人体小腿肌腱生物材料力学特征实验研究

沙川华，张 涛，李 龙



人体小腿肌腱生物材料力学特征实验研究

沙川华1，张 涛2，李 龙3

目的：人体小腿肌腱损伤后的防治、修复、人工材料替换等需要大量的生物材料力学特征方面的实验数据作为其参考依据。方法：使用德国产Zwick万能材料实验机，对小腿9种72条成人新鲜小腿肌腱进行“一维拉伸破坏试验”，并对实验数据进行统计学处理。结果：(1)当应变为0-5%范围时，形变随拉伸应力改变较小，属于曲线的“坡脚区”；当应变为8%-16%范围时，应力随应变增大而增大，属于曲线的“直线区”；当应变达到20%左右时，拉伸应力则随应变增大而减小。(2)小腿肌腱之间极限应变没有显著性差异；跟腱极限应力明显小于趾长伸肌腱、趾长屈肌腱、拇长伸肌腱与拇长伸肌腱(P<0.05)。(3)部分小腿肌腱之间拉伸刚度与弹性模量有显著性差异(P<0.05)。结论：(1)小腿肌腱与前臂肌腱均是以规则致密结缔组织为主构成，故其“应力—应变曲线”也呈现基本相同的特征。(2)从小腿各肌腱极限应变指标对比结果差异不明显可以推断小腿肌腱抵抗最大负荷的能力基本相同；跟腱由于其截面积大，应力呈现分散现象，故极限应力最小。(3)跟腱的拉伸刚度较大，从生物材料上保证其能够承受踝关节完成高频率、大强度、较大运动幅度的背屈运动。(4)肌腹强大的肌腱主要通过肌肉收缩力使其产生弹性变形，而肌腹较小的肌腱主要通过自身弹性变形满足承担功能的需要。

小腿肌腱；拉伸试验；生物材料力学特征

小腿肌群在维持人体直立，完成行走、跑动、跳跃等运动中都起着至关重要作用。小腿肌腱是其肌肉的组成部分，通过它们将股骨、胫骨、腓骨、足骨相连成为下肢运动链。由于肌腱的组织结构为规则致密结缔组织，故抗拉伸能力十分强大[1-2]，这对于保障下肢的各种功能起着重要作用。人们在从事各种劳动、各类运动中小腿肌腱会不断承受来自各方向的拉伸等力量，容易受到损伤，甚至发生断裂[3-4]。损伤后如果得不到及时修复，必然严重影响下肢功能。从笔者查阅的资料看，已有一些研究动物下肢肌腱力学性能的实验[5-6]，不同生物材料修复跟腱的应用[7]，脱细胞衍生肌腱生物力学的实验研究[8],但是有关人体小腿各肌腱生物材料力学特征的研究尚未见报道。为了解小腿肌腱的生物材料力学特征，本研究进行了小腿肌各肌腱“一维拉伸破坏试验”[9]，了解抗拉伸能力，得到生物材料力学特征的力学参数，为预防小腿肌腱的损伤，及其损伤后的治疗、修复、人工材料替换等[10]提供一些生物材料力学方面的实验数据与理论依据。

1 材料和方法

1.1 标本收集与试件制备

1.2 实验与数据处理方法

1.2.1 实验方法

本实验采用研究生物材料力学特性的主要方法“一维拉伸破坏试验”。

(1)预调实验。将试件固定在测试仪器夹具上，用游标卡尺测量并记录肌腱的长度、厚度、宽度等数据，以备后续计算相关参数所需。试件备置后，以每分钟试件初始长度10%应变速度将试件拉伸至4%的应变长度，同速卸载休息10分钟，反复预调3次后，正式进行实验。

(2)正式实验。将调试后的试件以10mm/s应变速度拉伸至“极限应力”状态，同步记录“载荷—位移关系曲线”。实验进行过程中用浓度为3%中性福尔马林溶液保持试件湿润，由于温度对该实验验影响不大，故全部实验在25。C左右的室温下进行。

其中：基本风压 W0=750N/m2 (深圳市50年风压取值)；高度修正系数μz=2.64(建筑物高度按150m取值)；βz=1.0；体型系数 μs=1.3φ(基本值)。

1.2.2 数据处理方法

(1)绘制“应力—应变关系曲线”。根据小腿各肌腱的长度、厚度、宽度计算截面积；将载荷、位移数据代入公式“б=P/Ao”与“ε=△L/L”，计算得到小腿各肌腱的应力值与应变值，并绘制“应力—应变关系曲线”[9]。

(2)生物力学参数。①“极限应力”与“极限应变”：应力与应变均用于反映小腿肌腱承受负荷的能力，该能力大小与材料本身的性质及其受力类型有关[11]。”极限应力“表示材料在拉伸过程中，从发生变形到断裂时所能承受的最大应力值；“极限应变”表示在极限应力状态下所产生的应变。由于肌腱结构中的胶原纤维在实验过程中即使承受的负荷下降也不会出现彻底断裂的现象，故将各小腿肌腱承受负荷下降时刻的力值确定为“极限应力”，而此时刻所对应的应变确定为“极限应变”。②“拉伸刚度”与“弹性模量”：观察小腿各肌腱“载荷—位移曲线”，应变在10%附近呈现出较好的线性状态，故确定此时刻的载荷均数为“拉伸刚度”，并用此应变状态下标准载荷的应力均数除以应变得到弹性模量。计算各指标反映其生物材料力学特征。③用SPSS19.0软件进行统计处理，F检验后,确定小腿肌腱在极限应力、极限应变、载荷、截面积、弹性模量五项指标上均为齐性，拉伸刚度为非齐性。齐性用“sidak”方法进行比较，非齐性则用“tamhane’s T2”法进行比较。经方差分析，t检验后进行多组间比较，比较结果若P<0.05，则表示两者之间有显著性差异，若P<0.01，则表示两者之间有高度显著性差异。

2 实验仪器及条件

实验在上海大学生物材料力学实验室的德国生产万能材料试验机(型号为BZ2.5/TS1S Zwick/Roell)上进行(见图1)。计算机同步采集数据，采样速度为10次/秒，并同时绘制“载荷—位移关系曲线”。

图1 Zwick万能材料试验机

Figure 1 Zwick universal material testing machine

3 结果

3.1 小腿肌腱“应力-应变关系曲线”特征

根据小腿各肌腱实验数据以及计算得到的数据，绘制出小腿9种肌腱的“应力-应变关系曲线”。本文以趾长伸肌腱的“应力-应变关系曲线”图形为例，描述小腿各肌腱曲线特征：当应变为0-5%范围时，形变随拉伸应力改变较小，属于曲线的“坡脚区”；当应变为8%-16%范围时，应力随应变增大而增大，属于曲线的“直线区”[12]；当应变达到20%左右时，拉伸应力则随应变增大而减小(见图2)。

图2 趾长伸肌腱“应力-应变曲线”

Figure 2 stress vs. strain curve of extensor tendon

3.2 小腿肌腱“极限应力”与“极限应变”对比结果

将小腿各肌腱的“极限应力”与“极限应变”进行统计学对比，结果为：(1)小腿9种肌腱的“极限应力”趾长伸肌腱、趾长屈肌腱与跟腱对比均有显著性差异(P<0.05)；拇长伸肌腱、拇长屈肌腱与跟腱对比均有高度显著性差异(P<0.01)。(2)“极限应变”比较结果均没有显著性差异(见表1)。

3.3 小腿肌腱“载荷”与“截面积”对比结果

对比结果：(1)小腿9种肌腱的“载荷”仅拇长伸肌腱与拇长屈肌腱明显小于跟腱外(P<0.05)，其他肌腱之间没有显著性差异。(2)“截面积”比较结果：跟腱非常显著大于其他肌腱(P<0.01)；趾长伸肌与趾长屈肌明显小于胫骨前肌腱、胫骨后肌腱与腓骨长肌腱(P<0.05)；胫骨前肌、胫骨后肌腱明显大于趾长伸肌腱、趾长屈肌腱、拇长伸肌腱、拇长屈肌腱(P<0.05)；腓骨长肌腱明显大于趾长伸肌腱、趾长屈肌腱、拇长伸肌腱与拇长屈肌腱(P<0.05)；拇长伸肌腱、拇长屈肌腱明显小于胫骨前肌腱、胫骨后肌腱与腓骨长腱 (P<0.05)(见表2)。

名称极限应力(MPa)极限应变(%)趾长伸肌腱71．88±32．93▲16．42胫骨前肌腱43．98±25．9315．11拇长伸肌腱69．80±19．45▲▲10．76腓骨长肌腱54．25±20．3117．65腓骨短肌腱57．96±14．3418．98趾长屈肌腱75．64±30．13▲17．42胫骨后肌腱45．46±26．3316．13拇长屈肌腱71．52±20．15▲▲12．26跟腱8．17±2．61■●●◎◎◇20．98

注：■表示趾长伸肌腱与其他肌腱的比较，P<0.05；●表示拇长伸肌腱与其他肌腱的比较，P<0.05，●●则为P<0.01;▲表示跟腱与其他肌腱的比较,P<0.05，▲▲则为P<0.01；◎表示拇长屈肌腱与其他肌腱的比较P<0.05，◎◎则为P<0.01；◇表示趾长屈肌腱与其他肌腱的比较，P<0.05。

3.4 小腿肌腱拉伸刚度与弹性模量的比较

3.4.1 抵抗外力的变形能力比较 采用小腿肌腱的拉伸刚度指标反映其抵抗外力的变形能力。对比结果显示，除了跟腱的拉伸刚度显著性大于其他肌腱外(P<0.05)，其余各肌腱之间均没有显著性差异(见表3)。

3.4.2 产生变形的难易程度比较 采用小腿肌腱弹性模量指标反映其在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力，其值越大，所需要的应力也越大，用以观察肌腱产生弹性变形的难易程度[13]。对比结果显示，有显著性差异的有下列肌腱：(1)趾长伸肌腱、趾长屈肌腱与跟腱之间均有显著性差异(P<0.05)；(2)拇长伸肌腱、拇长屈肌腱与跟腱之间均有显著性差异(P<0.05)；(3)胫骨前肌腱、胫骨后肌腱与拇长伸肌腱、拇长屈肌腱之间均有显著性差异(P<0.05)；(4)腓骨长肌腱与拇长伸肌腱、拇长屈肌腱之间均有显著性差异(P<0.05)(见表3)。

表2 小腿9种肌腱载荷、截面积比较

注：■表示趾长伸肌腱与其他肌腱的比较，P<0.05；●表示拇长伸肌腱与其他肌腱的比较，P<0.05；▲表示跟腱与其他肌腱的比较，P<0.05；▲▲则为P<0.01；▼表示胫骨前肌与其他肌腱的比较，P<0.05，▼▼则为P<0.01；★表示腓骨长肌与其他肌腱的比较，P<0.05，★★则为P<0.01；◆表示腓骨短肌与其他肌腱的比较，P<0.05；◇表示趾长屈肌腱与其他肌腱的比较，P<0.05，◇◇则为P<0.01；▽表示胫骨后肌腱与其他肌腱的比较，P<0.05，▽▽则为P<0.01；◎表示拇长屈肌腱与其他肌腱的比较P<0.05，◎◎则为P<0.01。

注：■表示趾长伸肌腱与其他肌腱的比较，P<0.05；●表示拇长伸肌腱与其他肌腱的比较，P<0.05；▲表示跟腱与其他肌腱的比较，P<0.05;▼表示胫骨前肌腱与其他肌腱的比较，P<0.05；★表示腓骨长肌腱与其他肌腱的比较，P<0.05；◆表示腓骨短肌腱与其他肌腱的比较，P<0.05；◇表示趾长屈肌腱与其他肌腱的比较，P<0.05；▽表示胫骨后肌腱与其他肌腱的比较，P<0.05；◎表示拇长屈肌腱与其他肌腱的比较P<0.05。

4 讨论

4.1 小腿肌腱材料力学性能图形分析

应力-应变曲线是描述材料力学性能极其重要的图形。实验结果表明，小腿肌腱与前臂肌腱的应力-应变关系曲线特征相同[14]。该现象表明无论是前臂肌腱还是小腿肌腱，只要是以胶原纤维为主构成的结构，应力-应变关系基本相同。

4.2 小腿肌腱“极限应力”与“极限应变”对比结果分析

跟腱在所测试的肌腱中极限应力最小，这似乎有些令人费解。因为从跟腱与其他小腿肌腱的形态比较看，前者更为粗壮，故其极限应力应该较大似乎才较为合理。但从应力计算公式б=P/Ao分析，就不难发现跟腱极限应力最小是有其生物材料力学方面的原因：由于跟腱截面积(Ao)比其他小腿肌腱的截面积相差较大，但承受的载荷(P)相差较小，这就是跟腱的极限应力的数值较小的原因(见表2)。

此外，由于走跑跳等运动的需要，踝关节会常常处于屈伸转换的运动状态，跟腱必然也会反复受到拉伸，过度使用或承受载荷容易使其产生应力性损伤，即跟腱病[15]，若再遇到突然强力起跳、转身等特殊用力的情况，这种已经有一定内部结构改变的跟腱甚至会发生断裂。本实验中的跟腱极限应力小，是不是跟腱的材料力学的特征，有待今后进一步实验对比研究来印证。

4.3 小腿肌腱“拉伸刚度”与“弹性模量”对比结果分析

4.3.1 拉伸刚度比较结果分析 外形粗壮结实的跟腱由于其拉伸刚度较大，抵抗外力变形的能力也较强。这也正是跟腱之所以能够担负起下肢完成走跑跳等强有力复杂运动的生物材料学结构基础。小腿其他肌腱之间比较拉伸刚度差异不大，应该与其承担的工作量相似有关：拇长伸肌与趾长伸肌主要完成伸踝关节以及伸脚趾运动；胫骨前肌与胫骨后肌主要完成足内翻运动以及维持足弓的内侧纵弓；腓骨长肌与腓骨短肌主要完成足外翻运动以及维持足弓的外侧纵弓；趾长屈肌与拇长屈肌主要完成屈踝关节以及屈脚趾运动。

4.3.2 弹性模量比较结果分析 从数据看，虽然跟腱弹性模量明显小于其他肌腱，表明使其产生单位变形所需要的应力小于其他肌腱。然而考虑到其截面积大，要想使跟腱整体发生弹性变形的应力也会较大。从人体解剖学的结构与功能角度分析，跟腱是由腓肠肌内侧头与外侧头和比目鱼肌三部分肌肉的腱性结构汇合形成，肌肉收缩产生的强大肌力均会作用于这条粗大的肌腱，使其表现出一定的弹性与伸展性满足踝关节进行较大幅度背屈和跖屈运动的需要。本实验所测试的另外8种小腿肌都属于肌腱细长、肌腹较小的肌肉构造，它们需要完成踝关节屈伸、内外翻、屈伸脚趾等多种运动，没有强大的肌肉收缩力使肌腱产生足够的伸展性与弹性，只能依靠自身肌腱弹性较好才能满足需要，故弹性模量较大，应是其生物材料力学的必要保障。此外，趾长伸肌腱、趾长屈肌腱与拇长伸肌腱、拇长屈肌腱弹性模量除了明显大于跟腱外，也明显大于腓骨长肌腱、胫骨前肌腱与胫骨后肌腱。这一现象可能是由于趾长伸肌、趾长屈肌与拇长伸肌、拇长屈肌收缩主要完成的是屈伸踝关节与屈伸脚趾运动，无需其肌腱达到很大弹性即能满足需要，而腓骨长肌、胫骨前肌与胫骨后肌主要具有维持足弓的作用，需要经常承受足内外翻的运动，为防止其运动损伤，需要具有较好的弹性变形能力，才能避免频繁发生运动性损伤。这实际上也是小腿肌腱在人类长期进化过程中表现出来的生物材料力学特征的差异。

5 结论

通过“一维拉伸破坏试验”,确定了小腿肌腱如下生物材料力学特征。

(1)小腿肌腱与前臂肌腱均是以规则致密结缔组织为主构成，故其“应力-应变曲线”也呈现基本相同的特征。

(2)小腿肌腱抵抗最大负荷的能力基本相同；跟腱由于其截面积大，应力呈现分散现象，故极限应力最小。

(3)跟腱的拉伸刚度较大，从生物材料上保证其能够承受踝关节完成高频率、大强度、较大运动幅度的背屈运动。

(4)肌腹强大的肌腱主要通过肌肉收缩力使其产生弹性变形，而肌腹较小的肌腱主要通过自身弹性变形满足承担功能的需要。

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(编辑 孙君志)

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

四川省教育厅基金项目“人体下肢肌腱生物材料力学特征实验研究”(14ZA0252)；国家体育总局·成都体育学院运动医学与健康研究所资助项目。

沙川华，教授，研究方向：运动解剖学。E-mail：809308504@qq.com。

1. 成都体育学院运动医学系，四川成都 610041；2. 四川旅游学院，四川 成都 610100；3. 西昌学院，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