第 6 章：肌腱与韧带的生物力学（Biomechanics of Tendons and Ligaments）

致密结缔组织的结构（Structure of Connective Tissue）

肌腱与韧带是致密结缔组织，前者连接肌肉与骨，后者连接骨与骨，二者均位于关节内外，因此会受到较大的牵张或拉伸载荷。肌腱与韧带为关节在运动和功能中提供稳定性。它们是生物活性组织，损伤、衰老以及关节制动等异常条件都会引起其组成和结构改变，而这些改变又会影响其力学性质以及它们所参与关节的功能。临床工作者若要理解这些结构与力学的改变，才能选择能促进组织正向适应的治疗方案，从而改善关节及整体功能。本章的具体目标包括：描述致密规则结缔组织（尤其是肌腱和韧带）的组分与组织方式；讨论肌腱与韧带对拉伸载荷的力学响应；描述影响肌腱和韧带力学性质的物理因素；描述影响肌腱和韧带力学性质的生物因素；讨论肌腱和韧带对制动与再活动的响应；描述愈合过程中肌腱与韧带的力学性质；描述应力增强对肌腱和韧带力学性质的影响。读者在阅读本章之前应已理解第 2 章所述的黏弹性组织的力学性质。

肌腱与韧带由结缔组织构成。结缔组织赋予并维持身体的形态，在力学上连接并束缚细胞与器官，从而支撑机体。结缔组织通常分为三大类：固有结缔组织（connective tissue proper）、支持性结缔组织（supporting connective tissues）、特殊结缔组织（specialized connective tissues）。支持性结缔组织包括骨与软骨；骨与软骨的组织学与力学性质在第 3 章和第 5 章中讨论。特殊结缔组织包括脂肪组织和造血组织。固有结缔组织又可分为疏松结缔组织和致密结缔组织。疏松结缔组织（也称为蜂窝组织）是肌束膜之间、肌上皮组织周围、神经血管束周围的"填充材料"，非常脆弱，对应力与应变的抵抗能力差。致密结缔组织则柔顺性低、抗应力能力强。皮肤的 dermis 属致密不规则结缔组织，因为其纤维束排列无序、缺乏明确方向。肌腱与韧带归为致密规则结缔组织：纤维束紧密排列、彼此平行，且与最常施加的外力方向平行，因而特别适合抵抗牵引或拉伸力。

肌腱与韧带的组成（Composition of Tendons and Ligaments）

像所有致密结缔组织一样，肌腱与韧带由细胞与细胞外基质两大区室组成。肌腱与韧带中的主要细胞类型是纤维细胞（fibrocyte），处于活跃合成蛋白状态时称为成纤维细胞（fibroblast）。细胞在总体积中仅占约 20%。成纤维细胞制造并分泌构成细胞外基质的各种组分，细胞外基质占总体积的 80%。细胞外基质由纤维（胶原与弹性纤维）和基质（ground substance）构成。基质是填充于细胞与纤维之间空隙的胶状物质，由非胶原性结构糖蛋白（如 fibronectin）、蛋白聚糖（如 decorin、biglycan）和水组成（图 6.1）。肌腱与韧带细胞外基质的纤维组分主要赋予肌腱与韧带白色外观。胶原的强度与钢类似，由成纤维细胞粗面内质网合成，由氨基酸装配为长多肽链，每隔三个残基为甘氨酸。三条多肽链结合构成称为 procollagen 的三螺旋。Procollagen 是一种有机晶体，从成纤维细胞分泌到细胞外基质后，两端被切除形成稍短的分子——tropocollagen。细胞外空间中的 tropocollagen 分子聚合为胶原微原纤维（microfibrils），再依次聚集成 subfibrils、fibrils，最终形成纤维（fibers）（图 6.2）。起初 tropocollagen 分子通过弱的氢键、疏水键、亲水键和共价键相互吸引；一旦聚集成微原纤维，分子内与分子间连接从不稳定向更稳定方向演化；随胶原成熟，连接密度与稳定性均增加，从而导致组织强度与刚度上升。这只是结缔组织中胶原制造过程的简要概述，更详细的描述可见组织学教科书。构成 tropocollagen 的多肽链氨基酸序列并非一成不变，目前已识别出 19 种不同的基因型胶原。肌腱与韧带主要为 I 型胶原（约占干重 70%），含少量 III 型（3–10%）以及 V、X、VII、XIV 型的微量。然而不同肌腱与韧带中胶原类型比例各异：肌腱中 III 型胶原很少，韧带中 III 型比例较高；膝关节交叉韧带中 III 型胶原比例高于内侧副韧带；肉芽组织中 III 型胶原比例极高。胶原类型组成的变化可能影响不同韧带与肌腱的力学行为。

临床相关性——影响胶原的遗传性疾病：Ehlers-Danlos 综合征（EDS）是一种遗传性结缔组织疾病，由 I、II、III 或 V 型胶原缺陷所致。EDS 有多种类型，每种临床表现独特，但所有类型的共同点是：遗传异常导致胶原缺陷、不能正确形成原纤维，从而含缺陷胶原的结缔组织非常脆弱。患者可能出现关节过度活动、半脱位和脱位；其他症状还包括二尖瓣脱垂、胃肠道问题、易于瘀伤以及皮肤伤口愈合缓慢。另一种由编码 I 型胶原的基因缺陷引起的遗传病是成骨不全症（osteogenesis imperfecta）。突变导致胶原三螺旋不能正确形成，从而干扰后续原纤维的形成。临床表现为不同程度的骨质脆弱，产生多次低载荷骨折。

弹性纤维仅占肌腱与韧带纤维组分的一小部分。肌腱中弹性纤维极少；不同韧带中弹性纤维与胶原的比例各异。然而在多数关节韧带中，与肌腱一样，胶原的比例远高于弹性纤维。但椎板间韧带（ligamentum flavum，作为脊柱的层间韧带）含弹性纤维多于胶原。基质即细胞外基质的非纤维部分，由结构糖蛋白、蛋白聚糖和水组成。结构糖蛋白含大分子蛋白组分和少量糖组分，例如 fibronectin、thrombospondin、tenascin-C 和 undulin，在细胞与纤维及其他基质成分的黏附中起重要作用。尽管蛋白聚糖占肌腱或韧带总干重不足 1%，却在功能上起关键作用。蛋白聚糖是大而复杂的分子，含一条蛋白核心，糖胺聚糖（GAG）以共价方式连接到核心上。GAG 是由重复二糖单位构成的线性分子，一端结合到蛋白核心上，向外辐射形成"瓶刷"构型（参见图 5.2）。肌腱与韧带中 GAG 浓度远低于软骨。然而由于其高电荷密度与电荷相互排斥力，蛋白聚糖分子呈刚性伸展，从而有助于肌腱和韧带抵抗压缩与拉伸力。分子的极性吸引并保持水分子在结缔组织内。这一亲水特性有助于维持肌腱和韧带在拉伸力下的延展性。例如湿润的肌腱在牵张力下能轻松伸长，而干燥的肌腱则丧失顺应性。蛋白聚糖的亲水性还使得水溶性分子能快速扩散、细胞能在肌腱或韧带的细胞外基质中迁移。GAG 与胶原纤维之间的连接存在于结缔组织中，对胶原聚集成纤维束以及对组织强度都有贡献。致密规则结缔组织中胶原纤维的卷曲波形（crimp pattern）被认为与 GAG 与胶原的连接有关。肌腱和韧带中常见的 GAG 包括硫酸软骨素（chondroitin sulfate）、硫酸皮肤素（dermatan sulfate）和透明质酸，其中硫酸皮肤素最常见。肌腱与韧带中常见的蛋白聚糖包括 decorin 和 biglycan。

应力与应变的测定（Determination of Stress and Strain）

肌腱与韧带的力学性质通过将组织标本单向拉伸至失效来测定。标本通常为骨—韧带—骨复合体或肌腱。从这些测试中采集数据，通过绘制外加载荷与组织相应伸长量的关系，得到载荷—形变曲线。这些载荷—形变曲线反映了所测组织的结构性质（图 6.3）。如第 2 章所述，载荷—形变曲线可转换为应力—应变曲线，从而以数学方式描述所测肌腱或韧带的力学性质。这些力学性质取决于组织组成、胶原纤维的取向，以及胶原与基质组分之间的相互作用。然而这种测定方法需要取出完整组织，因此所用组织来源包括多种动物模型或在手术中取出的人体组织（例如全膝置换术中切除的退变韧带）。近年来在体（in vivo）的肌腱应变已可通过实时超声扫描方法在人身上测得。这些新方法使研究者能够在人体运动中直接研究衰老、运动等因素对肌腱力学性质的影响。

拉伸应变被定义为单位长度材料在拉伸载荷下的伸长量。其表示式为 strain = (l - l₀)/l₀，其中 l₀ 为施加载荷前的长度，l 为施加载荷后的长度。因此应变无量纲，通常以百分比表示。长度可直接在被分离的组织上测量，方法为在待测区域的软组织上放置标记物；也可使用线性可变差动变压器（LVDT）等装置测量伸长过程中的电压变化，并将此变化换算为对应的长度变化。该方法可在关节运动中以体内方式收集数据，但需用侵入性方法将装置直接贴附到组织上。非侵入性的体内超声方法也被用于在关节运动中测量肌腱伸长、应变和组织刚度，但要求受试者保持静止。拉伸应力被定义为外加拉伸载荷除以肌腱或韧带的横截面积。其表示式为 stress = F/A，其中 F 为外加牵张力的大小，A 为所测材料的横截面积，单位通常为 N/mm²。虽然这种关系简单，但准确确定结构的横截面积可能很困难，可采用从简易卡尺测量宽度与厚度到精密非接触激光等多种方法。这一方法需要从动物模型或手术中废弃的人体组织获取组织样本。肌腱和韧带内的力或应力也可在运动中以体内方式测量，使用置于待测组织中部内部或周围的装置。典型仪器包括 buckle 传感器、光纤传感器及其他可植入式力探头。

肌腱与韧带的应力—应变曲线（Stress–Strain Curve for Tendons and Ligaments）

典型的肌腱或韧带应力—应变曲线绘于图 6.4。该曲线上可识别出五个主要区域，分别称为 toe 区、线性（或弹性）区、渐进失效（或塑性）区、主要失效区和完全失效区。第一个区是 toe 区。该区中应变非常低（1.2–1.5%），且应力随组织伸长的增加非常小。产生 toe 区应变的应力被认为等同于评估者在临床韧带应力测试中所施加的力。在肌腱中，toe 区应力足以使胶原的卷曲波形变直，相当于相应肌肉最大强直收缩所产生的力（图 6.5）。在曲线的线性区或弹性区，伸长随施加载荷继续增加。抗伸长能力即刚度也增加，但应力与应变的关系保持线性。对肌腱拉伸响应的微观与宏观观察显示，超过卷曲拉直所需的载荷后，组织通过胶原纤维彼此之间的滑动而发生伸长。当去除拉伸力时，肌腱或韧带回到预应力下的长度与形状。然而，根据该弹性区形变持续时间，可能需要额外时间才能完全恢复原始预应力长度。这种伸长不能立即恢复的特性即黏弹性物质的滞后（hysteresis）。肌腱与韧带由正常生理运动所产生的应力与应变落在该弹性或线性区，估计可达 6% 应变。膝关节前交叉韧带和内侧副韧带的生理应变范围为 4–5%（表 6.1）。目前的观点是正常运动中肌腱伸长不超过 4%。不同肌腱与韧带的生理应变有差异，同一根肌腱不同区域的生理应变也不同。例如利用光学方法观察正常胫前肌腱的应变行为显示，靠近肌肉区域的应变是肌腱中部或靠近骨区域应变的 5 倍。年轻人髌腱的纤维束也呈现区域性应变差异：肌腱前部纤维束的峰值与屈服应力、弹性模量均显著高于后部。肌腱内部应变随关节位置而变。研究者用不同膝关节位置检查髌腱拉伸应变，发现伸膝位时整条肌腱应变均匀；屈膝时肌腱前侧拉伸应变增加、后侧应变减小。更好地理解肌腱与韧带内部生物力学性质以及应力应变的区域性变化有助于加深对腱病（tendinopathy）和其他微损伤损伤的理解。曲线弹性区或线性区的斜率称为杨氏弹性模量（Young's modulus of elasticity），数值上等于应力除以应变（见图 2.6）。它代表组织对伸长的抵抗能力。斜率陡、模量高时材料呈现高刚度或抗伸长能力强；斜率平缓、模量低时组织更易变形，对拉伸力的顺应性更高（见图 2.7）。曲线的第三个区是渐进微失效区，也称塑性区。从弹性区过渡到塑性区的转折点称为屈服点（yield point）。塑性区的拉伸力足以破坏足够多的胶原纤维与连接，从而导致胶原纤维缓慢散开，应力—应变曲线斜率下降。因此当去除外力后，结构不能完全回到预拉伸尺寸，组织保持永久形变——即使肉眼观察仍正常、完整。该范围内的应力可能发生于造成韧带扭伤的损伤中。被扭伤到此程度的韧带可能保持过度拉伸或松弛，导致关节不稳与再损伤。当超过塑性区后，曲线斜率显著变平，这就是主要失效区。肌腱或韧带仍保持完整，但结构出现可见的变细或颈缩（图 6.5）。该区可能出现无需额外力即可发生的材料伸长。该阶段之后是完全失效。失效点处的应力与应变分别称为极限应力（ultimate stress）与极限应变（ultimate strain）。在生理载荷下肌腱受拉伸应变最高约 6%。当急性应力引起 8% 或更大的伸长时，肌腱或韧带很可能发生断裂，具体取决于特定结构与加载方式。这些是肌腱或韧带组织的性质，因而只有在失效通过韧带或肌腱组织本体时才能确定。然而肌腱或韧带的最终失效可以以三种不同方式发生：组织本体撕裂（rupture）、附着点（enthesis）失效，或将骨附着的一部分拉脱（撕脱骨折，avulsion fracture）。

失效方式（Modes of Failure）

不同肌腱与韧带的失效性质各异，并可能受若干因素影响，包括年龄或骨骼成熟度、不同韧带与肌腱的结构差异，以及所施拉伸力的速度或速率。韧带的失效方式尤其取决于年龄或骨骼成熟度。例如动物实验中膝关节侧副韧带在骨骺开放者中以胫骨撕脱方式失效，而在骨骺闭合者中以韧带本体断裂方式失效。韧带或肌腱内部结构差异以及它们与骨附着方式的差异也会影响失效方式。例如动物实验中膝关节侧副韧带通常以本体中部断裂方式失效，而前交叉韧带（ACL）以胫骨撕脱方式失效；髌腱则从髌骨下极撕脱。然而临床观察显示，人类膝关节韧带损伤通常以韧带本体中部断裂方式失效。因此除不同肌腱和韧带差异外还存在物种差异。

物理条件对力学性质的影响——拉伸速率与温度（Effects of Physical Conditions on Mechanical Properties: Strain Rate and Temperature）

肌腱与韧带的生物力学性质以及对拉伸力的响应受物理条件影响。其中研究较多的两个条件是拉伸力施加的速度（或速率）以及拉伸时结构的温度。

拉伸速率的影响：拉伸速率或应变率对肌腱与韧带生物力学性质的影响已被研究和争论多年。对人肌腱和韧带的研究表明拉伸速率对应力—应变曲线有影响。曾有观点认为损伤时所发生的应变率会影响所产生韧带损伤的性质。例如施力速率增加时，刚度和极限载荷也增加，失效更可能以断裂方式发生；反之低速时失效以撕脱为主。然而来自更新的研究提示应变率的影响被高估。在低、中、高三种拉伸速率下测试韧带显示相似的生物力学响应：在慢与中速率之间弹性模量仅有微小差异，而快速拉伸时弹性模量仅高 30%。与之一致的是，肌腱的弹性模量与极限拉伸强度随应变率增加仅有中等程度的增加。韧带中失效方式（撕脱与本体断裂）与应变率无关，而取决于年龄与骨骼成熟度。骨骺开放动物中无论应变率大小均以撕脱方式失效，而骨骺闭合动物中则以韧带断裂方式失效。

温度的影响：温度对胶原的分子与力学性质有重要影响。当无约束的肌腱或韧带被加热至 59–60°C 时，会发生不可逆的收缩。该临界温度称为熔解温度（melting temperature），推测是维持胶原纤维结构与组织的化学键被破坏所致。

临床相关性——用热稳定肩关节：在年轻活跃人群中，肩痛的一个常见原因是关节囊损伤导致的关节不稳。肩不稳一旦出现，再损伤率很高，因而可能需要手术干预以恢复关节稳定性和重返活跃生活方式。开放式手术重新拉紧松弛韧带需要较长的愈合与康复时间。因此发展出热关节囊皱缩术（thermal capsulorraphy），用热能使松弛的关节囊与韧带收缩、恢复关节稳定性。激光或射频（RF）电热探头产生的热能引起胶原变性、破坏共价分子键，产生致密的胶原卷曲从而缩短组织长度。组织缩短量随热能、组织温度和应用时间的增加而增加。关节镜下施加热能（55–65°C）常用于产生组织缩短及伴随的组织学改变。生物力学分析表明盂肱关节热关节囊皱缩术减少了肱骨头在关节盂上的平移并恢复肩关节内压力。然而热处理后韧带的极限与屈服应变增加，组织刚度下降。缩短后韧带的失效载荷也降低。接受此治疗的患者和其治疗师必须在术后保护被处理关节免受过大的拉伸载荷以使缩短组织愈合并恢复强度。研究者对热处理后韧带每 3 周进行一次破坏性测试直至 9 周，发现最高失效载荷出现于处理后第 3 周——即处理后第 3 周缩短韧带最强。然而处理后第 9 周，那些同时被制动的热缩短韧带显著弱于处理后第 3 周，也弱于允许活动的那些。完全制动似乎对愈合韧带产生负面影响，然而再活动的理想时机仍有争议。其他采用热皱缩治疗的关节不稳还包括慢性外踝不稳和用于复发性髌骨不稳的内侧髌支持带。

热过渡（thermal transition）这一较温和的温度升高范围为 37–40°C。当肌腱和韧带中胶原被加热到热过渡温度范围时，结构的黏弹性性质发生变化，包括应力松弛、蠕变速率以及断裂应变和断裂载荷。当肌腱在载荷—形变研究中处于张力下时，应力松弛在 37°C 之前与温度无关；超过该温度后应力松弛随温度增加而增加（图 6.6）。应力松弛恢复也具有温度依赖性。例如将加热到 37°C 并承受 1%–4% 应变的肌腱冷却时，它们恢复到原始应力。然而加热到 40°C 的肌骨这种改变不可逆。加热肌腱至热过渡温度也增加蠕变速率。即在拉伸载荷作用下达到给定应变所需时间缩短（图 6.7）。热处理肌腱在循环拉伸与恒载下均表现出蠕变速率增加；两种加载条件下热处理引起的蠕变速率增加幅度相近。肌腱的断裂载荷与应变也受加热影响。例如加热至 40°C 的肌腱其断裂应变仅为 3–4%，而低于 37°C 温度下肌腱的断裂应变为 8–14%。这些结果支持 40°C 加热可对胶原产生结构损伤的结论。此外肌腱被加热后若在维持拉伸载荷下冷却，其断裂应变低于冷却过程中不维持载荷者；提示冷却过程中处于伸长位抑制了结构键的重建，从而结构性地削弱了肌腱。这些结论来自对大鼠尾腱进行的体外研究以及犬腱的研究。较新的一项体内研究检查将年轻男性腿部浸入 5°C 或 42°C 水 30 分钟的效果，未发现其跟腱应变行为改变。这些结果提示一般的浅表加热或冷却剂应用可能不影响肌腱的力学性质。

临床相关性——用加热改善关节活动度：临床工作者常面对关节活动度受限、影响功能活动的患者。关节受限可由肌肉内、关节囊内以及肌腱韧带内的致密结缔组织造成。增加关节活动度的治疗通常集中于增加因制动或愈合而缩短的致密结缔组织长度。治疗需施加拉伸力。可产生拉伸的方法包括短暂高强度方法，如关节松动术或徒手骨动学拉伸，以及使用夹板、石膏或其他装置的低载荷、长时间拉伸技术。增加结缔组织延展性有助于以上任一拉伸技术的实施。上面描述的研究表明将致密结缔组织加热到约 40°C 会影响 tropocollagen 分子间的连接，从而引起延展性增加。热处理后致密结缔组织增加的蠕变速率与应力松弛应有利于拉伸技术的有效性。预热或拉伸同时加热使临床工作者能以较小的力在缩短的结缔组织中产生伸长，从而降低损伤愈合或邻近组织的风险。然而加热也使断裂载荷与应变降低。当超过 2% 应变后胶原开始屈服。由于热处理结缔组织的失效载荷显著低于未热处理者，对热处理结缔组织施加拉伸力时临床工作者必须仔细监控拉伸力的大小以避免组织意外撕裂。另一项临床考虑是如何在目标组织中实现所需温升。产生组织延展性增加所需的 40°C 指的是胶原温度而非体表温度。临床所用多数加热方法需将热能透过皮肤以及可能覆盖的肌肉与脂肪才能到达目标组织，临床工作者必须了解所选加热方法的穿透深度。穿透深度较浅的加热方法如湿热敷可能达不到所需的胶原温度，因肌腱和韧带等致密结缔组织结构位于其下肌肉的深部，加热不足会影响治疗效果。

生物因素对力学性质的影响——成熟、衰老与激素（Biological Effects on Mechanical Properties: Maturation, Aging, and Hormones）

肌腱与韧带的生物力学性质受若干生物因素影响。本章讨论的生物因素包括骨骼成熟度、衰老、性别与激素。

成熟与衰老的影响：骨骼成熟与衰老对韧带与肌腱的生物力学性质有显著影响。一般来说，拉伸强度、失效载荷和弹性模量在成熟期（直至骨骼成熟即骨骺闭合）期间快速增加。年轻动物对静态与循环载荷的应力松弛与蠕变也较大，并随成熟而改善。组织最大强度在骨骼成熟前后达到，其后在成年期和衰老期逐渐下降。因此非常年轻与年老动物的韧带和肌腱所能承受的最大拉伸载荷低于年轻和中成年动物。此外除对韧带力学性质的影响外，成熟过程还改变由拉伸载荷引起的失效方式。骨骺开放的年轻动物中最常发生的失效机制为骨撕脱骨折。骨骺闭合的成熟动物中韧带失效更可能以本体中部断裂方式发生。生化与组织学的改变也发生于成熟与衰老过程中，可能解释与衰老相关的一些力学变化。成熟过程中胶原原纤维尺寸增加，胶原浓度与合成均高于成年。在骨骼成熟前有更多未成熟的可还原胶原交联，对应于胶原合成；成年动物中含较高比例的更稳定的 pyridinoline 交联。成年韧带的力学优势可能与主要胶原交联类型的转变以及原纤维尺寸增大有关。老化的肌腱与韧带胶原浓度降低、小直径胶原原纤维数量增多。此外 V 型胶原作为已知的胶原原纤维直径调节因子出现在老化肌腱与韧带中，年轻动物中不出现。其他体外分析显示老化肌腱中衰老还与胶原原纤维卷曲角减小、弹性纤维含量增加以及细胞外水分与蛋白聚糖含量降低相关。这些变化的净效应是老化肌腱刚度下降。虽然多数结果来自动物模型研究，人体组织研究也证明了老化肌腱与韧带的力学劣势。例如年轻人（22–35 岁）ACL 标本的刚度、极限载荷和弹性模量约为老年人相应值的三倍。术中取得的人前后脊柱韧带显示拉伸强度与年龄之间存在强烈的负相关关系。老年人的髌腱也显示更明显的顺应性和刚度丧失。然而近年的动物与人体研究均表明低或中等强度抗阻训练所引起的肌腱与韧带刚度随衰老而下降可被减轻、甚至逆转。

临床相关性——抗阻训练对老年肌腱强度与刚度的维持：希望继续运动的老年人常因肌骨应变损伤而受阻，至少部分源于衰老结缔组织力学性质的退化。抗阻训练对维持肌腱与韧带刚度与抗伸长能力的保护效应可降低肌腱应变损伤的可能性。此外由于肌腱是连接肌肉与骨的结缔组织结构，它们能影响肌肉收缩力的传递速度。抗阻训练诱导的肌腱刚度增加与关节力矩的更快产生相关。需要快速产生关节力矩的功能性活动（如失衡恢复以及运动活动）也可能因抗阻训练而改善。因此抗阻训练给老年人带来的益处不仅是肌肉力量增加。

临床相关性——衰老对肌腱与韧带功能能力的影响：肌腱与韧带帮助维持关节稳定性。随衰老肌腱与韧带承受拉伸载荷的能力下降，导致在功能活动中重复或高载荷下稳定关节的效果变差。关节不稳可能导致运动时关节力学异常。这种关节力学的改变可能对关节结构施加过度应力、引起退行性关节疾病。

激素的影响：激素也能影响致密结缔组织的力学性质。垂体的促肾上腺皮质激素（ACTH）与肾上腺皮质的 cortisone 都能降低结缔组织细胞外基质的 GAG 含量。过高的皮质醇水平也减少 I 型胶原的合成。这两种效应均降低结缔组织强度。另一种激素——松弛素（relaxin）于妊娠期产生，可软化并增加骨盆韧带的延展性。女性性激素 estrogen 也可能在决定韧带拉伸性质中起一定作用。观察到女运动员比男运动员更多发生 ACL 损伤的现象，使一些临床工作者与研究者假设 estrogen 在决定韧带强度中起作用。功能性 estrogen 和 progesterone 受体已在兔和人的韧带中被发现。此外兔 ACL 在体外与 estrogen 培养后细胞行为发生改变，包括 I 型胶原合成的下调（转录减少）。激素浓度的变化也影响韧带的力学行为。例如循环 estrogen 浓度升高与兔 ACL 拉伸性质降低相关。这一发现促使他人尝试找出月经周期阶段与 ACL 损伤发生率之间的关系。然而近期一项研究显示在任何三个月经周期阶段中、无论运动前后，ACL 韧带松弛度均无显著差异。此外一项设计良好的对照研究在动物模型中检查 estrogen 与 estrogen 受体对膝韧带力学性质的影响，报告 estrogen 处理对 MCL 或 ACL 的黏弹性或拉伸性质无显著效应。因此 estrogen 似乎不太可能在解释女性高发 ACL 损伤中起重要作用。

制动与再活动对正常结缔组织的影响（Immobilization and Remobilization of Normal Connective Tissue）

关节活动度降低对骨与软组织均有显著影响。Wolff 定律描述了机械应力对骨重塑的作用。该定律常被改述为对外部负荷改变适应（SAID, specific adaptation to imposed demand）原则，用以解释肌腱与韧带等软组织对外部负荷改变的重塑反应。关节制动（石膏或钢针）是研究肌腱和韧带应力减少效应的常用方法。该模型既能检查正常软组织反应，也能检查已受伤且在愈合中的软组织反应。理解制动对愈合结缔组织的影响显然重要，因为许多肌腱与韧带损伤都需以休息与制动治疗。临床工作者需决定何时开始运动以及多少运动量有助于关节活动而又不对愈合组织产生负面影响。然而正常结缔组织也可能被制动。例如手术后卧床或疼痛可能导致关节活动受限。神经肌肉疾病如脑卒中或脊髓损伤也可能造成肌肉瘫痪、乏力或疼痛从而丧失关节活动度。理解制动对愈合和正常关节结构的影响对提供有效安全的康复治疗很重要。

关节制动减少了肌腱与韧带在关节运动中正常承受的拉伸力，从而改变关节结构的生物力学性质。这些改变包括失效载荷降低、刚度和弹性模量降低、失效载荷下伸长增加（图 6.11）。此外在失效测试中以插入点撕脱而非本体中部撕裂失效的频率在制动韧带中显著增加。这与骨膜下破骨细胞活性增加从而引起骨膜下骨吸收有关。生化与组织学改变也发生于制动肌腱与韧带中，可能有助于解释生物力学变化。胶原合成与降解均增加，从而胶原代谢加快。该增加具有时间依赖性。例如当制动限于 9 周时，胶原代谢加快但总胶原量不变；当制动延长至 12 周时，胶原代谢加快导致胶原量减少或萎缩。经历长时间关节制动的韧带也显示胶原纤维取向紊乱以及纤维尺寸改变，这些变化可能导致组织失效载荷与刚度降低。胶原交联也受制动影响。化学分析显示制动致密结缔组织中胶原交联总量增加。然而最大增加出现于与新合成胶原相关的交联比例，表明存在更多未成熟胶原。制动期间含水量与总 GAG 下降，这些丢失可能与制动致密结缔组织结构中结缔组织挛缩的发展有关。关节位置在制动期间影响肌腱与韧带生物力学变化的性质。例如韧带在一定张力下制动比无张力制动对拉伸性质的损害更小。制动关节中将肌腱维持在缩短位会出现胶原纤维紊乱；然而将关节重铸于肌腱被拉长的位置可逆转纤维紊乱。因此在韧带与肌腱中，制动期间维持拉伸载荷对生物力学性质的下降提供一定保护。不进行关节制动的应力屏蔽实验也显示张力对维持组织强度的保护作用。在这些研究中髌腱在动物允许使用全膝关节活动范围与负重的同时被完全（100%）或部分（70%）屏蔽拉伸载荷。应力屏蔽 2 周后骨—腱—骨复合体被加载至失效。虽然所有应力屏蔽肌腱均显示失效载荷降低，但保留部分拉伸应力的肌腱受影响小得多（图 6.12）。幸运的是与关节制动相关的有害组织学、生化和力学改变是可逆的。重新对组织施加正常应力可恢复正常结构与功能。然而完全恢复复合体的生物力学特性所需时间可能比产生不良改变所需时间更长。力学性质恢复也因特定结构与不同物种动物而异。例如灵长类动物 ACL 在制动 2 个月后需要 5 个月再活动才可恢复约 80% 极限失效载荷；12 个月恢复后韧带强度仍仅为制动前约 90%（图 6.13）。兔内侧副韧带复合体在制动 12 周后需要 9–12 周再活动才能恢复韧带大部分生物力学性质；然而插入点对恢复更具抵抗力，需要 3–4 个月增加活动才能逆转制动的有害效应。一般来说相对短暂的应力剥夺需要较长的恢复时间。过去确定组织力学性质的方法学所限，上述制动与应力屏蔽效应研究均使用了多种动物模型——从大鼠到灵长类。超声扫描的最新进展已能在体内评估失用对某些完整人体肌腱力学性质的影响。利用该方法短期（20 天）与长期（90 天）卧床研究显示肌腱刚度分别降低约 30% 与 40%。肌腱对丧失正常机械载荷的适应反应也通过对长期（1.5–24 年）脊髓损伤（SCI）患者瘫痪肌肉的肌腱测量其刚度与弹性模量来研究。研究者报告 SCI 受试者肌腱刚度与弹性模量比健康年龄匹配对照低 77%。虽然瘫痪肌肉中肌腱长度得以维持，但横截面积（CSA）减少 17%。这一与非瘫痪制动肌肉维持 CSA 不同的现象对使用电刺激方案的 SCI 患者具有安全意义。

临床相关性——制动期间及之后的治疗：临床工作者在为因任何原因被制动的关节的患者治疗时必须考虑这些生物力学变化。在制动期间对受影响的韧带与肌腱施加安全的拉伸载荷可减少结缔组织萎缩与力学完整性丧失，否则可能发生。这可通过非常简便的方法实现，例如让患者进行被制动肌肉的等长收缩以施加载荷于被制动的肌腱，或者通过活动那些功能上未使用的关节的活动范围。临床工作者在对延长制动后的关节结构进行运动再活动施加力时也必须谨慎。制动的结缔组织可能已在制动期间发展出挛缩。因此临床工作者常选择治疗技术以拉伸或延长缩短的组织。这些技术涉及施加拉伸载荷试图延长受限的关节结构。除了被缩短之外这些组织以及它们的骨插入点在拉伸载荷下可能更弱、更易破坏。因此为了避免意外损伤，治疗制动后缩短的结缔组织时谨慎的做法是选择施加低载荷、长时间拉伸而非短暂但强烈或高载荷的拉伸技术。

制动与活动对愈合中结缔组织的影响（Immobilization and Mobilization in Healing Connective Tissue）

肌腱与韧带的愈合分四个相互重叠的阶段。第一阶段为出血期，缺口被血凝块填充，淋巴细胞和白细胞扩大炎症反应。第二阶段为炎症期，巨噬细胞成为主导细胞类型。它们分泌生长因子诱导新血管形成和肉芽组织生成。巨噬细胞还对成纤维细胞有趋化作用并刺激其增殖以及合成 I、III、V 型胶原和非胶原蛋白。最后出现的细胞类型是成纤维细胞。这一事件标志愈合第三阶段即增殖期的开始。在此阶段成纤维细胞产生胶原和其他基质蛋白，通常发生于损伤后 1 周内。最后阶段为重塑与成熟期，特征为愈合组织细胞数量逐渐减少。基质变得更致密、纵向排列。胶原代谢、水含量、I 型与 III 型胶原之比以及各种胶原交联之比开始接近正常水平。在愈合最后阶段各种生化与力学信号对促进重塑过程至关重要。张力或生理载荷是触发愈合韧带恢复正常拉伸强度及其他生物力学性质所需变化的重要信号。某些生长因子也影响愈合并促进强度的恢复。愈合组织持续成熟数月但可能永远达不到正常形态学特征或力学性质。恢复正常组成、组织和拉伸强度的程度因个体内部不同结构以及不同物种而异。例如膝关节中 ACL 在断裂后不愈合而侧副韧带能愈合。此外肌腱与韧带愈合远慢于皮肤伤口。组织间愈合时间的差异由多种原因造成，包括组织血供量以及组织获得营养和清除代谢物的方式。愈合肌腱与韧带的生物力学测试显示，正如被制动的正常韧带一样，愈合的致密结缔组织呈现较差的应力—应变特征，包括较低的失效载荷与降低的刚度（较低弹性模量）。愈合肌腱与韧带呈现直径较小的胶原纤维、较高比例的 III 型胶原以及较高比例的可还原交联，提示存在未成熟胶原。关节制动与自由关节运动对肌腱和韧带愈合的影响已被研究以确定最有利的治疗方法。多年来愈合肌腱与韧带的临床处理包括用石膏或夹板长时间保护以避免拉伸载荷。当前实践集中于愈合期间的早期活动，因为长期保护肌腱和韧带伤口免受应力不利于正常强度与应力—应变特征的恢复。在生理范围内立即引入修复后运动比延迟活动或延长制动产生更强的愈合。此外与延迟活动相比早期活动可使愈合结缔组织愈合更快、减少瘢痕粘连。随着被归类为老年的人群比例增加、更多老年人选择手术治疗肌骨损伤而非降低活动水平，临床工作者需要关于衰老对肌腱与韧带愈合影响的专门知识以作出正确的临床护理决策。许多研究描述了衰老在皮肤伤口愈合中的有害影响；然而肌腱与韧带在老年人中的愈合知之甚少。有趣的是至少有一项使用健康老年兔的动物研究显示老年动物（4.8 岁）愈合肌腱的生物力学性质与年轻（1 岁）兔相当。似乎年龄对愈合髌腱修复的生物力学性质无负面影响。事实上老年兔肌腱伤口愈合瘢痕的拉伸强度与年轻兔肌腱瘢痕强度相当。然而需要更多研究以确定肌腱与韧带愈合过程之间的相互作用、老年人中通常存在的已知影响愈合的合并因素（如糖尿病、营养不良和吸烟）以及运动对老年人肌腱与韧带生物力学性质的影响。

临床相关性——肌腱修复的早期活动：手部原发性肌腱修复术后最常用的处理方法使用早期被动活动。在愈合的炎症期与早期成纤维细胞期（术后前 3 周），修复肌腱被保护免受主动运动。然而在手与腕各关节处于使修复肌腱免受过张力或伸长应力而可能使修复部位破裂或衰减的位置下，每个手指关节被动活动至全范围。在愈合前 3 周中受这种被动运动作用的愈合肌腱比制动肌腱强 2–3 倍。事实上制动 3 周的修复肌腱并不比刚缝合时更强。生长因子也影响肌腱与韧带愈合的结果。内源性生长因子与生长因子受体在韧带损伤后前 2 周增加。这一观察促使研究者向愈合韧带中加入选定生长因子。当外源性生长因子如血小板衍生生长因子-BB 与转化生长因子 1 被单独施加于愈合韧带时，拉伸强度与刚度显著增加。该效应在损伤后 24 小时内施加时最大。虽然生长因子处理的愈合韧带比未处理愈合韧带更强，但其拉伸强度仍未接近未受伤韧带。随着临床应用的出现，仍需继续研究生长因子促进与增强肌腱和韧带愈合的效果。

临床相关性——肌腱和韧带撕裂的治疗：并非所有肌腱和韧带以相同方式愈合。已比较了膝关节侧副韧带与交叉韧带以及关节外与关节内移植物治疗肌腱损伤的愈合能力。膝关节内侧副韧带孤立性损伤无需手术干预可可靠愈合。相反交叉韧带断裂后几乎无愈合可能。因此当交叉韧带撕裂引起功能性关节不稳时通常使用结缔组织移植物进行韧带重建。关于前交叉韧带重建的临床文献综述报告约 30% 术后松弛发生率。有人担忧康复期间的过度载荷可能促成韧带移植物的延长。因此理解韧带移植物随时间的蠕变性质以及关节制动与活动对这些性质的影响对临床工作者很重要。兔的内侧副韧带自体移植物比正常内侧副韧带对照更易蠕变。此外愈合期间制动移植物会增加移植物对蠕变的脆弱性。移植物随时间可能因无法从所施加的蠕变应变中恢复而发生渐进延长，相比之下正常韧带可恢复。因此前交叉韧带重建术后康复方案多采用早期活动而非延长制动。此外为了防止蠕变随时间累积，临床工作者需理解术后训练对韧带与移植物应变的影响。可能增加肌力的训练可能对韧带移植物施加过度应变从而可能因移植物蠕变而导致韧带不稳复发（表 6.1）。

应力增强对肌腱与韧带的响应（Response of Tendons and Ligaments to Stress Enhancement）

由于制动与应力降低对肌腱与韧带具有有害的生物力学效应，研究者开始关注运动与应力增强对致密结缔组织的影响。旨在确定运动是否影响正常肌腱与韧带的研究识别出对韧带、肌腱以及它们插入部位的强度的一些正面效应。例如经过耐力训练方案后训练动物具有较小直径的胶原纤维束、较高的胶原含量、增加拉伸强度和较高的失效极限载荷。进行非耐力训练的动物未显示这些适应性。然而更新研究的结果显示终生的耐力训练方案（420–557 周训练）对正常成年动物的内侧副韧带的生物力学性质几乎没有影响。因此似乎运动只能防止不活动的削弱效应而不能强化正常肌腱与韧带。所有这些研究的一个缺点是运动实际施加于肌腱与韧带的载荷量未知。本章前面讨论的研究（参见成熟与衰老的影响）显示低与中等强度抗阻训练可减轻甚至逆转衰老所致的肌腱刚度丧失。然而有氧耐力训练即使在体外研究——对肌腱外植体施加循环拉伸应变可上调胶原合成并在拉伸载荷停止后保留新合成的胶原——也对衰老肌腱无相同保护效应。这些发现非常有趣，但需要更多研究以发展临床应用。除通过运动改变肌腱与韧带拉伸载荷外，肌腱与韧带的应力增强也通过部分切除组织的方法在动物中研究。例如通过切除兔髌腱两侧边缘，剩余肌腱的横截面积减少，正常活动时（力不变但横截面积减小）剩余肌腱承受更高应力。对经历该方法应力增强的动物肌腱进行的生物力学测试显示，当应力升高至高于正常 33% 时实验肌腱（横截面积减少）与对照（正常）肌腱的拉伸强度无显著差异。有趣的是这些应力增强肌腱的横截面积在 6–12 周内恢复正常。然而当应力升高 100% 时，虽然所有肌腱横截面积逐渐增加，肌腱的反应并不完全一致。一组应力增强肌腱（A 组）显示应力—应变行为无变化、组织学无差异且拉伸强度变化小。然而另一组应力增强肌腱（B 组）显示拉伸强度和刚度下降以及组织学改变，包括成纤维细胞数量增加和胶原束断裂（图 6.14）。这些结果表明膝关节肌腱与韧带似乎能在一定范围内适应过载（小于 100% 过载），但当应力超过该极限时不能适应。

临床相关性——髌腱移植物：髌腱中三分之一常被用作 ACL 重建手术的自体移植物。剩余肌腱承受股四头肌收缩与负重引起的拉伸载荷。患者通常不会因髌腱减少而出现股四头肌功能困难；但偶尔患者发生髌腱炎。这可能与易感肌腱的过载有关。

小结（Summary）

肌腱与韧带为关节提供被动与动态稳定性。它们是胶原性结构，其分子与大体结构被设计为抵抗拉伸载荷。物理与生物条件的改变会改变组织的生化组成、组织学结构与组织方式以及生物力学性质。这些改变可通过物理方式（如分子间键断裂）或生物方式发生。通过生物方式发生的改变称为重塑。重塑期间各种因素影响组织内的成纤维细胞，引起细胞反应从而改变细胞外基质的组分以及其对载荷的响应方式。引起肌腱与韧带生物力学性质退化的因素包括制动、衰老、愈合与应力屏蔽。在制动与愈合期间施加生理载荷可减少生物力学性质的退化量。正常韧带能在一定范围内（约高于正常 133%）承受增加的应力载荷，超出该范围后过载韧带的生物力学性质下降。维持肌腱和韧带的正常生物力学功能对确保正常关节运动学与功能活动中对载荷的耐受性很重要。

本章个人批注

本章在第 5 章软骨的"流体+固体"双相框架之外给出了结缔组织的"生化-层级结构-力学"框架。软骨那章强调液体流动与时间响应，本章则强调胶原层级（tropocollagen → microfibril → fibril → fiber）、胶原类型（I vs III）、卷曲波形以及它们与应力—应变曲线各区段的对应关系。这种从原子到尺度的层级思维让我重读软骨那章时意识到：第 5 章的"胶原网"约束蛋白聚糖的膨胀，本质上就是本章所讲的 collagen-GAG 连接（crimp pattern attributed to GAG-collagen attachments）在另一尺度的体现。两个章节虽然在主题（载荷形式：压缩 vs 拉伸）上互补，但在结构-性质逻辑上是同一套思路——组织的力学性质取决于其组分组装层级与各组分之间的相互作用。力学性质—组成关系章节（第 5 章）与本章的"成熟与衰老改变胶原浓度/类型/交联从而改变力学性质"段落则把这条逻辑推到时间维度。另一个值得对比的是温度对两者的影响都很大，但机制不同：软骨是温度改变流体黏度（推测），肌腱是温度直接破坏胶原三螺旋的氢键（melting temperature）。从中我体会到"温度"在生物力学中不是统一的概念——它可以改变流变行为，也可以改变分子结构。

有几个数据点让我印象深：(1) ACL 在低、中、高应变率下力学响应相似，只是快速拉伸时弹性模量仅高 30%——这与教材早先章节对骨的应变率敏感性形成对比；(2) 加热到 40°C 肌腱断裂应变从 8–14% 降至 3–4%，约减一半，提示即使"温和"温度变化也显著改变胶原结构稳定性——这一点对临床使用透热法（diathermy）加热的温度阈值有指导意义；(3) 老年 ACL 标本刚度仅为年轻对照的三分之一，而抗阻训练至少能部分逆转——把衰老与运动适应联系起来而非孤立看待；(4) 应力增强实验中 33% 过载几乎不影响肌腱强度，而 100% 过载则使一组肌腱强度下降——说明组织对过载有"阈值响应"而非线性响应，这对理解 tendinopathy 的发生机制（重复微过载）有用。

本章的临床相关性栏大多与肩关节（thermal capsulorraphy）、膝关节（ACL 重建术后康复、髌腱炎）和手（早期被动活动肌腱修复）相关，但并未涵盖脊柱韧带、足底筋膜等"看不见"的致密结缔组织损伤——这反映了本章的临床重点偏上肢/膝而省略下肢远端。这并不削弱其理论价值，但临床引用时需注意。

与上下章的衔接（一段话）

本章是 Part I（生物力学原理）"结缔组织力学"系列的第二篇，紧接第 5 章软骨之后。第 5 章讨论透明软骨的压缩双相行为与润滑，本章则在主题上向拉伸载荷转移，重点放在肌腱与韧带——这两种胶原性结构在功能上承担"被动稳定 + 动力传导"角色，与软骨承担的"低摩擦承载面"角色形成互补。把肌腱韧带放在软骨之后，作者似乎想传达：理解关节力学必须理解构成关节的所有承力组织——不仅是两端的骨（第 3 章）和骨端的软骨（第 5 章），还有跨越关节连接骨与骨的韧带与连接肌肉与骨的肌腱。结构上本章从层级结构 → 应力—应变曲线 → 物理/生物因素 → 制动/愈合 → 应力增强，遵循"是什么 → 表现如何 → 受什么影响 → 怎么适应"的递进，与第 4 章肌骨肌和第 3 章骨的写法在结构上相似。后续章节（第 7 章关节的生物力学及之后各章身体各部位）将应用本章与前几章建立的生物力学原理到具体关节——因此本章是后续关节分析（肩、肘、腕、脊柱、髋、膝、踝、足）反复引用的工具箱。