医科大学精品课件：运动生物力学2.ppt

1、胶原组织生物力学 南京医科大学康复治疗学系 Dept of Rehab Therapeutics of Nanjing Medical University 康复治疗学精品课程系列之 一、胶原组织 1、什么是组织？ 组织是机体中一些形态结构类似、功能相 关的细胞和细胞间质组合成的群体结构。 人体有多种组织，一般可以归纳为四种基 本组织：上皮组织、结缔组织、肌肉组织 和神经组织。 Date3 2、什么是结缔组织？ 结缔组织由细胞和大量的细胞间质组成。 细胞间质包括细丝状的纤维和无定型的基 质。 结缔组织功能：连接、支持、营养、保护 、防御和修复等。 结缔组织范畴？ 液态的血液？ 胶态的固有结缔组

2、织？ 固态的骨和软骨组织？ Date4 3、什么是固有结缔组织？ 固有结缔组织的基质呈胶状，细胞和纤维 散布其中。 分类 疏松结缔组织 致密结缔组织 脂肪组织 网状组织 胶原组织？ Date5 纤维主 要由三 种类型 的纤维 组成 胶原纤维 网状纤维 弹性纤维 基质 细胞：成纤维细胞、巨噬细胞、 浆细胞、肥大细胞等。 胶原组织 Date6 骨骼系统周围含有胶原组织的有韧带 （包括关节囊）、肌腱和皮肤以及外 伤后引起的瘢痕组织中的纤维组织等 。 Date7 4.14.1、胶原纤维、胶原纤维 别名：白纤维，新鲜时呈亮白色。 组成：胶原蛋白。 特点：韧性大，抗拉力强。 作用：为组织提供强度和刚度。

3、Date8 Date9 4.24.2、弹性纤维、弹性纤维 别名：黄纤维，新鲜时呈黄色。 组成：弹性蛋白。 特点：富有弹性，容易被拉长及复原。 作用：在组织受载时提供延展性。 Date10 Date11 4.34.3、网状纤维、网状纤维 别名：嗜银纤维，银染法能将其染成棕黑 色。 组成：III型胶原蛋白。 特点：多分布于造血器官、内分泌器官及 肝内。 作用：构成容积/支架。 Date12 Date13 4.4、基质 定义 一种由生物大分子构 成的胶状物质。 组成 主要为蛋白多糖和糖 蛋白。 作用 减少细胞、纤维间摩 擦。 Date14 胶原组织 胶原组织Date15 5、常见的胶原组织 骨骼系统

4、周围含有胶原组织的有： 韧带（包括关节囊） 肌腱 皮肤 这些结构是被动运动的，不产生主动运动 。 Date16 二、力学特性 1、胶原组织生物力学 活动时，韧带和肌腱主要在拉伸下受载。 关节运动在韧带上产生拉伸载荷，肌肉 收缩在肌腱上也产生类似载荷。 皮下组织和皮肤则是在更为复杂的形式下 受载。 要承受拉伸、压缩和剪切负荷。 Date18 2 2、胶原组织力学特性影响因素、胶原组织力学特性影响因素 在载荷下，胶原组织的特性受三种主要因 素影响： 纤维的结构 胶原纤维和弹性纤维的特性 胶原纤维和弹性纤维之间的比例 Date19 2.1、纤维的结构 肌腱、韧带、皮肤中三种胶原的结构不同 ，并与每种

5、结构的功能相适应。 肌腱 韧带 皮肤 Date20 肌腱纤维 肌腱纤维几乎完全平行排列，使肌腱更适 应于承受高拉伸载荷。 F Date21 韧带纤维 韧带纤维，较少恒定的结构。在不同的韧 带中，结构随韧带的功能而异。 虽然多数韧带纤维近似平行，但也有些纤 维不是平行排列。 F Date22 皮肤纤维 皮肤纤维呈网状，这种结构使皮肤在各个 方向上具有延展性。 皮下组织的结构则更为松散，从而提供更 大的扩展空间。 F Date23 肌腱、韧带和皮肤的力学特性 纤维排列不同，力学特性不同。 肌腱能承受最强的拉伸载荷。 韧带受拉伸载荷时，由于纤维不成行，只有与主纤 维方向完全一致的纤维首先被完全拉直而

6、承受最大 载荷；那些与主纤维方向不平行的纤维，只承受低 载荷。 皮肤纤维走向较之韧带更无规则，故所能承受的最 大载荷也最小，因此皮肤在拉伸下，比肌腱和韧带 更脆弱一些。 Date24 胶原纤维和弹性纤维的特性： 胶原纤维弹性纤维 材料类型塑性材料脆性材料 拉伸破坏试验 加载开始时稍有伸长 ，但很快随负荷的增 加变得刚硬到达屈服 点，随之出现非弹性 变形，直到极限破坏 低载荷下呈现较大 的伸长，但随载荷 的增加，纤维突然 变得刚硬，没有变 形而突然断裂。 变性范围6%8%可达到原长的两倍多 承受应力能力大约是皮质骨在拉伸下 的一半 仅为皮质骨在拉伸下 所能承受的1/10。 Date25 Date

7、26 胶原纤维 未受载荷时呈波浪状。 受低载荷时，胶原纤维稍有伸长，直到波浪状 的纤维拉直，此时胶原纤维束迅速变刚硬，直 到屈服点。 然后发生非弹性变形，直到极限而断裂破坏。 破坏时的变性范围为68%。 弹性纤维 受低载荷时，弹性纤维伸长很大。 当达到极限破坏点时突然变刚硬，没有变形而 突然断裂。 Date27 2.3、胶原纤维和弹性纤维的比例 胶原组织中弹性纤维和胶原纤维之间的比 例随该组织功能的不同而不同，并影响组 织的力学性能。 Date28 肌腱 主要功能：是把肌力传 递到骨或筋膜。 几乎完全由胶原纤维组 成。 在拉伸载荷下，其性能 几乎与单独胶原纤维束 的应变相一致。 Date29

8、韧带 功能：稳定关节、支持关节运动并防止过 量运动。 强度：在载荷下，决定韧带强度的主要因 素是韧带的粗细、形状和载荷增加速度。 韧带的横截面积影响其强度，与加载方向取 向一致的纤维数越多越宽越厚，韧带的强度 越大。 韧带与骨一样，其强度和刚度随加载荷速度 的增加而增大，当加载荷速度（变形率）增 加4倍时，破坏时的载荷几乎增加了50%。 Date30 膝关节前侧观韧带 Date31 韧带的组成 人体内的大多数韧带与肌腱一样主要由胶 原纤维所组成。 但脊柱中的两个韧带项韧带和黄韧带 由2/3的弹性纤维参与构成，所以几乎完全表 现为弹性性能。 这些韧带具有特殊的功能，能保护神经根免 受机械冲击，为

9、脊柱提供内在稳定性。 Date32 脊柱的韧带（侧面观） Date33 拉伸破坏试验的力学性能 两种韧带在拉伸破坏试验时，力学性能差 异 A为膝前交叉韧带，具有高百分比的胶原纤维 B是黄韧带，具有高百分比的弹性纤维。 Date34 韧带与胶原纤维力学特性对比 Date35 人膝前交叉韧带拉伸破坏试验 区：载荷稍有增加，因波浪形胶原纤维拉直而 韧带伸长。 区：与加载方向取向相同的纤维完全拉直，组 织的刚度迅速增加。组织开始变形并与载荷成线 性关系。胶原纤维也开始出现微观破坏。 区：应变超过68（屈服点）后，胶原纤 维束出现进行性破坏。 区：在达到组织能耐受的最大载荷时发生组织 的巨大破坏。 区：

10、韧带伸长约68时，韧带完全破坏。 虽然组织仍然连续，但已不能支持载荷。 Date36 人黄韧带 含6070弹性纤维 韧带伸长70时突然破坏 Date37 总结存在即合理 人体内纤维的种类和排列的密度，因起存 在的部位的功能差异而不同。 真皮、硬脑膜、巩膜和一些器官的被膜 多向密集交织的胶原纤维束 肌腱 单向平行密集排列的胶原纤维束 黄韧带和项韧带 单向平行密集排列的弹性纤维束 Date38 3、骨-韧带-骨复合体 离体韧带的力学性能 韧带的结构骨-韧带-骨复合体的一 个环节。 Date39 Copper试验 Copper和Misol用光学和电子显微镜检查 狗韧带的起止点。 根据组织形态把韧带的

11、止点分为4个区。 Date40 腱止点结构及功能示意图 （1）1区：腱纤维 （2）2区：纤维软骨 （3）潮线 （4）3区：钙化软骨层 （5）4区：骨 Date41 骨-韧带-骨复合体 移行区 韧带末端（1区）的胶原纤维与纤维软骨（2区）有交 织。 纤维软骨逐渐变为矿物化纤维软骨（3区） 矿物化纤维软骨又与皮质骨融合（4区）。 由于韧带-骨连结处存在3种刚度逐渐增加的材 料，当韧带进入刚度较大的骨结构上的止点部 位，应力集中效应就减小。 为什么？ Date42 4、各种载荷条件下复合体性能 载荷的速度和持续时间对骨-韧带-骨复合 体的影响，在评估关节损伤和治疗各种关 节疾病方面具有很高的临床价值

12、。 Date43 4.14.1、恒定载荷效应、恒定载荷效应 关节在长时间内承受恒定的低载荷时，软 组织发生缓慢变形即蠕变。 软组织在长期恒定载荷下会产生蠕变现象。软组织在长期恒定载荷下会产生蠕变现象。 受载初期68小时内这种蠕变最大。 如在较低速度下持续数月，绝大部分蠕变 发生在负荷-变形曲线的初始区。 Date44 应用1畸形足 牵伸畸形足并用管形石膏固定，使病足承 受固定载荷。 Date45 应用2特发性脊柱侧弯 脊柱侧凸是指脊柱的一个或数个节段在冠 状面上偏离身体中线向侧方弯曲，形成一 个带有弧度的脊柱畸形，通常还伴有脊柱 的旋转和矢状面上后突或前突的增加或减 少，同时还有肋骨、骨盆的旋

13、转倾斜畸形 和椎旁的韧带和肌肉的异常。 Date46 特发性脊柱侧凸 最为常见的是原因不明的特发性脊柱侧凸 （约占全部脊柱侧凸的 80 ），它好发 于青少年，尤其是女性，常在青春发育前 期发病，在整个青春发育期快速进展至青 春发育结束，在成年期则缓解进展，有时 则停止进展。 Date47 矫形器治疗 用石膏或支架治疗特发性脊柱侧弯，借助 所加的恒定载荷使软组织伸长。 当软组织变形到某一恒定长度时，使载荷 发生松弛，即载荷随时间而减小。 受载最初68小时的载荷松弛最大，以后 这种效应减弱，也可以在低速率下持续数 月。 每天脊柱侧弯矫形器的佩戴时间？ Date48 三点压力系统 Date49 脊柱

14、侧弯矫形器 Date50 4.2、加载荷速度的影响 离体韧带和骨一样，在加载荷速度增加时 ，能储存更多的能量，断裂时需要更大的 力，并能承受较大的伸长。 完整的骨-韧带-骨复合体在拉伸破坏试验 时呈现更复杂的力学性能。 Date51 前交叉韧带试验 Noyes和Grood使用灵长类的膝前交叉韧 带进行慢速（ 60秒，比体内损伤机制慢 得多）和快速（0.6秒，与体内机制相似 ）拉伸破坏试验。 结果 慢加载荷速度：韧带的骨性止点是最弱的部 分，可以发生胫骨棘撕脱。 快加载荷速度：在2/3的测试样本中，最弱的 部位在韧带。 Date52 制动实验 将灵长类动物在在体石膏中制动8周后进 行拉伸破坏试验

15、。 结果：与对照组相比，这些动物的前交叉 韧带最大破坏载荷下降40%，能量储存明 显减少，制动韧带的刚度也明显减少，而 伸长加大。 Date53 结论 关节在部分或完全制动后，需要较长时间（可 长达1年）才能恢复正常的强度和刚度。 当关节制动时，等长运动训练并不能模拟正常 的生理载荷，所以不能防止韧带强度的降低。 但关节制动期间进行等长运动训练有很多有益 效果。 老年化在韧带上产生的改变与制动引起的结果 相似。韧带的强度和刚度随着年龄的增长有明 显降低。 Date54 5、肌腱 功能：把肌肉附 着在骨或筋膜上 ，并把拉伸载荷 从肌肉传递到骨 或筋膜，从而产 生关节运动。 Date55 肌腱的类

16、型 类型：有鞘肌腱和无鞘肌腱。 承受特别高摩擦力的部位（如在手掌面，手 指及腕关节）：肌腱有一层鞘包裹。这种鞘 由纤维层组成并衬一层滑膜壁层，滑膜细胞 产生的滑液有利于肌腱滑动。 在承受较低摩擦力的部位：肌腱由一层疏松 结缔组织构成的腱鞘包裹。 在手指中肌腱必须绕角而起作用，在某些地 方，一部分鞘形成滑车或环状韧带。（滑车 是一种简单机械装置，能够使沿肌腱传递的 肌力改变方向） Date56 人手指的屈指深肌腱的简图（1：屈指深肌腱； 2：滑车； 3：腱鞘； 4：长腱纽； 5：短腱纽） 包绕人指深屈肌腱的两个最重要滑车。 Date57 Date58 5.1、肌肉-肌腱-骨复合体 在负载时，肌腱

17、的力学性能和韧带基本相同。 决定肌腱强度的因素：肌腱的粗细形状以及加 载荷速度。 和韧带一样，不能孤立地来考虑肌腱，必须把 它考虑为肌肉-肌腱-骨系统的一个环节。 肌腱止点的结构也与韧带相似，可以分为4个 区。伴随着腱性材料向骨性材料的转变，其力 学性能也产生逐渐改变，使肌腱在接近骨止点 处的应力集中效应有所减小。 Date59 影响肌腱承受应力值的主要因素 与肌腱连结的肌肉收缩量。 肌腱直径与肌肉直径的比值。 Date60 应用举例 肌肉收缩时，肌腱上的应力 值增加，主要表现为拉应力 增高。若肌肉快速的被动伸 展，肌腱上的拉应力可进一 步升高。 踝关节快速背屈，腓肠肌 和比目鱼肌未能反射性松

18、 弛，使跟腱上的拉伸增加 ，肌腱所受载荷可以超过 屈服点而引起跟腱断裂。 Date61 肌肉的收缩量 肌肉产生的收缩量取决于它的生理横截面 积。 肌肉的横截面积越大，收缩产生的力值越 高，通过肌腱传送的拉伸载荷也越大。 同样，肌腱的横截面积越大，能承受的载 荷也越大。 Date62 拉伸强度 健康肌腱的拉伸强度是肌肉强度的两倍。 临床现象：肌肉断裂比肌腱断裂更为常见 。 大肌肉通常有大横截面积的肌腱，例如股 四头肌有膑腱，小腿三头肌有跟腱。但某 些小肌肉也有大横截面积的肌腱，例如跖 肌。 Date63 在载荷下，决定韧带强度的主要因素是 ： 韧带的粗细 韧带的形状 外界载荷增加速度。 Date

19、64 5.2、手术修复后屈肌腱的愈合 手术修复的主要目的：恢复肌腱断端的连结 和肌腱的正常滑动功能。 手术后314天内，肌腱最弱。此时，修复区 胶原纤维变软，其支持力和抗缝合剪切效应 的能力下降。 Date65 狗肌腱术后的恢复 在较短时间内肌腱抗拉伸强度接近正常， 但在随后几天内迅速下降，第5天最低。 第6天以后，肌腱逐渐恢复其强度，20天 左右恢复正常。 Date66 人肌腱术后的恢复 人手术后必须制动3周左右，以防止修复 的肌腱再断裂。 制动3周以上，常引起肌腱、腱鞘和周围 软组织的粘连。 临床上，延长制动时间常引起关节僵直。 关节僵直和出现粘连均能妨碍肌腱的滑动 功能，并能引起关节活动的减少。 Date67 人的肌腱不可能在手术修复后4050周内 恢复正常强度。 虽然肌腱是被动结构，不产生主动运动， 但由于肌肉不断收缩肌腱经常承受载荷， 即使关节被固定，肌腱仍可受到一定载荷 。所以制动并不能完全消除肌腱上的载荷 。 手术吻合方法就具有极大的重要性。 Date68 跟腱左右Z形切开延长术 Date69 跟腱前后切开延长术 Date70 小结 胶原纤维和弹性纤维的生物力学性质 骨-韧带-骨复合体的生物力学性能 肌肉-肌腱-骨复合体的生物力学性能 Date71 指导：励建安 周士枋 制作：李勇强 Date72