韧带和腱的力学性质

骨骼系统周围的胶原组织为韧带（包括关节囊）、肌腱和皮肤。它们是被动结构，自身不会产生主动运动。

韧带和腱是致密的、规则的胶原组织，它主要是由平行排列的胶原纤维组成，其他的组成材料包括弹性纤维、网状纤维、蛋白多糖以及水等。胶原纤维使胶原组织具有一定的强度和刚度；弹性纤维使胶原组织具有在载荷作用下延伸的能力；而网状纤维提供容积。胶原组织附加成分为基质，是一种胶状材料，能减小纤维间的摩擦。

一、韧带的力学性质

韧带主要作为一个关节的骨之间的静力支撑，并与关节周围肌肉系统一起对动力支撑起重大作用。在运动过程中，韧带和肌肉主要是承受张力。关节运动产生的拉伸载荷作用在韧带上，而肌肉收缩是在肌腱上产生的拉伸载荷。皮肤受力的方式就更为复杂，它要承受拉、压、剪几种载荷。

1．决定韧带强度的因素　两个因素决定了在载荷作用下的韧带强度，韧带的形状和大小以及加载速度。韧带的截面面积也影响韧带的强度。与载荷方向一致的纤维数目越多，这些纤维越宽、越厚，则韧带的强度就越大。和骨一样，若加载速度增加，则韧带的强度和刚度也增加。

2．韧带破坏时的关节位移　当韧带受到载荷时，在达到屈服点之前微小破坏就已发生。超过屈服点之后，韧带开始产生明显破坏。在这同时，关节开始出现不正常的位移。由于韧带破坏引起关节大幅度位移，关节周围组织如关节囊和其他韧带也要受到损害。在最大载荷作用下，关节产生了几个毫米的位移。虽然韧带发生了广泛的宏观和微观的破坏和伸长，但仍然保持着连续性。

根据韧带损伤严重程度一般分为三类。

第一类损伤只引起微不足道的临床症状。会感到有些痛，但关节的稳定性还好，然而胶原纤维的微破坏可能已经发生。

第二类损伤引起剧烈疼痛。临床上可查出关节已有些不稳定，胶原纤维已发生进一步破坏，造成韧带部分断裂。韧带的强度和刚度可能已减少50%或者更多。通常肌肉的作用会掩盖因韧带部分损伤而引起的关节不稳定，因而临床上关节稳定性试验常在麻醉下进行。

第三类损伤在受伤过程中有剧烈疼痛，而损伤后仅稍有疼痛。临床上关节已完全不稳定，大多数胶原纤维断裂，但有一小部分未受损，韧带虽已不能承受任何载荷，但仍然能保持外观上的连续性。

二、腱的力学性质

肌腱的功能是使肌肉附着于骨或筋膜，并且将拉伸载荷从肌肉传递给骨或筋膜，从而产生关节运动。肌腱有两种结构形式：有腱鞘肌腱和无腱鞘肌腱。摩擦力特别大的部位，例如手掌的背侧部、手指、腕关节的肌腱被腱鞘包裹。腱鞘由一纤维层和滑膜壁层组成。滑膜细胞产生的滑液有利于腱的滑动。在肌腱承受较低摩擦力的部位，肌腱由腱周组织包裹，后者为疏松的结缔组织。

肌腱受载荷时的力学特性同韧带十分相似。肌腱的强度也由两个相同的因素所决定：肌腱的大小形状和加载速度。像韧带一样，肌腱不能单独地加以研究，而应把它看作肌肉-腱-骨系统中的链。

有两个主要因素影响运动时作用在肌腱上的应力大小：一是肌腱所属肌肉的收缩量；二是肌腱与肌肉的体积比。

当肌肉收缩时，肌腱的应力就增加，当肌肉做最大收缩时，肌腱上的拉应力很高，如果肌肉被迅速拉长，则作用在肌腱上的拉应力将进一步增加。如：踝关节迅速背曲时，腓肠肌和比目鱼肌未能反射性松弛，使跟腱上的作用载荷超过屈服点，引起跟腱断裂。

肌肉收缩力量取决于肌肉的生理横截面面积。肌肉的横截面面积越大，收缩所引起的力就越大，通过肌腱的拉伸载荷也就越大。同样肌腱的生理横截面面积越大，它能承受的载荷也越大。虽然肌肉的最大拉伸破坏应力很难精确计算，但是测量表明：健康肌腱的拉伸强度可能比肌肉高2倍以上。临床上肌肉破裂比肌腱破裂更普通，就是一个很好的证明。

通常大肌肉具有大横截面面积的肌腱，如：股四头肌与髌腱，小腿三头肌与跟腱。但有些小的肌肉也具有大横截面面积的肌腱，如：跖肌，一块小肌肉却有着大的肌腱。

在正常运动中，肌腱承受的应力小于极限应力的1／4。

三、对韧带和腱产生影响的因素

对与韧带、腱生物力学性质有关的许多因素，其研究已经在近几十年来获得进展。这些软组织呈现出复杂的流变学性质，可用它依赖于时间和历史的黏弹性性质和非线性弹性来描述。另外，韧带和腱的不规则的形状和几何尺寸以及复杂的解剖学构造，给它的生物力学性质试验造成许多困难。关节周围韧带附着在关节周边的骨上，并且嵌入部分具有很宽的根基且难以区别，因此准确地测量韧带长度是不可能的。孤立的韧带试验可能导致纤维收缩，因此，韧带长度不能表示它被切割前的条件。夹在夹头中的那一端的固定方式通常会导致在夹头与试件交界处产生滑移，以及引起承载组织的破坏，它将导致过早的破坏。考虑到载荷条件能更严格地近似于人体条件，许多试验利用骨-韧带-骨的试件进行。然而，更明显的缺点是不能由嵌入部分所提供的性质中分离出韧带物质的生物力学性质。最近几年来研究成果发现，与韧带和腱产生生物力学有关的有：一是冷冻储藏对韧带和腱的影响；二是不同的温度下韧带和腱的性质；三是年龄对韧带和腱性质的影响；四是韧带破坏模拟；五是功能适应和内环境稳定；六是韧带和腱的愈合。