膝关节制动对髌韧带力学特性影响的实验研究
作者：倪国新 成海平 吴宗耀
单位：倪国新(南京军区总医院 康复医学科，南京 210002)；成海平(第三军医大学 西南医院 生物力学实验室，重庆 400038)；吴宗耀(第三军医大学 西南医院 康复中心，重庆 400038)
关键词：制动；髌韧带；力学特性
生物医学工程学杂志990309 摘要 探讨膝关节制动对髌韧带力学特性的影响。我们将兔膝关节伸直位制动6周，然后对制动前后髌韧带的本构方程、极限强度、弹性模量、极限载荷等力学特性进行研究。结果显示：正常组与制动组间髌韧带的应力-应变关系理论曲线有明显不同，其材料常数亦有显著差异；制动组髌韧带的极限强度和弹性模量较正常组均有明显下降，其极限载荷下降不明显。上述结果表明膝关节制动使得髌韧带所受应力下降，为适应这种改变，组织将进行重塑，从而导致其力学特性的改变。
Effects of Immobilization on the Mechanical Properties
, 百拇医药
of Rabbit Patellar Tendon
Ni Guoxin1 Cheng Haiping2 Wu Zongyao3
1 (Department of Rehabilitation Medicine, Nanjing Military General Hospital, Nanjing 210002)
2 (Laboratory of Biomechanics, Southwestern Hospital, The Third Military Medical University, Chongqing 400038)
3 (Rehabilitation Center, Southwestern Hospital, The Third Military Medical University, Chongqing 400038)
, 百拇医药
Abstract The aim of this study was to evaluate the effect of immobilization on the mechanical properties of rabbit patellar tendon(PT). IN this study, the rabbit knee was immobilized in extenison for 6 weeks, then the mechaincal properteis of PT were investigated. The results showed that the stress-strain realtionship of PT could be expressed with exponential functions, and there were significant differeces between the normal group and the immobilized group in their theoretical curves of stress-strain relationship and two material constants of PT.Also, significant differences were found in tensile strength and tangent modulus between the two groups, but the maximum load of PT in the immobilized group did not decrease significantly. On the basis of the findings listed above,it is believed that PT would remodel and change its mechanical properties in response to the changes of mechanical stress exerted on it when the knee is immobilized.
, http://www.100md.com
Key words Immobilization Patellar tendon Mechanical property
1 前 言
制动是骨关节病损的常用治疗手段。制动时，由于骨关节周围组织所受的应力下降，最终将导致其力学特性的改变。以往关于膝关节制动对交叉韧带、侧附韧带等组织力学特性影响的研究已有大量的报道，如Woo等[1]将兔膝关节屈曲制动9周后发现：股骨-内侧附韧带(MCL)-胫骨组合体的极限载荷下降约60%，MCLL的弹性模量下降44%。然而膝关节制动对髌韧带(patellar tendon, PT)力学特性影响的研究还未见报道。本实验在兔膝关节伸直位制动6周后，对其髌韧带本构方程、极限载荷、弹性模量、极限强度等力学特性的变化进行了探讨。
2 材料和方法
2.1 实验动物分组及模型制备
, http://www.100md.com
20只新西兰大白兔，雌雄不拘，兔龄5±个月，体重2.2± kg。由第三军医大学实验动物中心提供。
2.2 实验分组
实验动物随机均分为正常组(Normal group)和制动组(Immobilized group)；每组10只，以左后肢作为试验侧。将制动组兔的左后肢从腹股沟到趾头行石膏管型固定，膝关节伸直180°位，踝关节背屈60°位，共制动6周。
2.3 实验方法
用空气栓塞法处死动物，分离试验侧膝关节，剥离肌肉、筋膜等组织，迅速获取髌骨-髌韧带-胫骨组合体标本。标本取出后，首先用游标卡尺测量髌韧带在无应力状态下的初始长度，测量标志为：髌韧带的髌骨远端至其胫骨附着处近端之间的距离，共3次，求平均值。参照Yamamoto等[2，3]的方法，使用软组织截面面积微测仪测量髌韧带的截面面积。将组合体固定在特制的夹具上，髌韧带长轴方向与胫骨成45°，以使髌韧带长轴与其胶原纤维的走向基本一致[2，3]。然后再把夹具固定在CS-1102C型电子万能试验机上，使试件的纵轴与其受力方向相一致。整个试件与夹具都浸泡在特制的恒温水箱中，其中充满0.9%的NaCl溶液。将水箱温度调至(37±0.5) ℃，待试件浸泡10 min后，以5 mm/min的加载速率、在0～5 MPa应力范围内对试验件进行预调5次，记录应力-应变一一对应的数据，此时实验数据基本稳定。然后正式进行拉伸试验。
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3 实验结果
3.1 髌韧带的初始长度和截面面积
与正常组相比，制动组髌韧带的初始长度(Length)未见明显改变，但其截面面积(cross-sectional area)却显著增大(见表1)。
表1 髌韧带的初始长度和截面面积(
±s，n=10)
Table 1 The length and cross-sectional area of PT(±s，n=10) Group
Legnth
, 百拇医药 (mm)
Cross-sectional area
(mm2)
Normal
12.69±1.33
8.13±1.14
Immobilized
12.68±1.32
13.42±2.90*
* P<0.01 compared with the normal group
, 百拇医药 3.2 髌韧带的本构方程
根据实验数据类型，引进冯元桢的一维指数函数和Kirchhoff应力，导出髌韧带的本构关系为指数函数关系，并用下式表示髌韧带非线性本构方程[4]。
T=X1.E.X2.λ.exp[X2(E2-E.2)]
其中：T为Lagaranian应力；λ为伸长度；E为Green应变；X1、X2为材料常数；E*为相应于某一选定的应力S*时的应变。
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采用改进的高斯-牛顿最小二乘法求得离体材料常数X1、X2(见表2)。
表2 髌韧带的材料常数X1、X2(±s,n=10)
Table 2 Two material constants of PT(±s,n=10) Group
X1
(MPa)
X2
(Non-dimensional)
, 百拇医药
Normal
0.1916±0.055
114.1930±23.0550
Immobilized
0.3103±0.097*
52.7434±17.4040*
* P<0.01 compared with the normal group 从表2可见正常组与制动组之间二个材料常数X1和X2均有显著差别(P<0.01)。根据两组中X1、X2的平均值作出髌韧带的应力-应变关系理论曲线(见图1)，从中可见制动组应力-应变曲线与对照组有明显不同。
, 百拇医药
图1 髌韧带的应力-应变关系理论曲线
Fig 1 The theoretical curves of stress-strain relationship of PT
3.3 髌韧带的极限强度、最大应变率、弹性模量和极限载荷
制动组髌韧带的极限强度(Tensile strength)及弹性模量(Tangent modulns)较正常组均有明显的降低(P<0.01)；而极限载荷(Maximum load)和最大应变率(Elongation at failure)的改变并不明显(见表3)。
表3 髌韧带的极限强度、最大应变率、弹性模量和极限载荷的变化(±s,n=10)
, 百拇医药
Table 3 Changes of tensile strength, elongation at failure, tangent modulus and maximum load of PT(±s,n=10) Group
Tensile strength
(MPa)
Elongation at failure
(%)
Tangent modulus
(MPa)
Maximum load
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(N)
Normal
13.33±4.19
18.09±3.05
79.18±20.63
106.36±27.29
Immobilized
8.59±2.01*
20.91±3.60
42.03±11.08*
104.28±11.52
, 百拇医药
* P<0.01 compared with the normal group
3.4 试件的断裂方式
正常组中试件断裂方式100%(10/10)为髌韧带胫骨附着处撕脱；而制动组中试件的断裂部位有20%(2/10)为髌韧带本身，80%(8/10)为髌韧带的胫骨附着处撕脱。
4 讨 论
材料的特性由本构方程来描述，作者根据实验数据类型，引进冯元桢的一维指数函数和Kirchhoff应力，导出髌韧带的本构关系为指数函数关系，并计算出髌韧带在不同状态下二个材料常数的值，结果显示正常组和制动组髌韧带的应力-应变关系理论曲线存在明显差异，且这种差异亦可从髌韧带的二个材料常数的变化中得出相同的结论。
本研究还表明膝关节制动6周后，髌韧带的极限强度下降了35.56%；弹性模量也下降了46.92%；与正常组相比均有显著差异(P<0.01)，说明膝关节制动将导致髌韧带的极限强度和弹性模量的显著下降。Yamamoto等[2]曾就应力屏蔽(100%应力缺乏)对兔髌韧带力学特性的影响进行了研究，发现2周后髌韧带的极限强度及弹性模量均下降到正常的9%，可见应力屏蔽对髌韧带力学特性的影响较膝关节制动更加明显。在膝关节伸直位制动时，由于“静止应力”以及股四头肌等长收缩等因素的作用使得髌韧带所受应力并未减少到零，髌韧带处在一种“部分应力缺失”的状态。有人认为可用一高阶非线性向上凸的曲线来表示应力与组织性质质量之间的变化关系[5]：应力下降越明显，组织性质或质量下降得越迅速，曲线在这一范围的斜率很陡。结合Yamamoto等的研究，本研究亦支持这一论断。
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生物组织的力学特性与其形态结构密切相关。本研究结果显示制动组髌韧带的截面面积明显增大。Yamamoto等[2]将兔髌韧带行应力屏蔽6周，所得结果与本研究相似，并认为在应力缺乏的情况下，由于髌韧带中成纤维细胞的数量显著增加，使得其新生胶原纤维数大量增多。但在应力下降的情况下，新生的未成熟纤维排列紊乱，从而影响组织的抗拉强度[6]。倪国新[7]的研究表明膝关节伸直位制动6周后，其胶原纤维的排列变得非常紊乱，且细小的未成熟纤维的比例明显增加，这些形态学的改变必然会对其力学特性产生影响。
参考文献
1 Woo SL, Gomez MA, Sites TJ et al.The biomechanical and morphological changes in the medical collateral ligament of the rabbit after immobilization and remobilization. J Bone Joint Surg, 1987; 69A∶1200
, http://www.100md.com
2 Yamamoto N, Hayashi K, Kuriyama H et al. Effects of stress shielding on the mechanical properties of rabbit patellar tendon. J Biomech Eng, 1993; 115∶23
3 Yamaoto N, Hayashi K, Kuriyama H et al. Mechanical properties of the rabbit paterllar tendon. J Biomech Eng, 1992; 114∶332
4 倪国新，成海平，吴宗耀.兔髌韧带的非线性本构关系.医用生物力学，1998；待发表
5 杨桂通主编.医用生物力学.北京：科学出版社，1994∶150-156
6 Doty SB. Morphological studies of bone and tendon. J Appl Physiol, 1992; 73∶10s
7 倪国新.挛缩膝关节髌韧带生物力学特性的实验研究.1997，第三军医大学硕士研究生论文汇编
(收稿：1998-05-05), http://www.100md.com
单位：倪国新(南京军区总医院 康复医学科，南京 210002)；成海平(第三军医大学 西南医院 生物力学实验室，重庆 400038)；吴宗耀(第三军医大学 西南医院 康复中心，重庆 400038)
关键词：制动；髌韧带；力学特性
生物医学工程学杂志990309 摘要 探讨膝关节制动对髌韧带力学特性的影响。我们将兔膝关节伸直位制动6周，然后对制动前后髌韧带的本构方程、极限强度、弹性模量、极限载荷等力学特性进行研究。结果显示：正常组与制动组间髌韧带的应力-应变关系理论曲线有明显不同，其材料常数亦有显著差异；制动组髌韧带的极限强度和弹性模量较正常组均有明显下降，其极限载荷下降不明显。上述结果表明膝关节制动使得髌韧带所受应力下降，为适应这种改变，组织将进行重塑，从而导致其力学特性的改变。
Effects of Immobilization on the Mechanical Properties
, 百拇医药
of Rabbit Patellar Tendon
Ni Guoxin1 Cheng Haiping2 Wu Zongyao3
1 (Department of Rehabilitation Medicine, Nanjing Military General Hospital, Nanjing 210002)
2 (Laboratory of Biomechanics, Southwestern Hospital, The Third Military Medical University, Chongqing 400038)
3 (Rehabilitation Center, Southwestern Hospital, The Third Military Medical University, Chongqing 400038)
, 百拇医药
Abstract The aim of this study was to evaluate the effect of immobilization on the mechanical properties of rabbit patellar tendon(PT). IN this study, the rabbit knee was immobilized in extenison for 6 weeks, then the mechaincal properteis of PT were investigated. The results showed that the stress-strain realtionship of PT could be expressed with exponential functions, and there were significant differeces between the normal group and the immobilized group in their theoretical curves of stress-strain relationship and two material constants of PT.Also, significant differences were found in tensile strength and tangent modulus between the two groups, but the maximum load of PT in the immobilized group did not decrease significantly. On the basis of the findings listed above,it is believed that PT would remodel and change its mechanical properties in response to the changes of mechanical stress exerted on it when the knee is immobilized.
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Key words Immobilization Patellar tendon Mechanical property
1 前 言
制动是骨关节病损的常用治疗手段。制动时，由于骨关节周围组织所受的应力下降，最终将导致其力学特性的改变。以往关于膝关节制动对交叉韧带、侧附韧带等组织力学特性影响的研究已有大量的报道，如Woo等[1]将兔膝关节屈曲制动9周后发现：股骨-内侧附韧带(MCL)-胫骨组合体的极限载荷下降约60%，MCLL的弹性模量下降44%。然而膝关节制动对髌韧带(patellar tendon, PT)力学特性影响的研究还未见报道。本实验在兔膝关节伸直位制动6周后，对其髌韧带本构方程、极限载荷、弹性模量、极限强度等力学特性的变化进行了探讨。
2 材料和方法
2.1 实验动物分组及模型制备
, http://www.100md.com
20只新西兰大白兔，雌雄不拘，兔龄5±个月，体重2.2± kg。由第三军医大学实验动物中心提供。
2.2 实验分组
实验动物随机均分为正常组(Normal group)和制动组(Immobilized group)；每组10只，以左后肢作为试验侧。将制动组兔的左后肢从腹股沟到趾头行石膏管型固定，膝关节伸直180°位，踝关节背屈60°位，共制动6周。
2.3 实验方法
用空气栓塞法处死动物，分离试验侧膝关节，剥离肌肉、筋膜等组织，迅速获取髌骨-髌韧带-胫骨组合体标本。标本取出后，首先用游标卡尺测量髌韧带在无应力状态下的初始长度，测量标志为：髌韧带的髌骨远端至其胫骨附着处近端之间的距离，共3次，求平均值。参照Yamamoto等[2，3]的方法，使用软组织截面面积微测仪测量髌韧带的截面面积。将组合体固定在特制的夹具上，髌韧带长轴方向与胫骨成45°，以使髌韧带长轴与其胶原纤维的走向基本一致[2，3]。然后再把夹具固定在CS-1102C型电子万能试验机上，使试件的纵轴与其受力方向相一致。整个试件与夹具都浸泡在特制的恒温水箱中，其中充满0.9%的NaCl溶液。将水箱温度调至(37±0.5) ℃，待试件浸泡10 min后，以5 mm/min的加载速率、在0～5 MPa应力范围内对试验件进行预调5次，记录应力-应变一一对应的数据，此时实验数据基本稳定。然后正式进行拉伸试验。
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3 实验结果
3.1 髌韧带的初始长度和截面面积
与正常组相比，制动组髌韧带的初始长度(Length)未见明显改变，但其截面面积(cross-sectional area)却显著增大(见表1)。
表1 髌韧带的初始长度和截面面积(
±s，n=10)Table 1 The length and cross-sectional area of PT(
±s，n=10) GroupLegnth
, 百拇医药 (mm)
Cross-sectional area
(mm2)
Normal
12.69±1.33
8.13±1.14
Immobilized
12.68±1.32
13.42±2.90*
* P<0.01 compared with the normal group
, 百拇医药 3.2 髌韧带的本构方程
根据实验数据类型，引进冯元桢的一维指数函数和Kirchhoff应力，导出髌韧带的本构关系为指数函数关系，并用下式表示髌韧带非线性本构方程[4]。
T=X1.E.X2.λ.exp[X2(E2-E.2)]
其中：T为Lagaranian应力；λ为伸长度；E为Green应变；X1、X2为材料常数；E*为相应于某一选定的应力S*时的应变。
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采用改进的高斯-牛顿最小二乘法求得离体材料常数X1、X2(见表2)。
表2 髌韧带的材料常数X1、X2(
±s,n=10)Table 2 Two material constants of PT(
±s,n=10) GroupX1
(MPa)
X2
(Non-dimensional)
, 百拇医药
Normal
0.1916±0.055
114.1930±23.0550
Immobilized
0.3103±0.097*
52.7434±17.4040*
* P<0.01 compared with the normal group 从表2可见正常组与制动组之间二个材料常数X1和X2均有显著差别(P<0.01)。根据两组中X1、X2的平均值作出髌韧带的应力-应变关系理论曲线(见图1)，从中可见制动组应力-应变曲线与对照组有明显不同。
, 百拇医药
图1 髌韧带的应力-应变关系理论曲线
Fig 1 The theoretical curves of stress-strain relationship of PT
3.3 髌韧带的极限强度、最大应变率、弹性模量和极限载荷
制动组髌韧带的极限强度(Tensile strength)及弹性模量(Tangent modulns)较正常组均有明显的降低(P<0.01)；而极限载荷(Maximum load)和最大应变率(Elongation at failure)的改变并不明显(见表3)。
表3 髌韧带的极限强度、最大应变率、弹性模量和极限载荷的变化(
±s,n=10), 百拇医药
Table 3 Changes of tensile strength, elongation at failure, tangent modulus and maximum load of PT(
±s,n=10) GroupTensile strength
(MPa)
Elongation at failure
(%)
Tangent modulus
(MPa)
Maximum load
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(N)
Normal
13.33±4.19
18.09±3.05
79.18±20.63
106.36±27.29
Immobilized
8.59±2.01*
20.91±3.60
42.03±11.08*
104.28±11.52
, 百拇医药
* P<0.01 compared with the normal group
3.4 试件的断裂方式
正常组中试件断裂方式100%(10/10)为髌韧带胫骨附着处撕脱；而制动组中试件的断裂部位有20%(2/10)为髌韧带本身，80%(8/10)为髌韧带的胫骨附着处撕脱。
4 讨 论
材料的特性由本构方程来描述，作者根据实验数据类型，引进冯元桢的一维指数函数和Kirchhoff应力，导出髌韧带的本构关系为指数函数关系，并计算出髌韧带在不同状态下二个材料常数的值，结果显示正常组和制动组髌韧带的应力-应变关系理论曲线存在明显差异，且这种差异亦可从髌韧带的二个材料常数的变化中得出相同的结论。
本研究还表明膝关节制动6周后，髌韧带的极限强度下降了35.56%；弹性模量也下降了46.92%；与正常组相比均有显著差异(P<0.01)，说明膝关节制动将导致髌韧带的极限强度和弹性模量的显著下降。Yamamoto等[2]曾就应力屏蔽(100%应力缺乏)对兔髌韧带力学特性的影响进行了研究，发现2周后髌韧带的极限强度及弹性模量均下降到正常的9%，可见应力屏蔽对髌韧带力学特性的影响较膝关节制动更加明显。在膝关节伸直位制动时，由于“静止应力”以及股四头肌等长收缩等因素的作用使得髌韧带所受应力并未减少到零，髌韧带处在一种“部分应力缺失”的状态。有人认为可用一高阶非线性向上凸的曲线来表示应力与组织性质质量之间的变化关系[5]：应力下降越明显，组织性质或质量下降得越迅速，曲线在这一范围的斜率很陡。结合Yamamoto等的研究，本研究亦支持这一论断。
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生物组织的力学特性与其形态结构密切相关。本研究结果显示制动组髌韧带的截面面积明显增大。Yamamoto等[2]将兔髌韧带行应力屏蔽6周，所得结果与本研究相似，并认为在应力缺乏的情况下，由于髌韧带中成纤维细胞的数量显著增加，使得其新生胶原纤维数大量增多。但在应力下降的情况下，新生的未成熟纤维排列紊乱，从而影响组织的抗拉强度[6]。倪国新[7]的研究表明膝关节伸直位制动6周后，其胶原纤维的排列变得非常紊乱，且细小的未成熟纤维的比例明显增加，这些形态学的改变必然会对其力学特性产生影响。
参考文献
1 Woo SL, Gomez MA, Sites TJ et al.The biomechanical and morphological changes in the medical collateral ligament of the rabbit after immobilization and remobilization. J Bone Joint Surg, 1987; 69A∶1200
, http://www.100md.com
2 Yamamoto N, Hayashi K, Kuriyama H et al. Effects of stress shielding on the mechanical properties of rabbit patellar tendon. J Biomech Eng, 1993; 115∶23
3 Yamaoto N, Hayashi K, Kuriyama H et al. Mechanical properties of the rabbit paterllar tendon. J Biomech Eng, 1992; 114∶332
4 倪国新，成海平，吴宗耀.兔髌韧带的非线性本构关系.医用生物力学，1998；待发表
5 杨桂通主编.医用生物力学.北京：科学出版社，1994∶150-156
6 Doty SB. Morphological studies of bone and tendon. J Appl Physiol, 1992; 73∶10s
7 倪国新.挛缩膝关节髌韧带生物力学特性的实验研究.1997，第三军医大学硕士研究生论文汇编
(收稿：1998-05-05), http://www.100md.com