沙川華，張 濤，李 龍

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人體小腿肌腱生物材料力學特征實驗研究

沙川華1，張 濤2，李 龍3

目的：人體小腿肌腱損傷后的防治、修復、人工材料替換等需要大量的生物材料力學特征方面的實驗數(shù)據(jù)作為其參考依據(jù)。方法：使用德國產(chǎn)Zwick萬能材料實驗機，對小腿9種72條成人新鮮小腿肌腱進行“一維拉伸破壞試驗”，并對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學處理。結(jié)果：(1)當應(yīng)變?yōu)?-5%范圍時，形變隨拉伸應(yīng)力改變較小，屬于曲線的“坡腳區(qū)”；當應(yīng)變?yōu)?%-16%范圍時，應(yīng)力隨應(yīng)變增大而增大，屬于曲線的“直線區(qū)”；當應(yīng)變達到20%左右時，拉伸應(yīng)力則隨應(yīng)變增大而減小。(2)小腿肌腱之間極限應(yīng)變沒有顯著性差異；跟腱極限應(yīng)力明顯小于趾長伸肌腱、趾長屈肌腱、拇長伸肌腱與拇長伸肌腱(P<0.05)。(3)部分小腿肌腱之間拉伸剛度與彈性模量有顯著性差異(P<0.05)。結(jié)論：(1)小腿肌腱與前臂肌腱均是以規(guī)則致密結(jié)締組織為主構(gòu)成，故其“應(yīng)力—應(yīng)變曲線”也呈現(xiàn)基本相同的特征。(2)從小腿各肌腱極限應(yīng)變指標對比結(jié)果差異不明顯可以推斷小腿肌腱抵抗最大負荷的能力基本相同；跟腱由于其截面積大，應(yīng)力呈現(xiàn)分散現(xiàn)象，故極限應(yīng)力最小。(3)跟腱的拉伸剛度較大，從生物材料上保證其能夠承受踝關(guān)節(jié)完成高頻率、大強度、較大運動幅度的背屈運動。(4)肌腹強大的肌腱主要通過肌肉收縮力使其產(chǎn)生彈性變形，而肌腹較小的肌腱主要通過自身彈性變形滿足承擔功能的需要。

小腿肌腱；拉伸試驗；生物材料力學特征

小腿肌群在維持人體直立，完成行走、跑動、跳躍等運動中都起著至關(guān)重要作用。小腿肌腱是其肌肉的組成部分，通過它們將股骨、脛骨、腓骨、足骨相連成為下肢運動鏈。由于肌腱的組織結(jié)構(gòu)為規(guī)則致密結(jié)締組織，故抗拉伸能力十分強大[1-2]，這對于保障下肢的各種功能起著重要作用。人們在從事各種勞動、各類運動中小腿肌腱會不斷承受來自各方向的拉伸等力量，容易受到損傷，甚至發(fā)生斷裂[3-4]。損傷后如果得不到及時修復，必然嚴重影響下肢功能。從筆者查閱的資料看，已有一些研究動物下肢肌腱力學性能的實驗[5-6]，不同生物材料修復跟腱的應(yīng)用[7]，脫細胞衍生肌腱生物力學的實驗研究[8],但是有關(guān)人體小腿各肌腱生物材料力學特征的研究尚未見報道。為了解小腿肌腱的生物材料力學特征，本研究進行了小腿肌各肌腱“一維拉伸破壞試驗”[9]，了解抗拉伸能力，得到生物材料力學特征的力學參數(shù)，為預(yù)防小腿肌腱的損傷，及其損傷后的治療、修復、人工材料替換等[10]提供一些生物材料力學方面的實驗數(shù)據(jù)與理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 標本收集與試件制備

1.2 實驗與數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 實驗方法

本實驗采用研究生物材料力學特性的主要方法“一維拉伸破壞試驗”。

(1)預(yù)調(diào)實驗。將試件固定在測試儀器夾具上，用游標卡尺測量并記錄肌腱的長度、厚度、寬度等數(shù)據(jù)，以備后續(xù)計算相關(guān)參數(shù)所需。試件備置后，以每分鐘試件初始長度10%應(yīng)變速度將試件拉伸至4%的應(yīng)變長度，同速卸載休息10分鐘，反復預(yù)調(diào)3次后，正式進行實驗。

(2)正式實驗。將調(diào)試后的試件以10mm/s應(yīng)變速度拉伸至“極限應(yīng)力”狀態(tài)，同步記錄“載荷—位移關(guān)系曲線”。實驗進行過程中用濃度為3%中性福爾馬林溶液保持試件濕潤，由于溫度對該實驗驗影響不大，故全部實驗在25。C左右的室溫下進行。

其中：基本風壓 W0=750N/m2 (深圳市50年風壓取值)；高度修正系數(shù)μz=2.64(建筑物高度按150m取值)；βz=1.0；體型系數(shù) μs=1.3φ(基本值)。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理方法

(1)繪制“應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線”。根據(jù)小腿各肌腱的長度、厚度、寬度計算截面積；將載荷、位移數(shù)據(jù)代入公式“б=P/Ao”與“ε=△L/L”，計算得到小腿各肌腱的應(yīng)力值與應(yīng)變值，并繪制“應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線”[9]。

(2)生物力學參數(shù)。①“極限應(yīng)力”與“極限應(yīng)變”：應(yīng)力與應(yīng)變均用于反映小腿肌腱承受負荷的能力，該能力大小與材料本身的性質(zhì)及其受力類型有關(guān)[11]?！睒O限應(yīng)力“表示材料在拉伸過程中，從發(fā)生變形到斷裂時所能承受的最大應(yīng)力值；“極限應(yīng)變”表示在極限應(yīng)力狀態(tài)下所產(chǎn)生的應(yīng)變。由于肌腱結(jié)構(gòu)中的膠原纖維在實驗過程中即使承受的負荷下降也不會出現(xiàn)徹底斷裂的現(xiàn)象，故將各小腿肌腱承受負荷下降時刻的力值確定為“極限應(yīng)力”，而此時刻所對應(yīng)的應(yīng)變確定為“極限應(yīng)變”。②“拉伸剛度”與“彈性模量”：觀察小腿各肌腱“載荷—位移曲線”，應(yīng)變在10%附近呈現(xiàn)出較好的線性狀態(tài)，故確定此時刻的載荷均數(shù)為“拉伸剛度”，并用此應(yīng)變狀態(tài)下標準載荷的應(yīng)力均數(shù)除以應(yīng)變得到彈性模量。計算各指標反映其生物材料力學特征。③用SPSS19.0軟件進行統(tǒng)計處理，F(xiàn)檢驗后,確定小腿肌腱在極限應(yīng)力、極限應(yīng)變、載荷、截面積、彈性模量五項指標上均為齊性，拉伸剛度為非齊性。齊性用“sidak”方法進行比較，非齊性則用“tamhane’s T2”法進行比較。經(jīng)方差分析，t檢驗后進行多組間比較，比較結(jié)果若P<0.05，則表示兩者之間有顯著性差異，若P<0.01，則表示兩者之間有高度顯著性差異。

2 實驗儀器及條件

實驗在上海大學生物材料力學實驗室的德國生產(chǎn)萬能材料試驗機(型號為BZ2.5/TS1S Zwick/Roell)上進行(見圖1)。計算機同步采集數(shù)據(jù)，采樣速度為10次/秒，并同時繪制“載荷—位移關(guān)系曲線”。

圖1 Zwick萬能材料試驗機

Figure 1 Zwick universal material testing machine

3 結(jié)果

3.1 小腿肌腱“應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線”特征

根據(jù)小腿各肌腱實驗數(shù)據(jù)以及計算得到的數(shù)據(jù)，繪制出小腿9種肌腱的“應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線”。本文以趾長伸肌腱的“應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線”圖形為例，描述小腿各肌腱曲線特征：當應(yīng)變?yōu)?-5%范圍時，形變隨拉伸應(yīng)力改變較小，屬于曲線的“坡腳區(qū)”；當應(yīng)變?yōu)?%-16%范圍時，應(yīng)力隨應(yīng)變增大而增大，屬于曲線的“直線區(qū)”[12]；當應(yīng)變達到20%左右時，拉伸應(yīng)力則隨應(yīng)變增大而減小(見圖2)。

圖2 趾長伸肌腱“應(yīng)力-應(yīng)變曲線”

Figure 2 stress vs. strain curve of extensor tendon

3.2 小腿肌腱“極限應(yīng)力”與“極限應(yīng)變”對比結(jié)果

將小腿各肌腱的“極限應(yīng)力”與“極限應(yīng)變”進行統(tǒng)計學對比，結(jié)果為：(1)小腿9種肌腱的“極限應(yīng)力”趾長伸肌腱、趾長屈肌腱與跟腱對比均有顯著性差異(P<0.05)；拇長伸肌腱、拇長屈肌腱與跟腱對比均有高度顯著性差異(P<0.01)。(2)“極限應(yīng)變”比較結(jié)果均沒有顯著性差異(見表1)。

3.3 小腿肌腱“載荷”與“截面積”對比結(jié)果

對比結(jié)果：(1)小腿9種肌腱的“載荷”僅拇長伸肌腱與拇長屈肌腱明顯小于跟腱外(P<0.05)，其他肌腱之間沒有顯著性差異。(2)“截面積”比較結(jié)果：跟腱非常顯著大于其他肌腱(P<0.01)；趾長伸肌與趾長屈肌明顯小于脛骨前肌腱、脛骨后肌腱與腓骨長肌腱(P<0.05)；脛骨前肌、脛骨后肌腱明顯大于趾長伸肌腱、趾長屈肌腱、拇長伸肌腱、拇長屈肌腱(P<0.05)；腓骨長肌腱明顯大于趾長伸肌腱、趾長屈肌腱、拇長伸肌腱與拇長屈肌腱(P<0.05)；拇長伸肌腱、拇長屈肌腱明顯小于脛骨前肌腱、脛骨后肌腱與腓骨長腱 (P<0.05)(見表2)。

名稱極限應(yīng)力(MPa)極限應(yīng)變(%)趾長伸肌腱71．88±32．93▲16．42脛骨前肌腱43．98±25．9315．11拇長伸肌腱69．80±19．45▲▲10．76腓骨長肌腱54．25±20．3117．65腓骨短肌腱57．96±14．3418．98趾長屈肌腱75．64±30．13▲17．42脛骨后肌腱45．46±26．3316．13拇長屈肌腱71．52±20．15▲▲12．26跟腱8．17±2．61■●●◎◎◇20．98

注：■表示趾長伸肌腱與其他肌腱的比較，P<0.05；●表示拇長伸肌腱與其他肌腱的比較，P<0.05，●●則為P<0.01;▲表示跟腱與其他肌腱的比較,P<0.05，▲▲則為P<0.01；◎表示拇長屈肌腱與其他肌腱的比較P<0.05，◎◎則為P<0.01；◇表示趾長屈肌腱與其他肌腱的比較，P<0.05。

3.4 小腿肌腱拉伸剛度與彈性模量的比較

3.4.1 抵抗外力的變形能力比較 采用小腿肌腱的拉伸剛度指標反映其抵抗外力的變形能力。對比結(jié)果顯示，除了跟腱的拉伸剛度顯著性大于其他肌腱外(P<0.05)，其余各肌腱之間均沒有顯著性差異(見表3)。

3.4.2 產(chǎn)生變形的難易程度比較 采用小腿肌腱彈性模量指標反映其在外力作用下產(chǎn)生單位彈性變形所需要的應(yīng)力，其值越大，所需要的應(yīng)力也越大，用以觀察肌腱產(chǎn)生彈性變形的難易程度[13]。對比結(jié)果顯示，有顯著性差異的有下列肌腱：(1)趾長伸肌腱、趾長屈肌腱與跟腱之間均有顯著性差異(P<0.05)；(2)拇長伸肌腱、拇長屈肌腱與跟腱之間均有顯著性差異(P<0.05)；(3)脛骨前肌腱、脛骨后肌腱與拇長伸肌腱、拇長屈肌腱之間均有顯著性差異(P<0.05)；(4)腓骨長肌腱與拇長伸肌腱、拇長屈肌腱之間均有顯著性差異(P<0.05)(見表3)。

表2 小腿9種肌腱載荷、截面積比較

注：■表示趾長伸肌腱與其他肌腱的比較，P<0.05；●表示拇長伸肌腱與其他肌腱的比較，P<0.05；▲表示跟腱與其他肌腱的比較，P<0.05；▲▲則為P<0.01；▼表示脛骨前肌與其他肌腱的比較，P<0.05，▼▼則為P<0.01；★表示腓骨長肌與其他肌腱的比較，P<0.05，★★則為P<0.01；◆表示腓骨短肌與其他肌腱的比較，P<0.05；◇表示趾長屈肌腱與其他肌腱的比較，P<0.05，◇◇則為P<0.01；▽表示脛骨后肌腱與其他肌腱的比較，P<0.05，▽▽則為P<0.01；◎表示拇長屈肌腱與其他肌腱的比較P<0.05，◎◎則為P<0.01。

注：■表示趾長伸肌腱與其他肌腱的比較，P<0.05；●表示拇長伸肌腱與其他肌腱的比較，P<0.05；▲表示跟腱與其他肌腱的比較，P<0.05;▼表示脛骨前肌腱與其他肌腱的比較，P<0.05；★表示腓骨長肌腱與其他肌腱的比較，P<0.05；◆表示腓骨短肌腱與其他肌腱的比較，P<0.05；◇表示趾長屈肌腱與其他肌腱的比較，P<0.05；▽表示脛骨后肌腱與其他肌腱的比較，P<0.05；◎表示拇長屈肌腱與其他肌腱的比較P<0.05。

4 討論

4.1 小腿肌腱材料力學性能圖形分析

應(yīng)力-應(yīng)變曲線是描述材料力學性能極其重要的圖形。實驗結(jié)果表明，小腿肌腱與前臂肌腱的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線特征相同[14]。該現(xiàn)象表明無論是前臂肌腱還是小腿肌腱，只要是以膠原纖維為主構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基本相同。

4.2 小腿肌腱“極限應(yīng)力”與“極限應(yīng)變”對比結(jié)果分析

跟腱在所測試的肌腱中極限應(yīng)力最小，這似乎有些令人費解。因為從跟腱與其他小腿肌腱的形態(tài)比較看，前者更為粗壯，故其極限應(yīng)力應(yīng)該較大似乎才較為合理。但從應(yīng)力計算公式б=P/Ao分析，就不難發(fā)現(xiàn)跟腱極限應(yīng)力最小是有其生物材料力學方面的原因：由于跟腱截面積(Ao)比其他小腿肌腱的截面積相差較大，但承受的載荷(P)相差較小，這就是跟腱的極限應(yīng)力的數(shù)值較小的原因(見表2)。

此外，由于走跑跳等運動的需要，踝關(guān)節(jié)會常常處于屈伸轉(zhuǎn)換的運動狀態(tài)，跟腱必然也會反復受到拉伸，過度使用或承受載荷容易使其產(chǎn)生應(yīng)力性損傷，即跟腱病[15]，若再遇到突然強力起跳、轉(zhuǎn)身等特殊用力的情況，這種已經(jīng)有一定內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變的跟腱甚至會發(fā)生斷裂。本實驗中的跟腱極限應(yīng)力小，是不是跟腱的材料力學的特征，有待今后進一步實驗對比研究來印證。

4.3 小腿肌腱“拉伸剛度”與“彈性模量”對比結(jié)果分析

4.3.1 拉伸剛度比較結(jié)果分析 外形粗壯結(jié)實的跟腱由于其拉伸剛度較大，抵抗外力變形的能力也較強。這也正是跟腱之所以能夠擔負起下肢完成走跑跳等強有力復雜運動的生物材料學結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。小腿其他肌腱之間比較拉伸剛度差異不大，應(yīng)該與其承擔的工作量相似有關(guān)：拇長伸肌與趾長伸肌主要完成伸踝關(guān)節(jié)以及伸腳趾運動；脛骨前肌與脛骨后肌主要完成足內(nèi)翻運動以及維持足弓的內(nèi)側(cè)縱弓；腓骨長肌與腓骨短肌主要完成足外翻運動以及維持足弓的外側(cè)縱弓；趾長屈肌與拇長屈肌主要完成屈踝關(guān)節(jié)以及屈腳趾運動。

4.3.2 彈性模量比較結(jié)果分析 從數(shù)據(jù)看，雖然跟腱彈性模量明顯小于其他肌腱，表明使其產(chǎn)生單位變形所需要的應(yīng)力小于其他肌腱。然而考慮到其截面積大，要想使跟腱整體發(fā)生彈性變形的應(yīng)力也會較大。從人體解剖學的結(jié)構(gòu)與功能角度分析，跟腱是由腓腸肌內(nèi)側(cè)頭與外側(cè)頭和比目魚肌三部分肌肉的腱性結(jié)構(gòu)匯合形成，肌肉收縮產(chǎn)生的強大肌力均會作用于這條粗大的肌腱，使其表現(xiàn)出一定的彈性與伸展性滿足踝關(guān)節(jié)進行較大幅度背屈和跖屈運動的需要。本實驗所測試的另外8種小腿肌都屬于肌腱細長、肌腹較小的肌肉構(gòu)造，它們需要完成踝關(guān)節(jié)屈伸、內(nèi)外翻、屈伸腳趾等多種運動，沒有強大的肌肉收縮力使肌腱產(chǎn)生足夠的伸展性與彈性，只能依靠自身肌腱彈性較好才能滿足需要，故彈性模量較大，應(yīng)是其生物材料力學的必要保障。此外，趾長伸肌腱、趾長屈肌腱與拇長伸肌腱、拇長屈肌腱彈性模量除了明顯大于跟腱外，也明顯大于腓骨長肌腱、脛骨前肌腱與脛骨后肌腱。這一現(xiàn)象可能是由于趾長伸肌、趾長屈肌與拇長伸肌、拇長屈肌收縮主要完成的是屈伸踝關(guān)節(jié)與屈伸腳趾運動，無需其肌腱達到很大彈性即能滿足需要，而腓骨長肌、脛骨前肌與脛骨后肌主要具有維持足弓的作用，需要經(jīng)常承受足內(nèi)外翻的運動，為防止其運動損傷，需要具有較好的彈性變形能力，才能避免頻繁發(fā)生運動性損傷。這實際上也是小腿肌腱在人類長期進化過程中表現(xiàn)出來的生物材料力學特征的差異。

5 結(jié)論

通過“一維拉伸破壞試驗”,確定了小腿肌腱如下生物材料力學特征。

(1)小腿肌腱與前臂肌腱均是以規(guī)則致密結(jié)締組織為主構(gòu)成，故其“應(yīng)力-應(yīng)變曲線”也呈現(xiàn)基本相同的特征。

(2)小腿肌腱抵抗最大負荷的能力基本相同；跟腱由于其截面積大，應(yīng)力呈現(xiàn)分散現(xiàn)象，故極限應(yīng)力最小。

(3)跟腱的拉伸剛度較大，從生物材料上保證其能夠承受踝關(guān)節(jié)完成高頻率、大強度、較大運動幅度的背屈運動。

(4)肌腹強大的肌腱主要通過肌肉收縮力使其產(chǎn)生彈性變形，而肌腹較小的肌腱主要通過自身彈性變形滿足承擔功能的需要。

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(編輯 孫君志)

Experimental Study on the Bio-mechanical Characteristics of Human Lower Leg Tendon

SHA Chuanhua1, ZHANG Tao2, LI long3

Objective：Study of the bio-mechanical properties on human lower leg tendon provides theoretical basis for injury prevention, repair and artificial materials replacement. Methods：The Zwick universal material testing machine from Germany was used to conduct one dimensional destructive test on 9 kinds of tendon from 72 cases of adult fresh lower leg, and the experimental data were statistically analyzed. Results：(1) When the Strain falls in the 0 ～ 5% range, which is the “toe region” of the curve, the deformation changes little with the tensile stress. In the 8% ～ 16% strain range, which is the “Linear region” of the curve, the tensile stress increases with the strain increase. When the deformation reaches around 20%, tensile stress decreases with increasing strain. (2) There is no significant difference in the ultimate strain indicators among the 9 kinds of tendon, while the ultimate stress indicators of the Achilles tendon is significantly smaller than that of the extensor tendon, the flexor tendon, and the hallux longus tendon(P<0.05).(3) There are significant differences between the tensile stiffness and elastic modulus for some of the 9 kinds of tendon. (P<0.05) Conclusion： (1) There is little difference in the stress vs. strain curves for 9 kinds of lower leg tendon, and the curves are basically the same as those for the forearm tendon, which shows that the tendons of the main structure in the dense connective tissue are basically the same. (2) The difference of the limit strain indexes of the leg tendon is not obvious, so it is concluded that the ability of the calf tendon to resist the maximum load is basically the same. Because of the large area of the Achilles tendon, the stress is scattered, so the ultimate stress is the least.(3) The tensile stiffness of the Achilles tendon is large, which, in perspective of the biological material mechanics , ensures that the ankle joint can withstand the the back flexion movement of high frequency, high intensity and great amplitude. (4) Strong muscle belly produces elastic deformation mainly through the muscle contraction force, while tendon with smaller belly muscle meets the needs of the function mainly through its own elastic deformation capacity.

LowerLegTendon;StretchExperiment;Bio-mechanicalProperties

G804.6 Document code：A Article ID：1001-9154(2016)04-0082-05

四川省教育廳基金項目“人體下肢肌腱生物材料力學特征實驗研究”(14ZA0252)；國家體育總局·成都體育學院運動醫(yī)學與健康研究所資助項目。

沙川華，教授，研究方向：運動解剖學。E-mail：809308504@qq.com。

1. 成都體育學院運動醫(yī)學系，四川成都 610041；2. 四川旅游學院，四川 成都 610100；3. 西昌學院，四川 西昌 615000 1. Department of Sports Medicine Chengdu Sport Institute, Chengdu Sichuan 610041; 2. Sichuan Institute for Tourism Studies, Chengdu Sichuan 610100; 3. Xichang College，Xichang Sichuan 615000

2015-11-27

2016-03-16

G804.6

A

1001-9154(2016)04-0082-05