形的情况下而突然断裂。两种纤维所承受的应力与皮质骨相比,胶原纤维为骨的一半,而弹力纤维仅为1/10。显而易见,两种纤维的力学特性是绝然不同的。
    第三、胶原纤维和弹力纤维的组合  由于胶原纤维和弹力纤维力学性能的不同,又由于胶原纤维与弹力纤维在肌腱和韧带中所占的比例不同,势必会影响肌腱和韧带的性能。如膝交叉韧带900/0为胶原纤维,当其应变超过6~8%时,就出现进行性破坏;而项韧带和黄韧带则弹力纤维占2/3以上,因而几乎完全表现为弹性性能。它们具有保护神经根免受机械力冲击的作用;还可以使椎间盘受预应力的作用而免受损害。因而,它为脊柱(特别是颈椎)提供了内在稳定性等特殊功能。总之,肌腱或韧带的胶原纤维比例多则强度与刚度大,弹性纤维比例多则弹性大。
    2、肌腱的力学特征
2-1-06胶原纤维弹力纤维应力应变曲线示意图

    第二、胶原纤维和弹力纤维的力学特性胶原纤维和弹力纤维约占胶原组织的900/0,但胶原纤维和弹力纤维的特性却有很大不网。从胶原纤维和弹力纤维在拉伸破坏试验时的应变曲线图(图2-1-06)中可以看出,胶原纤维加载时,纤维1102

    肌腱的功能是将肌附着在骨(软骨)或筋膜上,并把拉伸载荷(牵拉力)从肌传递到骨或筋膜上,从而引起关节运动。在运动上,肌、腱和骨是一个整体,故可表达为肌一腱一骨复合体的概念,肌腱是其中的一个环节。
    肌腱受力的大小称为应力值。
    应力值与以下三个因素有关:
    一是与肌腱连接的肌的收缩量(力);
    二是肌腱的横截面积与肌横截面
积的比值;
    三是肌腱的胶原组织成份,即胶原纤维与弹力纤维的组成比例。
    前面已经提到,肌的收缩量决定于它的生理横截面积,横截面积越大,收缩产生的力值越高
(比肌力一般为4kg/crri2,可高达9kg/crTi2),因而肌腱须传递的拉伸载荷便越大;同样,肌腱的横载面积越大,能承受的截荷也越大。一般说来,健康肌腱的拉伸强度为肌强度的二倍以上。由此推论,肌损伤应较肌腱损伤为多。然而,这一推论并不与事实相符。还必须看到另一方面,肌腱所承载的巨大应力,只有在肌腱末端附着于骨组织后应力才能被缓冲,肌腱进入骨组织前的部分,则承受着肌收缩传递来的巨大应力。这个应力,由相对于肌截面积要小的多的肌腱来承担,该腱处即成为应力的集中点。所以,肌腱末端,即腱的骨附着点与腱的游离点的交界处(可以用一个形容词来表达,就是“若即若离”之处),即整个腱承受应力最大的部位,此处即称为腱的高应力点。在人体的研究中证明,正常活动时,肌腱所承受的载荷远不到它的极限应力的1/4。由此推论,肌腱的损伤应较肌损伤为少,其实不然。这一问题将在肌、腱及腱围结构损伤部分详细论述。
    3、韧带的力学特性
    韧带的功能是稳定关节、支持关节的运动,并防止过量运动。
    决定韧带的强度有三个因素:一是韧带的横截面积和形状;二是胶原纤维和弹性纤维的组成比例;三是载荷速度与纤维取向。
    第一、韧带的横截面积和形状与胍、肌腱一样,韧带横截面的面积愈大,其强度越高;同时,由于其纤维排列的形态不同,也同样影响其强度;即与其载荷方向一致的纤维数愈多,截面积愈大,其强度也就愈大。
    第二、组成韧带的胶原纤维和弹力纤维的比例胶原纤维比例多,则表现为塑性材料载荷一变形曲线;弹力纤维比例多,则呈现为类脆性材料载荷一变形曲线。前者应变超过6—8%(屈服点)后,胶原纤维就出现进行性破坏;而后者应变达200%时可突然折断(断裂)。
    第三、载荷速度韧带同骨一样,其强度和刚度随载荷的速度的增加而增大。
    在人体内,必须把韧带看作是骨一韧带一骨
复合体中的一环。在韧带的骨附着区,即从其腱末端装置的材料上看,其刚度呈递增排列,当韧带的纤维进入刚度较大的骨结构区后,应力的集中效应则迅速递减。所以韧带在进入骨附着点之前也是应力的集中区,是高应力点。
    4、载荷速度与持续时间的关系及临床意义
    载荷速度与持续时间对骨一韧带一骨复合体的影响这一问题,在估计关节损伤和治疗关节疾病时有很大的临床意义。
    ①恒定载荷效应  关节长时间承受恒定的低载荷时,软组织发生缓慢变形,称蠕变( Creep)。受载初期6~8小时内这种蠕变最大,但可在低速下持续蠕变数月。以此原理,可右效地治疗某些畸形。如在夹板、支架、牵引、石膏床等方式下治疗脊柱畸形。在骨组织发生变形的同时,软组织也会发生相应的变化;当软组织变形到一定程度,则发生载荷松驰,即载荷随时间而减少,特别是在受载的头6~8小时内发生的载荷松弛最大。
    ②载荷速度的影响研究发现,完整的骨一韧带一骨复合体的不同部分,在不同的拉伸载荷速度下强度不同。在慢速下( 69s),韧带的骨性止点是最弱部。如临床上常见到的,韧带附着点的骨棘所发生的撕脱骨折便是在这种慢速载荷下所产生的损伤;相反,在快速载荷下(0.6s)其最弱的部分是韧带的末端。在临床上的表现便是,某些在快速撞击等外力下产生的韧带断裂。这些研究表明,随载荷速度的增加,骨强度的增加比韧带强度的增加要多。
    ③韧带重塑性能  韧带能根据力学需要进行重塑。也就是说,韧带在承受高应力时,强度和刚度增加;而在应力下降时,强度和刚度减小。这一生物学性能说明,韧带可以在锻炼过程中增强其强度和刚度;同理,当废用时,随着时间的推移,其强度和刚度则逐渐下降。老年人的韧带与青年人相比,韧带的强度与刚度要减少1/2~1/3。这种改变与老年人的活动水平有关,产生了废用性效应。在临床上,关节被制动时.时间越长,肌、
肌腱、韧带上的应力就愈减少,这些组织的强度和刚度也愈减少。在制动期间,即使作等长的肌收缩锻炼,它们的生物学性能的恢复也须很长时
数月
2+07制动与锻炼对韧带力学特性的影响曲线图
间(图2-1-07)。8周的固定,往往须几个月的加载练习才能恢复其顺应性,骨质的恢复则更长。这是因为关节制动期间的肌等长运动,不可能有正常的生理载荷。所以,不可能达到防止废用性效应发生的目的。
    综上所述可以看出,韧带具有限制关节活动和活动时保护关节的作用。这时由于韧带具有双重的内部结构,它们对活动的关节起到稳定作用;而在关节活动的中立位时,韧带是最松弛的。特别是滑膜关节,其关节囊是一个薄弱的韧带样结构。
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