肌腱疲勞的生物力學(xué)研究進(jìn)展

摘要:肌腱作為骨與肌肉的關(guān)聯(lián)紐帶，在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中具有重要的作用，肌腱疲勞與其生物力學(xué)性能密切相關(guān)#65377;疲勞實(shí)驗(yàn)時(shí)肌腱達(dá)到斷裂所需的時(shí)間或循環(huán)拉伸的次數(shù)與作用的應(yīng)力和(或)應(yīng)變及頻率大小#65380;標(biāo)本的長(zhǎng)度#65380;溫度等有一定關(guān)系，高應(yīng)力肌腱疲勞性高于低應(yīng)力肌腱#65377;在一定的范圍內(nèi)，肌腱的疲勞性與其所承受的應(yīng)力相適應(yīng)，適宜運(yùn)動(dòng)刺激可通過力學(xué)性能的改變提高其疲勞性#65377;

關(guān)鍵詞:生物力學(xué);肌腱疲勞性;肌腱疲勞性適應(yīng);肌腱疲勞損傷;綜述

中圖分類號(hào):G804.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1006-7116(2008)01-0109-04

Progress in biomechanical study of tendon fatigue

ZHANG Lin，LI Min

(School of Physical Education，Soochow University，Suzhou 215021，China)

Abstract: As a band that connects muscles with bones， tendon plays an important role in sports training. Tendon fatigue is closely related to its biomechanical properties. In fatigue experiment， there is a certain relation between the time required for a tendon to rapture or the number of times of circulative tension and the acting stress and/or strain as well as frequency magnitude， specimen length and temperature; a high stress tendon is easier to fatigue than a low stress tendon. Within a certain extent， the fatigue of a tendon is in accord with the stress it is subjected to; appropriate kinetic stimulation can improve its fatigue condition via the change of mechanical properties.

Key words: biomechanics;tendon fatigue condition;adaptation of tendon fatigue condition;injury caused by tendon fatigue;overview

肌腱(tendon)與所有的工程結(jié)構(gòu)材料一樣會(huì)發(fā)生疲勞損傷和斷裂，但肌腱與其它工程材料不同之處在于其具有自我修復(fù)和適應(yīng)能力#65377;當(dāng)肌腱微損傷積累超過修復(fù)能力時(shí)肌腱即會(huì)產(chǎn)生損傷#65377;近年來，隨著比賽和訓(xùn)練強(qiáng)度的增加，運(yùn)動(dòng)員肌腱損傷的發(fā)生率不斷升高，而肌腱損傷與疲勞性密切相關(guān)#65377;所以，研究肌腱疲勞對(duì)于闡明肌腱損傷的發(fā)生機(jī)制和預(yù)防具有重要的意義#65377;但遺憾的是，國(guó)內(nèi)外研究較少，特別是近幾年有關(guān)肌腱疲勞的研究更是鮮見，本文綜述有關(guān)肌腱疲勞的研究，以期使眾多專家學(xué)者關(guān)注這一研究領(lǐng)域#65377;

1肌腱疲勞

肌腱疲勞(fatigue)為在拉伸負(fù)載下肌腱的時(shí)間依賴性損傷^[1]#65377;拉伸負(fù)載可為恒載或循環(huán)載荷，在體時(shí)肌腱同時(shí)承受兩種載荷#65377;恒載持續(xù)作用下發(fā)生與時(shí)間相關(guān)的變形即蠕變導(dǎo)致的肌腱最終斷裂現(xiàn)象稱為蠕變斷裂(creep rupture)或靜態(tài)疲勞(static fatigue)^[2]#65377;在循環(huán)負(fù)載下肌腱產(chǎn)生疲勞而最終導(dǎo)致的肌腱斷裂為疲勞斷裂(fatigue rupture)#65377;

對(duì)于大多數(shù)材料而言，蠕變斷裂和疲勞斷裂不同，在對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力下(平均值為零)通常認(rèn)為是沒有蠕變的疲勞#65377;順應(yīng)性材料(如肌腱)由于不可能保持在縱向負(fù)載下擠壓而使循環(huán)負(fù)載所施加的平均應(yīng)力為零，所以肌腱的疲勞實(shí)驗(yàn)不存在單純意義上的“疲勞”(也即循環(huán)疲勞，cyclic fatigue)，而是時(shí)間依賴性的蠕變和循環(huán)依賴性的疲勞#65377;圖1和圖2為小鼠尾腱在恒載和循環(huán)載荷下的曲線圖，當(dāng)最大負(fù)載與最小負(fù)載相同時(shí)，圖2就變?yōu)閳D1下的蠕變曲線#65377;所以對(duì)于肌腱這樣的材料來說不可能研究沒有靜態(tài)疲勞的循環(huán)疲勞，即循環(huán)負(fù)載下肌腱的疲勞是包含靜態(tài)疲勞的疲勞#65377;可是靜態(tài)疲勞可以在沒有循環(huán)疲勞的情況下進(jìn)行研究#65377;

2影響肌腱疲勞實(shí)驗(yàn)的因素

肌腱達(dá)到斷裂所需的時(shí)間或循環(huán)的次數(shù)與作用的應(yīng)力和(或)應(yīng)變有一定關(guān)系#65377;Schechtman等^[4]在對(duì)人的趾長(zhǎng)伸肌腱進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)標(biāo)本施加的應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)的對(duì)數(shù)之間存在顯著的線性關(guān)系，即隨著施加的應(yīng)力增加達(dá)到斷裂所需要的循環(huán)次數(shù)的對(duì)數(shù)減小#65377;Wang等^[2]對(duì)小袋鼠尾腱蠕變實(shí)驗(yàn)的研究表明，作用的應(yīng)力在20～80 MPa時(shí)，應(yīng)力與達(dá)到斷裂所需的時(shí)間對(duì)數(shù)成線性關(guān)系#65377;而Wren等^[5]對(duì)人跟腱施加恒載和循環(huán)載荷，發(fā)現(xiàn)在蠕變實(shí)驗(yàn)中施加的應(yīng)力與達(dá)到斷裂的時(shí)間沒有顯著關(guān)系，但隨著初始應(yīng)變(目標(biāo)應(yīng)力剛達(dá)到時(shí)的應(yīng)變)的增加和斷裂應(yīng)變的下降，達(dá)到斷裂的時(shí)間呈指數(shù)下降#65377;對(duì)于循環(huán)負(fù)載作用下的最大應(yīng)力#65380;初始應(yīng)變(循環(huán)負(fù)載變作用下第一次達(dá)到最大應(yīng)變)的增加和斷裂應(yīng)變的降低，達(dá)到斷裂的時(shí)間和循環(huán)次數(shù)呈指數(shù)性下降#65377;研究者認(rèn)為對(duì)于在恒載和循環(huán)載荷下初始應(yīng)變，是預(yù)測(cè)達(dá)到斷裂時(shí)間和循環(huán)次數(shù)的最好指標(biāo)#65377;

肌腱的疲勞性和標(biāo)本長(zhǎng)度具有一定的關(guān)系#65377;Wang等^[2]發(fā)現(xiàn)當(dāng)標(biāo)本(小袋鼠的尾腱)的長(zhǎng)度縮短到80 mm以下時(shí)小袋鼠尾腱的疲勞性增加(標(biāo)本為100 mm以上不存在這種變化)，認(rèn)為80 mm左右可能為肌腱內(nèi)的一個(gè)結(jié)構(gòu)單位，實(shí)驗(yàn)中由于結(jié)構(gòu)單位的兩端被夾住，這也意味著疲勞性發(fā)生在單位之間的縫隙;另外一個(gè)解釋是建立在Weibull理論^[6]基礎(chǔ)上，認(rèn)為小的標(biāo)本具有較小斷裂的趨勢(shì)#65377;Weivull理論應(yīng)用于脆性材料，最終的斷裂發(fā)生在單一裂縫的增大#65377;目前這一理論已被應(yīng)用于骨的研究^[7-8]，有關(guān)該理論在肌腱疲勞性研究中的應(yīng)用還需進(jìn)一步研究#65377;還有一個(gè)解釋就是蛋白多糖(PG)和膠原Ⅵ的更新量大于膠原Ⅰ，可以認(rèn)為膠原原纖維之間的基質(zhì)是疲勞更容易發(fā)生的區(qū)域#65377;所以在進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)保持待測(cè)樣本的長(zhǎng)度一致性#65377;

此外，肌腱疲勞性比彈性模量和滯回性更具有溫度依賴性^[2]，隨著溫度的增加蠕變實(shí)驗(yàn)時(shí)達(dá)到斷裂所用的時(shí)間減少#65377;肌腱在一定范圍的負(fù)載下達(dá)到斷裂的時(shí)間隨著頻率的增加而縮短^[5]，這和骨拉伸疲勞實(shí)驗(yàn)時(shí)相反，它達(dá)到斷裂時(shí)的時(shí)間不依賴于頻率^[9-10]#65377;對(duì)標(biāo)本處理的不同可能也會(huì)影響疲勞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，室溫下干燥的肌腱水的含量具有很大的變化，可以使彎曲剛度和抗疲勞性大大升高^[2]#65377;Thornton等^[11]比較了在不同水合作用下韌帶的短期蠕變，他們用4.1 MPa作用20 min，發(fā)現(xiàn)隨著水合增加蠕變也增加#65377;

以上的研究表明肌腱疲勞實(shí)驗(yàn)極易受外界條件和內(nèi)部組織影響#65377;所以在疲勞實(shí)驗(yàn)研究中應(yīng)注意測(cè)試條件的一致，即應(yīng)力類型及大小#65380;頻率#65380;環(huán)境條件及標(biāo)本的處理等要保持一致#65377;

3肌腱疲勞損傷

人的日常活動(dòng)和運(yùn)動(dòng)過程實(shí)際上也是肌腱承受著重復(fù)載荷的過程，同其它材料一樣，重復(fù)性載荷下肌腱會(huì)發(fā)生疲勞，但和其它工程材料不同之處在于肌腱具有自我修復(fù)能力#65377;當(dāng)疲勞損傷大于自身的修復(fù)能力時(shí)，肌腱產(chǎn)生疲勞損傷甚至于疲勞斷裂#65377;在體時(shí)肌腱同時(shí)經(jīng)歷蠕變損傷和循環(huán)疲勞損傷#65377;

材料疲勞時(shí)一些力學(xué)指標(biāo)如極限應(yīng)力(UTS)#65380;剛度#65380;彈性模量等不斷下降#65377;通常材料可用一些特殊力學(xué)指標(biāo)在疲勞前后的比率即損傷率來表示(damage ratio， DR)材料的損傷過程，該指標(biāo)介于0和1之間，1表示材料處于未有損傷的狀態(tài)，0表示材料斷裂#65377;Schechtman等^[4]對(duì)人趾長(zhǎng)伸肌腱循環(huán)加載使之處于部分疲勞狀態(tài)，處理前后分別測(cè)量耗能模量(K'')#65380;儲(chǔ)能模量(K')和動(dòng)態(tài)模量(K*)，結(jié)果認(rèn)為K*和K'是評(píng)估肌腱DR的合適指標(biāo)#65377;Wang等^[2-3]研究了恒載和循環(huán)負(fù)載下袋鼠尾腱的損傷行為認(rèn)為可以用剛度來表示DR#65377;但Wren等^[5]在恒載和循環(huán)負(fù)載下跟腱斷裂研究中認(rèn)為肌腱的適應(yīng)性和損傷直接受應(yīng)變影響，用初始應(yīng)變比率更能直接反映肌腱損傷狀態(tài)，Adeeb等^[12]研究認(rèn)為線性斷裂力學(xué)可以用來研究肌腱在10﹪UTS以上循環(huán)負(fù)載下的疲勞行為#65377;由于目前無損傷在體測(cè)量已成為可能^[13]，選擇一個(gè)更直接和有效的監(jiān)測(cè)肌腱損傷的指標(biāo)已成為必要#65377;

4肌腱疲勞性適應(yīng)

肌腱的疲勞性(fatigue quality)即肌腱抵抗疲勞的能力，可以反映肌腱的質(zhì)量，通常以肌腱在載荷下達(dá)到斷裂時(shí)的循環(huán)次數(shù)或時(shí)間來衡量#65377;研究表明肌腱的疲勞性與其一生中所經(jīng)歷的應(yīng)力是相適應(yīng)的#65377;在Pike等^[14]的研究中，綿羊的跖肌腱和淺趾伸肌腱最大應(yīng)力(stress-in-life，當(dāng)肌腱的肌肉進(jìn)行最大等長(zhǎng)收縮時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力)，隨著年齡增加而增加;在任何年齡段，高應(yīng)力肌腱(跖肌腱)的疲勞性(達(dá)到斷裂的所用的時(shí)間)要高于低應(yīng)力肌腱(淺趾伸肌腱);隨著年齡的增加兩種類型肌腱的疲勞性都增加，但高應(yīng)力肌腱增加的速率大#65377;Ker等^[15]研究小袋鼠的后肢肌腱發(fā)現(xiàn)，當(dāng)肌腱在等于肌肉最大等長(zhǎng)收縮力的負(fù)載作用下，每個(gè)肌腱達(dá)到斷裂的時(shí)間類似，平均約為4.2 h;但當(dāng)同樣負(fù)載(50 MPa)作用于肌腱時(shí)，高應(yīng)力肌腱達(dá)到斷裂的時(shí)間要長(zhǎng)于低應(yīng)力肌腱#65377;研究者根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出一個(gè)模型，認(rèn)為肌腱損傷激勵(lì)(trigger)肌腱疲勞適應(yīng)性的產(chǎn)生#65377;腱細(xì)胞可以對(duì)肌腱損傷的水平做出敏感反應(yīng)，接收細(xì)胞外基質(zhì)發(fā)來?yè)p傷出現(xiàn)的信號(hào)而產(chǎn)生一定的反應(yīng)#65377;如損傷速率改變時(shí)損傷修復(fù)將失去平衡，細(xì)胞將發(fā)生一定的反應(yīng)而調(diào)整疲勞性#65377;在生長(zhǎng)過程中損傷速率可能會(huì)改變，因此修復(fù)速率也在發(fā)生改變#65377;在一定的生理范圍內(nèi)，疲勞性可隨應(yīng)力的模式改變做出適應(yīng)性變化，這種適應(yīng)性包括先天和后天兩種#65377;

長(zhǎng)期作用于肌腱上的負(fù)荷可能會(huì)影響肌腱損傷的速率而最終影響其疲勞性#65377;在許多實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行跑步訓(xùn)練與非訓(xùn)練動(dòng)物比較，發(fā)現(xiàn)其肌腱彈性模量或剛度的變化不顯著^[16-17]，實(shí)際上可能是疲勞性提高#65377;這種假設(shè)也可以解釋一些學(xué)者的研究，如Simonsen等^[18]對(duì)大鼠進(jìn)行每天3次#65380;每周4次，共38周力量訓(xùn)練后，阿基里斯肌腱剛度未增加，而每天90 min，每周4次，共15周游泳耐力訓(xùn)練后發(fā)現(xiàn)肌腱更強(qiáng)壯#65377;游泳訓(xùn)練時(shí)包含了幾十萬次肌肉收縮，而力量訓(xùn)練只有約1 500次收縮#65377;珍珠雞8～12周訓(xùn)練后肌肉沒有肥大，但剛度增加，每次訓(xùn)練也包含了20～30萬次收縮，所以肌腱可能是對(duì)總的肌肉收縮次數(shù)反應(yīng)而不是對(duì)絕對(duì)張力反應(yīng)^[17]#65377;

運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練產(chǎn)生的適應(yīng)性與膠原原纖維直徑及長(zhǎng)度變化有關(guān)#65377;肌腱中膠原原纖維的直徑范圍很大，在20～400 nm之間，且不同肌腱或同一肌腱的不同部位也不同#65377;Parry等^[19]研究指出，小直徑的膠原原纖維會(huì)較好地抵制不可恢復(fù)的塑變，而大直徑的膠原原纖維具有較高的強(qiáng)度，在肌腱中發(fā)現(xiàn)的這種雙峰分布是出于平衡力學(xué)性能的需要#65377;Patterson等^[20]比較了高強(qiáng)度訓(xùn)練和低強(qiáng)度訓(xùn)練的馬前肢淺趾屈肌腱，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度訓(xùn)練的肌腱平均原纖維直徑為105 nm，而低強(qiáng)度訓(xùn)練組為132 nm，認(rèn)為這種平均直徑的減少可能是高強(qiáng)度訓(xùn)練為提高肌腱疲勞性而產(chǎn)生的適應(yīng);Patterson同時(shí)也比較了淺#65380;深趾屈肌腱的平均原纖維直徑，分別為132 nm 和202 nm，淺趾屈肌腱具有較高的肌腱最大應(yīng)力^[21]，具有較高的疲勞性，所以較細(xì)的膠原纖維直徑可能疲勞性高#65377;但Ker^[1]測(cè)量了9只小袋鼠后肢肌腱的平均原纖維直徑，發(fā)現(xiàn)疲勞性和原纖維直徑?jīng)]有關(guān)系#65377;除了膠原原纖維直徑外，一些研究表明膠原原纖維的長(zhǎng)度也與肌腱的力學(xué)性能有關(guān)，膠原原纖維長(zhǎng)度是增加肌腱彈性模量的最有效因素^[22-23]#65377;膠原原纖維越長(zhǎng)，應(yīng)有更多的黏多糖(GAG)在膠原原纖維之間進(jìn)行力的傳遞^[24]#65377;

5展望

由于研究方法#65380;實(shí)驗(yàn)儀器#65380;訓(xùn)練方式#65380;訓(xùn)練負(fù)荷等不同導(dǎo)致研究結(jié)果分歧較大，尤其是目前大多數(shù)研究集中在動(dòng)物離體肌腱的生物力學(xué)性能方面，對(duì)人體的研究較少，成為肌腱研究開展的制約因素#65377;隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲波#65380;核磁共振等技術(shù)可對(duì)在體肌腱的形態(tài)及生物力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量，因此，探討不同訓(xùn)練水平#65380;不同專項(xiàng)運(yùn)動(dòng)員和不同年齡#65380;不同性別人群運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和體育鍛煉對(duì)肌腱的生物力學(xué)性能的研究將成為今后的研究重點(diǎn)#65377;另外，肌腱生物力學(xué)性能的變化必然有其物質(zhì)基礎(chǔ)，膠原纖維類型#65380;直徑變化與其密切相關(guān)，肌腱疲勞性具有其分子生物學(xué)基礎(chǔ)，肌腱膠原相關(guān)基因和基質(zhì)基因的研究將為肌腱力學(xué)性能的變化機(jī)理提供分子生物學(xué)依據(jù)#65377;

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[編輯:李壽榮]