运动学课件：运动生物力学2

• 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。
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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。
• 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止点分为4个区。
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腱止点结构及功能示意图
（210）201/6区/1：9 腱纤维 （2）2区：纤维软骨 （3）潮线 （4）3区：钙化软骨层 （5）4区：41骨
骨-韧带-骨复合体
• 移行区
• 胶原组织？？？？
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胶原纤维
• 纤维主要 由三种类 型的纤维 组成
胶 原 组 织 • 基质
网状纤维 弹性纤维
• 细胞：成纤维细胞、巨噬细胞、
浆细胞、肥大细胞等。
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• 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。。
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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。
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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。
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4.3、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。
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4.4、基质
• 定义
– 一种由生物大分子构 成的胶状物质。
• 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。
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4.1、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。
• 受载初期6~8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
• 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。
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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。
• 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。
• 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。
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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%。
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膝关节前侧观——韧带
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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。
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。
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2、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
• 组成
– 主要为蛋白多糖和糖 蛋白。
• 作用
– 减少细胞、纤维间摩 擦。
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胶原组织
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胶原组织
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5、常见的胶原组织
• 骨骼系统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。
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二、力学特性
• 虽然多数韧带纤维近似平行，但也有些纤 维不是平行排列。
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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。
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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。
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2.1、纤维的结构
• 肌腱、韧带、皮肤中三种胶原的结构不同， 并与每种结构的功能相适应。 – 肌腱 – 韧带 – 皮肤
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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。
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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。
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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
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4.1、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。
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4.2、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。
显降低。
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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。
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肌腱的类型
• 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）
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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）
• 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6~8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？
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三点压力系统
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脊柱侧弯矫形器
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4.2、加载荷速度的影响
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 变性范围
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。
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 仅为皮质骨在拉伸下
– 当达到极限破坏点时突然变刚硬，没有变形而突 然断裂。
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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。
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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。
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？
• 胶态的固有结缔组织？
– 固态的骨和软骨组织？
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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
– 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。
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胶原纤维和弹性纤维的特性：
• 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
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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。
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Copper试验
胶原组织生物力学
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。
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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
– 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？
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4、各种载荷条件下复合体性能
的一半
所能承受的1/10。
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• 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6～8%。
• 弹性纤维
– 受低载荷时，弹性纤维伸长很大。
• ④区：在达到组织能耐受的最大载荷时发生组织的 巨大破坏。
• ⑤区：韧带伸长约6％～8％时，韧带完全破坏。虽
202然0/6/1组9 织仍然连续，但已不能支持载荷。
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Leabharlann Baidu黄韧带
• 含60％～70％弹性纤维 • 韧带伸长70％时突然破坏
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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。
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韧带与胶原纤维力学特性对比
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人膝前交叉韧带拉伸破坏试验
• ①区：载荷稍有增加，因波浪形胶原纤维拉直而韧 带伸长。
• ②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。
• ③区：应变超过6％～8％（屈服点）后，胶原纤维 束出现进行性破坏。
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包绕人指深屈肌腱的两个最重要滑车。
– 这些韧带具有特殊的功能，能保护神经根免受 机械冲击，为脊柱提供内在稳定性。
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脊柱的韧带（侧面观）
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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。
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发生在负荷-变形曲线的初始区。
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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。
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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、骨盆的旋转倾斜畸形 和椎旁的韧带和肌肉的异常。