软组织_软组织外
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六、软组织的生物力学特性
（一）软组织的生物力学特性
1.软组织的结构特征
严格来说，在骨骼肌肉系统中，软组织主要有皮肤、浅层与深层筋膜、韧带、滑膜、软骨盘和关节软骨，以及肌肉肌腱。滑膜、软骨盘和关节软骨在关节生物力学中已经提及，这里主要讨论韧带和肌腱的生物力学特性。
软组织的主要特点是具有大量结缔组织纤维，结缔组织起源于胚胎时期的间充质，具有连接、支持、养、保护等功能。其细胞少而排列稀疏，细胞间质非常发达。与人体运动有关的致密结缔组织多为规则结缔组织与不规则结缔组织。软组织的基质具有支持和固着细胞的功能，营养物质及代谢产物可自由地通过这层基质在毛细血管和细胞之间进行交换，基质的主要成分是纤维性细胞间质，间质中的纤维是由成纤维细胞合成的，它们对组织能起到支持和加固的作用，包括胶原纤维、弹性纤维。
胶原纤维新鲜时呈白色，又称白纤维，由胶原蛋白组成，是一种较粗的、具有很的纤维，抗拉力强。胶原纤维分布在几乎所有的结缔组织中，特别是软骨、骨、肌腱、韧带和真皮等部位。
弹性纤维新鲜时呈黄色，又称黄纤维，由弹性蛋白组成。它较胶原纤维细，有分支，交织成网，具有很强的弹性。主要分布于真皮、血管壁和肺组织。骨骼肌肉系统中由弹性纤维为主要成分的结构是黄韧带、项韧带。肌腱的主要成分是排列整齐的胶原纤维，将在肌腱部分中讨论。肌腱和韧带具有类似的结构和功能。他们都由纤维结缔组织构成，主要承受牵拉功能而自身没有收缩功能。但他们也有明显区别,将分别讨论。
2.软组织的生物力学特性
软组织属于弹性物质，具有弹性物体的物理学特性，有弹性体在物理学上的拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲5种形变，前三种是最基本的形变及塑性形变，后二种形变由前三种形变复合而成的，也有拉伸应变（0/0）。软组织同时具有粘弹性材料的三个特点，即：
（1）应力-应变曲线滞后：应力-应变曲线滞后指对物体作周期性加载和卸载，加载和卸载时的应力-应变曲线不重合的特性。在同样负载下，卸载曲线的拉长比值(受载下的长度与原来长度的比值)要比加载过程中的大，只有在卸载较多负荷情况下才能恢复到原有载荷状态下的变形。即应力-应变曲线的上升曲线与下降曲线不相重合。也即是说，对物体作周期性加载和卸载，加载和卸载时的应力-应变曲线不重合，称为滞后。
（2）应力松弛：应力松弛是指若应变保持一定，则应力随着时间的增加而下降的特性。软组织在负载后发生变形，在此时停止继续加载并固定维谁持这种加载状态，开始时材料内部达到一定应力，以后随着时间延长，出现应力逐渐减少的特性。也即是说，若应变保持一定，则应力随着时间的增加而下降，称为应力松弛。
（3）蠕变：蠕变是指，若应力保持一定，应变随着时间的增加而增大的特性。对软组织试件突然加载后试件出现一定变形，随着时间的延长，试件形变逐渐增长，这种材料形变与时间的关系曲线称为蠕变曲线。也即是说，若应力保持一定，应变随着时间的增加而增大，称为蠕变。
3.软组织的适应
Wolff定律对骨骼的形状与功能的相互关系作了最明确的表达，即骨随所受的应力而改变。这一定律对关节各组成部分，包括关节软骨、韧带、肌腱、关节囊和滑膜也都适用，可谓是结缔组织的定律。
组织细胞对力的适应不同，取决于所受的是压力还是张力。主要承受压力区，细胞形成软骨特征；主要承受张力区，细胞形成纤维特征；在压力与张力混合存在区，如椎间盘的纤维环、膝关节的半月板等处，形成纤维软骨。
运动是保持肌力、耐力、关节活动范围所必需的因素。经常进行肌肉收缩，产生最大张力与最大代谢率，使肌力增加。有报道，以最大张力的20％～30％进行每日等长收缩，就可维持日常活动所需的肌力。通过“中枢神经系统的训练”也可增加肌力。Morifan与DeVries在对患者进行屈肘训练时，测定EMG与关节转矩，8星期后训练肘的前臂肌力增加40％，这是由于肌容量增加；而训练仅1星期时，肌力增加20％，8星期时未训练侧肌力也增加25％，这是由于神经对运动的适应，即中枢传递的改变，使肌肉活动能力提高，而不是肌肉本身的内在改变。另一些研究通过EMG测定证实，增加运动单位的同步化程度，即提高运动单位的兴奋率，在肌肉本身无改变的情况下也可增加肌力。降低拮抗肌的同时性活动，也可增加主动肌的肌力。
耐力与肌力有关。Muellu报道，不活动时，肌力以每日30％减弱。由于肌力、血循环及肌肉线粒体内氧化酶浓度的减少，耐力也降低。
（二）肌腱生物力学特性
1.肌腱细胞
肌腱细胞是肌腱的基本功能单位，它合成和分泌胶原等细胞外基质，维持肌腱组织新陈代谢。肌腱细胞起源于胚胎时期的间充质细胞，是形态发生改变的成纤维细胞，细胞质甚薄成翼状包着纤维束，翼突也伸入纤维束内分隔包裹着胶原纤维。肌腱细胞的功能是形成肌腱胶原纤维和基质。
2.肌腱纤维结构的力学基础
与成纤维细胞分泌的细胞外基质相比，胶原纤维在肌腱的胞外基质中比例较大，占其中有形成分的70%以上，且特化为抗拉结构。仅有少量纤细的弹力纤维夹杂在胶原纤维之间。肌腱胶原纤维的抗拉性能极强，可承受6kg/mm 2 的拉力。
一般认为，肌腱胶原纤维的排列与受力方向平行，但还有部分纤维束呈扭转或交错排列，防止纤维分离，同时也有利于对来自不同方向的力的缓冲。已经明确肌腱组织中含有的胶原有Ⅰ型、Ⅴ型、Ⅵ型、Ⅷ型、Ⅺ型、Ⅻ型、ⅩⅣ型和ⅩⅩ型。其中，Ⅰ型胶原是肌腱组织的主要纤维性胶原，较粗大，起稳定组织的作用。它在肌腱中形成绳索样结构，在皮肤中则形成片状结构。肌腱的构成顺序是原胶原—微纤维—纤维—纤维束—腱，并有膜包裹。
肌腱可以看成是肌肉的一部分，肌腱的一端连接肌肉组织而另一端则连接到骨上，肌腱可以只跨越一个关节也可以跨过两个关节，肌腱周围往往有一层疏松结缔组织或者腱鞘作为保护和滑动结构。肌腱由若干腱细胞及其纤维组合而成，肌梭是肌肉感受牵拉刺激的梭形感受器，外层为结缔组织囊，囊内是梭内肌纤维，囊外为梭外肌纤维。梭内肌接受γ传出神经支配。肌梭的两端附着于肌腱上，感受肌肉长度，对牵拉特别敏感，受牵拉后发生放电反应和肌梭活动而引起肌肉收缩。这也是叩击肌腱可以引出肌肉收缩（腱反射）的原因，而韧带尚不具备这种功能（详见人体运动控制）。3.肌腱的力学特性
肌腱是连接骨骼肌肌腹与骨骼之间的单轴致密胶原纤维结缔组织束，是弹性小、寡血管的组织，用于传导肌腹收缩所产生的力，牵引骨骼使之产生运动。肌腱本身不具有收缩能力，但具有很强的耐压抗张力和抗摩擦的能力。肌腱是规则的致密结缔组织，组织中成束的胶原纤维沿受力方向规则地平行排列，组织结构可承受一个方向的牵引力，产生纤维和基质的成纤维细胞在纤维间成行排列，活体的肌腱呈银白色，较坚韧，有一定的柔韧性。
力学刺激必然对肌腱细胞的生物学特性产生很大的影响。力学信号可刺激细胞表面的牵张受体和粘附位点，导致一系列瀑布效应，从而改变细胞周围的营养成分、氧气等。还可改变细胞内的第二信使NO或Ca 2+ 浓度，直接或间接影响细胞因子mRNA的表达，从而影响基质蛋白的合成。
（三）韧带的生物力学
韧带胶原纤维的排列也与受力方向平行，与肌腱纤维排列类似，但纤维束呈扭转或交错排列的纤维较多。韧带可以看成是致密结结缔组织在关节部位的增厚部分。
韧带主要连接关节的最邻近的两个骨端，但项韧带、前纵韧带、后纵韧带则是跨关节的。
由于韧带主要位于关节周围，功能是增加关节稳定性，防止关节脱位及半脱位，并限制和引导关节运动，因此韧带的外形结构随其功能需要而不同，形状多种多样，但多为扁平形状，与邻近组织的相互关系很复杂。
膝关节侧副韧带的结构能保证在膝关节不同度数的屈曲情况下，侧副韧带均处于紧张状态。它与交叉韧带结合起来，引导股骨远端在胫骨近端上做复杂的滚动和滑动运动。当关节少量负荷或无负荷时，内侧副韧带和前交叉韧带组成了稳定关节的有抗力的一对。后交叉韧带是膝关节承受压力最大的韧带。
全身承受最大压力的是足的跖键膜，它在维持足的纵弓中起重要的作用。手、足的小关节，掌侧或背侧增厚的关节囊形成一个板状结构，增加了关节的稳定性。
平常人体韧带便必须承受多元化的应力，一般韧带在日常生活所受的力量约是其极限应力的15-25 %。当韧带受力超过本身的极限应力时便可能产生伤害。
Schwab等学者利用40只Burgunder兔膝的内侧侧附韧带进行测试，受力方式共分为3组，第一组主要是定义韧带的极限应力，作者将标体以20 mm/min的速率伸长至破坏为止，设定为破坏组(n=5)；第二组为疲劳组，其中又分为3小组，分别接受韧带极限应力60 %(n=4)、30 %(n=4)以及15%(n=8)的周期性作用力；频率设为1 Hz，受力范围从1 N开始至上述作用力。若标体破坏便设为实验终点，若未发生破坏则上述3小组分别在实验开始24、48及72小时后停止。第三组为潜变组，同样分为3小组，分别接受韧带极限应力60 %(n=6)、30 %(n=9)以及15%(n=4)的潜变作用力。每个标体于接受固定的潜变受力至破坏为止，或是上述3组分别于实验开始24、48及72小时后停止且纪录。结果显示，当以60 %极限应力为作用力时，在实验开始后的0.8小时，疲劳组标体的应变明显大于潜变组，而在第24小时则潜变组与疲劳组标体的应变则相似。以30 %极限应力为作用力时，在实验开始后的0.8小时，潜变组标体的应变明显大于疲劳组，虽然第24小时疲劳组大于潜变组，然而并无显着差异。而15%极限应力的结果与30 %结果近似，然而再第24小时潜变组与疲劳组标体的应变相似。透过研究结果，作者认为疲劳性应力与潜变性应力会造成韧带不同的应变与破坏，且疲劳性的韧带断裂会先于潜变性断裂，即疲劳性伤害较潜变性伤害产生早期累积的情况。
关节软骨的生物力学
（1）传导载荷：胶原纤维有良好的抗拉伸强度和刚度。在关节软骨基质中的胶原纤维有其特殊的排列，即胶原纤维的拱形结构及薄壳结构，这种结构大大增强了纤维的抗拉伸强度及刚度，使关节受力性能更佳，是传导载荷极重要的结构基础。
当关节软骨负载时，胶原纤维的张力消失，纤维的拱形结构发生压缩变形，蛋白多糖分子与水大量移动。水分可向两侧移动也可渗透到软骨表面并进人关节腔；蛋白多糖则发生形态改变，并因水分的丢失而导致其浓度增加，随即又增加膨胀压，直至膨胀压与外界压力相平衡。这样减耗外来的压力，并沿胶原纤维的方向将传递过来的压力分散到软骨下骨。又可因软骨变形而使关节面的接触彼此适应，并随负荷传导的增加而使接触面逐步扩大(即软骨的顺应性)，以保持其压力处于可接受的低水平。卸载时，压力消失，胶原纤维的拱形结构回复原状，胶原纤维呈现全部张力，液体回到软骨内，蛋白多糖的膨胀力受到抑制。除上述负载和卸载过程是载荷传导的过程以外，它又有“卿桶”作用，它能“挤出”软骨代谢的产物并“吸人”滑液中的营养成分，为软骨提供营养和维持软骨细胞的外环境。被“压出”的水分(负载时)，又是关节良好的天然润滑剂。
胶原纤维细长，有良好的抗拉伸应力，但单个纤维却没有承受压力的能力;而含水的蛋白多糖虽然只能承受很小的拉伸力，但有良好的抗压力。胶原纤维和蛋白多糖这两种截然不同的性质在软骨功能上起到互补的作用;而且，粘稠的毛刷状的水化蛋白多糖分子围绕在胶原纤维周围，并柔和地附于这一纤维网络的闭合系统中，就能承受很大的压应力。从这意义上说，软骨所具有的传导载荷功能是胶原纤维和蛋白多糖功能的协同表达。
（2）吸收震荡：蛋白多糖共聚体分子水平的变化与关节软骨的弹性有直接关系。蛋白多糖的亲水性很强，故在水中有很大的溶解度。又因为蛋白多糖分子上有固定的负电荷存在，它可以吸附一层Na＋ , Ca＋＋正离子以中和这些负离子；相邻的蛋白多糖分子链上的负离子相互排斥，使软骨基质保持一种硬的伸展结构状态。蛋白多糖浓缩液体通过渗透作用达到稀释，因此有一种膨胀的趋势；但由于胶原纤维特殊的拱形结构而将蛋白多糖包绕于其中，形成一完整的闭合系统而阻止了蛋白多糖的无限膨胀。因此，即使未受外界应力，软骨基质有一约0.35MPa的渗透膨胀压(或称预压)。
蛋白多糖共聚体与水溶液接触后会充分地膨胀，体积达到该溶液的体积为止。欲使已膨胀的体积变小是很困难的，需要相当大的力量将共聚体之间的溶液排出才能达到目的。如果用足够的力使蛋白多糖共聚体的体积变小，而一旦去掉或不能维持足够的力，则蛋白多糖共聚体将重新膨胀到其所能得到的液体的最大体积，这就表现出软骨的弹性。在载荷传导过程中，由于软骨具有上述弹性，所以它能中断并逐渐消除跑、跳时可能产生的冲击力。同时，胶原纤维形成的线样或绳索样结构，其直径明显不同，胶原索又交织成网状或板层状，能有效地吸收震荡和超宽范围震动频率的能量。
（3）杭磨损：任何两个面相对运动都会产生摩擦，摩擦会使作用面产生不同程度的磨损。所谓磨损是指通过机械作用去除固体表面的物质。它包括承载面之间的相互作用引起的界面磨损和接触体变形引起的疲劳性磨损。关节软骨在滑膜关节中作为骨的衬里材料表现出高度的润滑性能。这主要依靠其平整光滑的表面及其在关节润滑机制中所起的作用。这些作用使正常关节的摩擦系数几乎等于零。有关关节软骨的润滑作用详见本章第四节“关节的润滑”。
迄今为止，人们依然认为成人的软骨是不能再生的，但它却能保持一生不会磨损破坏。这除了关节有良好的润滑以外，关节软骨本身的结构也极有利于抗磨。关节软骨浅层的胶原纤维形成一层平行于关节面的薄壳结构，成为关节软骨的遮盖面。它的成分除了关节软骨所特有的n型胶原外，还有工型胶原，后者增加了表层纤维的硬韧度。薄壳结构起类似硬韧的、耐磨的皮肤保护体表的作用，保护关节软骨抵抗各种应力的破坏及免受机械的磨损。但当关节软骨损伤时，即使仅是超微结构水平的损伤，也会导致软骨渗透性增加，液体流动的阻力减小，液体从软骨面流失，从而增加了关节两端面的接触而加深研磨，加剧软骨的损伤，形成一恶性循环。此外，在载荷作用下，软骨面反复变形，即使是小分子材料具极强的强度，但由于是反复作用也容易造成软骨基质中的胶原拱形结构断裂以及蛋白多糖分布的变化，从而产生疲劳性磨损。再者，一些病理因素如先天性髓臼发育不良、股骨头骨髓滑脱、关节内骨折等均可因几何形状变化而导致关节面的不协调，增加了关节软骨间的磨损;又由于局部高压应力而导致关节软骨的损伤
3.软骨下骨的作用
生理负荷时，软骨下骨变形，因此不负重时，关节内部结构的连接应有轻度的空隙；当它们在负重变形后，关节内部结构的连接将变得合适。软骨下骨的变形，对关节内有效地分布压力是非常重要的。软骨下骨的变形可导致骨小梁的微骨折，随后骨折愈合和重新改造使结构模式改变，以保证其强度最大。软骨下骨的这种重建模式实际上反应了关节内压力的分布。若压力局限化时，软骨下骨将硬化和变致密。
4.半月板或纤维软骨的作用
有半月板或纤维软骨的关节基本上是绞链关节，此类关节有一定的旋转度。为了完成这种类型的运动，关节边缘须绕绞链转动。半月板充填于关节间隙，起着垫圈作用。若无这些垫圈，关节接触面仅仅只有中央软骨的一小部分，而且很不稳定。因此，半月板起着承受负重并吸收震荡的作用。
