肌腱和韧带的生物力学

外周结构及在骨骼上的附着点 韧带和肌腱的外周结构有一定的相似地 方，两者都被疏松的结缔组织包裹，疏 松结缔组织在韧带中没有别的名称，但 在肌腱中被称为腱旁组织，它也更具有 结构性，它形成一层腱鞘以保护肌腱及 让它在内滑动。例如手指的屈肌腱中， 腱鞘包着整条肌腱，但其他肌腱中，腱 鞘也可能只包着肌腱的某一段
肌腱和韧带受伤或不协调很常见。对这些组 织的生物力学特性及自身复原的潜能有适 当了解是正确处理这些损伤的基础
肌腱和韧带是组成与结构
肌腱和韧带都是高密度的结缔 组织，含有大量平行排列的纤 维胶原组织。这些血流量少的 组织拥有很多胶原，而胶原是 一种纤维蛋白质，它占全身总 蛋白的1/3.胶原的机械稳定性对 肌腱和韧带的强度和韧带都很 重要。
肌腱和韧带的机械特性
肌腱和韧带都是粘弹性组织并具粘弹 性特质。肌腱能承受很强的张力将肌 肉的收缩力传至关节和带动关节运动， 但它也是柔软的组织，能绕着骨骼是 外缘改变肌肉拉力方向。韧带更为柔 软及及可屈曲，可容许骨与骨之间的 活动，但它们也能承受很大的张力及 对抗外力以免过度伸展。
分析肌腱和韧带的机械性能对了解它 们受伤的原理有重要的意义。两种组 织在正常或过度负荷下受张力影响。 当张力过大导致受伤时，受伤的程度 视其张力的速率和力度的大小而定。
韧带断裂和肌腱受伤的机制
韧带断裂与肌腱受伤的机制基本相同， 因此一下对韧带断裂的讨论也可引用 于肌腱。当韧带在活体内受到一个超 过它的生能负荷，达到屈服点前会出 现微断裂。当负荷超出直线变形区， 整条韧带会有明显的断裂，而它所连 接的关节会有不正常的移位。移位会 导致在韧带周边的组织包括关节囊、 韧带、和供养这些组织的血管也同时 受损。
1足趾区，组织只承受很少应力后，出现很大的 应变。2直线区，纤维受力后出现线性应变。组 织的刚性急剧增加。3直线变形区终止，胶原纤 维在拉力超过此区后逐渐断裂。4最大应力肌腱 强度，整个肌腱以断裂。
肌腱和韧带的生理负荷
在正常活体生理情况下，这些组织所承受的 应力只是它们极限的1/3.它们一般应变度 （例如跑步和跳跃）大约是2%-5%之间。 在羊的跖伸肌腱植入应变器显示，当羊以快 步疾走时，肌腱的应变2.6%，但速度减慢 时应变更少。每走一步肌腱最大应变只维 持0.1秒，而肌腱在步行中所承受的最大负 荷是45N，相当于它能承受最大应力的1/4
糖尿病
糖尿病病人的新陈代谢异常导致身体丧失氧 碳化合物的功能。糖尿病人比正常人多肌 腱挛缩（29%比9%）腱膜炎（59%比7%) 关节强直（40%比9%）关节囊炎（16%比 1%），骨质疏松等
类固醇
在韧带受伤后使用皮质类固醇可能会严重影 响它的生物力学和组织特性，也会妨碍胶 原的合成
非类固醇
非类固醇消炎药常用于处理肌肉骨骼系统的痛 症。短期使用非类固醇消炎药不会对肌腱恢 复构成不良影响，反而加速这些组织恢复正 常的机械特性。
概述
肌腱、韧带和关节囊是覆盖、连接和制动关节的三 个主要结构组织。虽然它们都不像肌肉那样主动 收缩，但它们对关节运动都有着重要的作用。 韧带和关节囊提供骨与骨的连接，从而增强关节的 稳定性和引导正常关节运动及防止关节过度屈伸。 韧带和关节囊都给关节提供静态限制。肌腱连接 肌肉与骨骼，把肌肉的收缩力传至骨骼上，从而 使关节运动或保持身体的姿势。肌腱与肌肉组合 成肌腱-肌肉单位，构成动态限制。肌腱另一个功 能是确保肌肉在其两端的附着处之间能够维持最 佳的收缩长度，以免过度伸展。
被腱鞘包围的肌腱血管分布形式不同。这种肌腱的 系膜退化为纽带样。缺血部分被认为有两个途径来 得到养分，一是由血液吸取，二是在没有血循环的 部分养分经关节液渗透到肌腱。养分渗透概念有很 重要的临床意义，即肌腱复原可在没有粘连的情况 下（即有血液供应）进行。相反，韧带较周围组织 的血循环少，但从形态学的研究结果显示韧带有相 当的血液分布，这些血液多来自韧带与骨的接点。 虽然血流量不多，但这些血液对维持它的功能起到 很重要的作用。尤其是把养分输送到细胞和令韧带 组织于受伤后有复原的机会是特别重要的。在没有 血液供应到这些组织的情况下，韧带疲劳时，微创 伤会不断积聚，最终可能使韧带断裂
血液透析
在长期接受血液透析的病人当中，发现74% 有肌腱或韧带度过松弛，49%髌腱伸长。 淀粉样变沉积在肌腱的膜上可能是导致结 构改变的原因。
移植物
韧带损伤后的重建已经十分普遍，尤其前后 交叉韧带。可采用同种异体移植，自身移 植等。在采用髌腱来为前交叉韧带重建手 术后，6,12和24月抽样发现自身移植组织 结构和排列有很大改变。但即使移植物和 受体完全融合，它也只能起到约束膝关节 稳定性作用
在摩擦力大的部位，例如手腕和手掌， 腱旁组织之下有一层滑膜，称之为腱外 膜，它包围着几组纤维束。腱外膜上滑 膜细胞所分泌的滑液有助肌腱滑动。在 没有太大摩擦力的部位，肌腱便只有腱 旁组织而没有腱外膜 每一条纤维束都是呗腱内膜包着，它连 接肌腱与肌束膜的交接点。在骨与腱的 接点的胶原纤维与sharpey贯穿纤维相连 接，并一直连续 肌腱于肌肉连接，要多考虑两个重要 因素，分别是连接着肌腱的肌肉所发 挥的收缩力与肌腱相对于肌肉的横切 面积比例。
肌肉收缩时，连接的肌腱便会承受应力， 在肌肉承受最大收缩时，肌腱的拉伸应 力也达最高点。在肌肉进行离心收缩时， 肌腱承受的应力会更大。例如很快的背 屈踝关节，小腿跖曲肌肉还未来及发挥 反射性松弛，所以便会增加跟腱的拉力。 如负荷超过跟腱的屈曲点便会导致跟腱 断裂。 粗大的肌腱能承受较大负荷。一般大肌 肉有较大的肌腱连接。
肌腱和韧带的生物力学
肌腱和韧带的组成与结构
胶原 弹力蛋白 基质 血液供应及滑动结构 外围结构及在骨骼上的附着点
肌腱和韧带的机械特性
生物力学特性 肌腱和韧带的生理负荷 肌腱和韧带的粘弹性表现（对应力速率的依 赖性）
韧带断裂和肌腱受伤的机制
影响肌腱和韧带生物力学特性的因 素
成长及老化 壬辰和产后 活动及制动 糖尿病 类固醇 非类固醇消炎药 血液透析 移植物
主要有主动扩散和肌腱屈伸运动时滑液 被动挤入肌腱组织。传统观念认为肌腱 经外源性途径愈合，肌腱粘连组织是细 胞和血管张入断端的载体，粘连形成是 肌腱愈合的重要环节。但大量研究表明 腱鞘的滑液环境使肌腱具有内在的愈合 能力，从此人们认为外源性愈合途径不 再是肌腱愈合的重要因素。术后早期活 动使肌腱的外源性愈合优势转化为内源 性愈合优势。肌腱和韧带的相对滑动 （主动反主动肌腱功能方向的活动）既 限制了外来肉芽的生长，改善组织灌注
载荷变形曲线第一区显示正常的生理反 应，在微创区中，大应变导致应力加大 最终令韧带断裂。人类测试显示前十字 韧带屈服点340-390N前十字韧带受伤的 关节会出现很大的关节内部移位，导致 应力和软骨的负荷增加而出现关节退化。 没有前十字韧带功能的膝关节会出现关 节不稳和突然松动，这会影响日常生活 如步行、跑步、蹲膝动作。
和其他结缔组织一样，肌腱和韧带 都只含有少数的细胞（成纤维细胞） 和大量的细胞外基质。细胞大约占 整个结构的20%的体积比例，而其 他细胞外基质占其余的80%。组成 这些外基质的大约70%是水分，其 他的30%是固体物质。固体物质包 括胶原、基质和少量的弹力蛋白。 胶原占75%或以上，而肌腱比韧带 含有更多胶原；在四肢的肌腱中， 固体物质中胶原可高达99%干重
肌腱和韧带在骨骼上的附着点结构很 相似，都如下所示有四个不同的区域， 即肌腱的末端1区，胶原与纤维软骨 混合区2区，组织矿化区3区，而后 融入密质骨4区。这种由肌腱逐渐转 为骨质的结构变化使组织的机械特性 渐渐改变，故能减少应力聚集在肌腱 -骨骼附着点上
电镜显示狗的髌腱与骨骼接点的四区 1区是胶原纤维；2区是非矿化区的纤维软骨；3区 是矿化的纤维软骨；4区是皮质骨。
影响肌腱和韧带生物力学特性的因 素
有很多因素会影响肌腱和韧带的生 物力学特质。最常见的包括老化、 妊娠、活动及制动、糖尿病、使用 类固醇或非类固醇消炎药或血液透 析等
在成人中或超过60岁的年老人中， 胶原纤维的直径显著缩小。成长期过 后步入衰老期，细小的胶原原纤维增 加，胶原的生物力学特性会有一段时 间横向发展，之后组织的拉伸强度和 刚度便会减退
腱旁组织是一种网状疏松的结缔组织， 它即将肌腱与周围的骨膜等组织牢固连 接，又将肌腱与其他组织隔开，便于肌 腱在这些硬韧的组织上滑动。 滑膜鞘分为脏层和壁层，脏层覆盖肌腱， 形成腱外膜。脏层又分出纤维膜进入肌 腱，将肌腱分为若干束，形成间隔，成 为腱内膜。壁层构成纤维膜的衬里。脏 层壁层滑膜在纤维鞘的远近两端反褶成 盲囊状，中空为滑膜腔腔内有滑液，有 利于肌腱在期间滑动。 纤维鞘管壁薄厚不一致，由多个环状和
妊娠和产后 可能和妊娠后肌腱和韧带较为 松弛有关
活动和制动
生物组织是活的，它的机械性是会随着它所承受的 应力而改变，导致它能适应不同的功能要求及发 挥最佳。 韧带和肌腱都像骨一样会受应力影响而产生重新塑 造。若应力大，它们会变的更坚韧，若应力减少， 它们的刚度也会减低 运动训练增加肌腱和韧带与骨连接点的拉伸强度 制动后这些韧带的新陈代谢有所增加，导致大量未 成熟的胶原产生和胶原分子间关联飞质和量减低
弹力蛋白 肌腱和韧带的机械特性除掉取决 它们胶原的结构特质外，也受它 们拥有的弹力蛋白比例的影响。 弹力蛋白在肌腱与四肢的韧带中 只占很少数，但在弹性强的韧带 如黄韧带，它的含量便很高
基质 肌腱和韧带的基质主要成分是蛋白聚 糖（大约固体重量20%），结构糖 蛋白，离子蛋白和其他小分子蛋白。 这些蛋白聚糖与肌腱和韧带细胞外 的水分结合，形成有高度结构组织半 固体的物质，加上它们在肌腱和韧带 内的作用似混凝土将纤维粘合，以增 强这合成结构的稳定性和强韧度
胶原 胶原分子是由成纤维细胞在其细胞中首 先制造较大的基本前体（前胶原）之后 由细胞内分泌到细胞体外成为胶原。 3 条多肽链组成胶原分子，五个胶原分子 组成一条微纤维，之后再组成次级纤维 及原纤维。原纤维经过聚合形成胶原纤 维。很多条纤维聚合在一起便组成一个 纤维束。成纤维细胞便分布在纤维束之 间。经纤维膜（腱内膜）组成肌腱。
肌腱和韧带的粘弹性表现（对应力 速率的依赖性）
当肌腱和韧带承受应变速率增加时，应力-应变曲线 的线性部分的倾斜度增加，表明组织在较高的应 变速率有较大的刚度，肌腱和韧带储存的能量教 也较高，因此需要较强的应力才能把这些组织拉 断 当肌腱和韧带在进行重复拉伸测试时，应力-应变曲 线会沿伸长轴右移应变会增加。如果重复负载持 续加于受损的刚性减弱的组织，正常的生理负荷 范围内组织也会微断裂
血液供应 肌腱和韧带只有少量的血管，这影响了 它们的代谢与受伤后的康复速度。肌腱 的血管来自它们所连接着的肌束膜，骨 膜和围绕它们的键旁组织及腱系膜。被 腱旁组织所包围的肌腱又称含血管腱， 而被腱鞘包围的肌腱成为无血管腱。在 含血管腱中的血管从周围多个途径进入 肌腱，之后又会与纵向的毛细血管系统 相同。