软组织生物力学特性研究进展

软组织生物力学主要研究生物软组织在生理和病理状态下的力学特性，包括应力-应变曲线、韧度、强度等一般力学特性及软组织特有的活性、粘弹性、各向异性等特征。自创立以来，软组织生物力学一方面逐渐向微观探索，另一方面则通过系统地收集实验数据，不断完善各组织的本构方程和丰富软组织数据库[1]。与骨科临床紧密相关的软组织如皮肤、肌肉、神经、血管、肌腱和韧带等虽然解剖结构差异明显，但力学特点相似。通常情况下，除了具有弹性固体材料的某些基本性质外，还体现出蠕变、应力松弛及应力-应变曲线滞后等粘性材料的力学特性。这些性质已在骨科临床实践中被广泛应用，如手术切口方向的选择应参考皮肤张力分布的各向异性；不同软组织的蠕变和延展性能为创伤修复和组织移植提供依据；测量羽状角可为肌肉疾病诊断提供帮助等。因此，了解和掌握软组织特性将有益于提高诊疗效率和改善疾病预后。

另一方面，软组织力学特性的研究有赖于各种在体、离体检测手段的发展。最初，由于技术限制，软组织生物力学特性的研究主要局限于对离体组织的力学加载测试，而随着各种实验条件的不断完善，软组织的研究也日趋深入，并逐渐向在体化、实时化、精准化发展[2,3]。目前，临床上应用广泛的在体软组织检测技术可分为接触式和非接触式，接触式仪器如皮肤压弹计，非接触式仪器如超声、MRI等的普及得益于各种辅助成像技术的发展，但软组织研究成果的临床转化应用仍远落后于其本身的发展。对软组织生物力学原理的正确认识，有利于骨科医师将现阶段相关研究成果更好地应用于临床诊断和治疗，对骨科发展意义重大。

本文通过Medline、Web of Science、CNKI、万方数据库，以"muscle" 、"tendon" 、"ligament" 、"skin" 、"nerve" 、"artery" 、"vein" 、"blood vessel" 、"biomechanics" 、"皮肤" 、"肌腱" 、"肌肉" 、"韧带" 、"神经" 、"血管" "生物力学" 、"测试"作为关键词，检索2011年1月1日至2016年3月31日发表的国内、外相关文献，共查阅文献1 322篇，其中中文文献569篇，英文文献753篇。

文献纳入标准：①国内外有关上述软组织生物力学特性、影响因素或检测手段的研究；②研究对象为人体或动物软组织；③研究方法为在体检测或离体实验；④发表语言为中文或英文的已刊出文献。排除标准：①重复或内容类似的研究；②内容不相关的研究；③内容上存在明显错误或有待更新的研究等；④没有实验基础的假设或猜想；⑤计算机模拟实验。依据纳入排除标准，最终纳入质量较高的相关文献103篇（图1）。本综述分别从软组织生物力学特性、影响因素及临床意义等角度切入，阐述与骨科密切相关的软组织的基本力学性质，并对其在骨科临床中的应用进行探讨，为临床提供相关治疗策略和治疗依据。

图1

文献筛选流程图，最终纳入文献103篇（中文文献4篇，英文文献99篇）

一、皮肤的生物力学特性

皮肤作为人体最大的器官，其多种生理功能和病理改变均基于皮肤的粘弹性、非线性、各向异性、应力-应变曲线滞后、蠕变以及应力松弛等生物力学特性，而决定这些特性的主要成分是构成真皮的胶原蛋白、弹性蛋白和基质。其中，胶原蛋白主要与皮肤刚度有关，弹性蛋白主要与皮肤弹性相关，基质中的各种糖胺聚糖显示其粘性，而角质层提供了刚度、各向同性和不可延展性[4,5,6]。

（一）应力-应变曲线

应力-应变关系是研究皮肤粘弹性的重要内容，以恒定应变率加载组织样本至预设张力后立即以同一应变率卸载便得到该样本的应力-应变关系曲线（图2）。由于皮肤在屈服强度和抗拉强度之间显示出良好的韧性和延展性，临床上常根据此段特性进行皮肤修复。

图2

皮肤拉伸的应力-应变曲线在弹性极限之前为皮肤的弹性形变区，应力-应变关系遵从胡克定律；之后为塑性形变区，应力-应变关系为曲线；在达到屈服强度后，皮肤形状随着应力增加发生较大变化；抗拉强度即拉伸过程中皮肤所能经受的最大应力；破坏强度为皮肤拉断时承受的应力，其值小于抗拉强度

（二）正交各向异性

自然状态下，人体皮肤的张力和延展性在相互垂直的两个方向上差异明显，主要与胶原纤维排布走向有关[7,8,9]。通过临床观察，我们发现纤维走向和肌肉收缩方向平行时皮肤张力较大而延展性较小。手术多倾向于沿皮肤松弛张力线或"郎格氏线"作切口以保证切口闭合时具有相对较小的张力和较好的延展性，从而减少瘢痕形成[10,11,12,13]。值得注意的是，人体不同部位皮肤的力学特性不尽相同，如髌骨和膝部后侧皮肤的正交各向异性最显著，头皮和较厚皮肤的延展性差[14]。由于皮肤的微观结构和力学特性也受衰老、疾病、光损伤等因素的影响，临床上对手术切口的选择应见仁见智，综合考虑各种因素，切勿千篇一律[15,16,17,18]。

（三）蠕变与应力松弛

蠕变是指在恒定负载下软组织材料形变逐渐增加的特性；而应力松弛则为软组织形变稳定后，应力逐渐变小的特性。在创伤修复过程中，强行缝合缺损面积较大或破坏严重的皮肤时，常因伴有较大张力而失败，因而采用皮下分离或组织扩张的方式减少伤口周围组织间的张力。皮下分离即游离切断皮瓣或伤口周围真皮与皮下组织间的联系。当张力超过200~250 g时，皮瓣远端易发生坏死，虽然增加游离长度有利于缓解张力，但为减少对皮瓣或皮缘血供影响，游离范围一般控制在1~2 cm内，旋转皮瓣角度不宜超过90°[19,20,21,22,23,24]。

而当伤口周围有足够的正常皮肤时，常采用医源性组织扩张减少对合张力、扩充可用皮肤面积。根据扩张时间不同，分为延时组织扩张和快速术中组织扩张。前者通过植入体积可调节的扩张器，在1~6周内不断扩张皮肤可获得约三成的皮肤表面积，但会使真皮和皮下组织变薄，进而导致扩张皮肤的抗张强度和粘弹性变差[25]。虽然有研究显示表皮可通过有丝分裂和角化细胞增殖来代偿组织厚度，但其代偿能力有限[26]。术中快速组织扩张则通过巾钳循环夹持或保持缝合将两侧皮缘张力对合集中到一点，直到伤口周围皮肤面积逐渐增加、张力逐渐减小，从而减小缝合难度[27]。以上减小伤口对合张力的方法均应用了皮肤应力松弛的特性，而皮肤的蠕变可能与液体和基质移位、弹性纤维微观断裂、胶原纤维拉直以及组织在应力作用下重排有关。

二、肌肉的生物力学特性

我们主要讨论与骨关节相关的骨骼肌的特性。器官水平的肌肉应力-应变曲线与皮肤相似，具有典型的软组织特性，作为一种非线性、各向异性的软组织已被广泛认同，而且与皮肤一样也具有粘弹性，不作过多阐释[28,29]。此外，肌肉还具有以下不同特性。

（一）主动收缩特性

肌肉的主动收缩功能依赖于其特殊的微观结构[30]。肌纤维主要由肌动蛋白、肌球蛋白和肌联蛋白构成，三者相互作用产生肌肉的运动[31]。术中过度牵伸以及电热刺激引起的肌肉痉挛都可能改变肌节正常构造从而降低肌肉收缩能力、影响手术效果和功能恢复，故手术过程中应注意加强对肌肉组织的保护。这种特殊的微观结构以及各级结构之间的细胞外基质也是肌肉被动力学特性产生的基础[32]。

（二）触变性

"触变性"一词早在1984年由Lakie等[33]提出，被用来形容肌肉受外力作用或主动收缩后力学特性发生改变的特性，不同于弹性和粘性。1993年Proske等[34]对相关研究进行了综述，并提出了触变性是动作调节和肌肉控制的生理基础。触变性作为横纹肌的基本性质被广泛认可，而认可度较高的是"横桥理论" 。横桥在每个肌节中联结肌动蛋白和肌球蛋白，在肌肉收缩中起重要作用。当肌肉放松后，横桥通常自动解离，但有约1%的横桥在解离后会自发形成新的联结，赋予肌肉一定的力学特性，即触变性的基础。Sarmiento等[35]通过实验证实了软组织加压在提升骨骼强度和关节稳定性上具有显著效果，提示临床实现骨折部位稳定性要充分利用软组织特性。近年来，有研究显示肌梭的触变性与本体感觉的产生关系密切，为临床上更好地理解感觉缺失和运动失调开辟了新思路[36]。

（三）羽状角

羽状角是肌纤维与肌腱之间形成的夹角，是肌肉的一种重要的功能性特征，不同肌肉具有不同的羽状角，且同一肌肉的羽状角也会随相关部位的运动发生变化[37,38]。羽状角的大小与等长收缩强度成正比，随着肌肉等长收缩强度增加，羽状角成正比增大。对于人体肌肉，极限收缩时的羽状角大小与静息时相比可相差120%~170%[39,40]。羽状角的改变会影响肌肉的力学特性，且其变化与肌纤维长度、肌肉厚度等参数相关，因此常通过测量羽状角对废用性肌萎缩、肌肉震颤、肌肿瘤等肌肉相关疾病进行诊断[41]。Turton等[42]应用床旁超声观察特级护理患者下肢肌肉，发现卧床5 d的患者股外侧肌羽状角减小，肌肉厚度变小，提示肌少症的出现与羽状角减小相关。Scott等[43]通过对临床病例的观察发现，肌少症男性具有较低的脊柱与全身骨密度，肌少症女性具有较低的全髋骨密度，提示肌少症与骨质疏松的发生具有一定的相关性，揭示了人体各组织间存在着复杂的调控系统，因此切不可忽视软组织的作用。目前，自动检测羽状角改变的超声检测设备已被应用于临床，且具有较强的可靠性和良好的真实性。

（四）应变历史与肌肉特性

肌肉的力学特性受应变历史影响很大，一个典型表现是肌肉残余应力增强现象。Hill[44]对其进行了系统地描述，即肌肉在离心收缩（主动收缩同时受外力拉长）后产生的力量大于相同等长收缩或等速收缩所产生的力量，且此力量大小与所受外力成正比，称为残余应力增强[45,46]。Minozzo等[47]讨论了关于残余应力增强的三种学说，其中横桥理论和肌节不均一理论都有其局限性，而肌联蛋白理论则能很好地解释这一特性，Herzog等[48]详细地论述了其原理并提出了不同于传统横桥理论的三元素肌肉收缩新模型，即在肌肉离心收缩时，肌联蛋白可通过其特殊结构域分别与钙离子和肌动蛋白肌丝结合，从而以两种不同的方式增加自身强度，表现为肌力增强或抗拉强度增加[49]。作为一种结构蛋白，肌联蛋白提供了肌节受外力拉伸时的稳定性；在屈服强度下，肌联蛋白的免疫球蛋白区表现出良好的延展性，使肌节产生可恢复的形变而非破坏，是肌肉粘弹性的重要来源[50,51]。这提示在严重肌肉拉伤或中枢损伤所致的肌阵挛中，即使肌节被拉伸到功能丧失，其结构上仍有可能完全恢复。

三、肌腱和韧带的生物力学特性

胶原纤维约占肌腱干重的80%，是其多层次精致结构的基础，其平行排列使组织具有刚度和弹性[52]。与多数粘弹性材料一样，肌腱和韧带亦具有非线性、滞后的应力-应变曲线（图3），同时体现出各向异性、蠕变及应力松弛等特点。

图3

肌腱轴向拉伸的应力-应变曲线拉伸最初部分为曲线，此阶段肌腱内卷曲的纤维逐渐被拉直；以后拉直的胶原纤维表现出弹性，此段应力-应变关系呈线性关系，斜率即为弹性模量。弹性范围外肌腱纤维开始产生微观撕裂，在屈服强度下宏观的破坏变得明显，并最终于强度极限时产生断裂

（一）复杂的力学传导系统

肌腱是肌肉-肌腱-骨骼系统中的一环，传导肌肉动力，并辅助产生运动，其力学性质在移行过程中逐渐变化。屈、伸肌腱杨氏模量和抗拉强度一般大于收、展肌腱，即使在同一肌腱的亚结构间，力学特征也存在差异[53]。Pekala等[54]研究结果显示跟腱的三条分腱汇合时扭转程度存在差别，浅层肌腱的扭矩明显小于深层肌腱，这种差异可能成为各种肌腱疾病的病理基础。虽然肌腱的强度远大于肌肉组织，但与肌肉不同，肌腱只有在肌肉收缩过程中才承受载荷而无法主动收缩，且在体肌腱承受的应力主要受肌肉收缩量和肌肉-肌腱体积比的影响。另外，肌腱可通过有无腱鞘划分为有鞘肌腱和无鞘肌腱，其中有鞘肌腱承受的摩擦力较大且在力的方向性上表达精准以完成各种精细动作。相比之下，韧带受力要更加复杂，如脊柱韧带在受拉伸和压缩的同时受扭转和剪切作用，而环状韧带可作为腱鞘的一部分来改变力的传导方向[55]。了解不同部位肌腱和韧带的特性和功能有利于软组织损伤的诊断和对预后的判断。

（二）决定肌腱和韧带力学特性的主要因素

多种内外因素可对肌腱和韧带的力学特性产生影响。肌腱和韧带均主要由胶原组织构成，固有力学特性相似并主要决定于胶原和弹性纤维的固有性能、纤维组织的结构方向性以及两者构成比。在力学加载测试中，两者的强度均主要受横截面和力学加载速度的影响[56]。有研究显示，髌腱强度与性别、体质指数、相关肌肉力量均有联系，而其厚度与性别无关[57]。肌腱的力学特性受年龄影响，随年龄增加，肌腱胶原含量增加而抗拉强度减小[58]。Marqueti等[59]通过对20只大鼠的对照研究发现，阻抗运动有利于抵抗衰老对肌腱强度的削弱，有利于保持肌腱最大强度。Tsitsilonis等[60]对24只大鼠的研究显示，合成雄激素的使用可逆转运动对肌腱强度的提升作用。这对临床恢复期的训练计划的制订有指导意义。随着生物力学研究逐渐向微观层次发展，大量研究显示，血糖、激素、细胞成分、细胞外基质在肌腱和韧带的生物力学特性表达中均可发挥作用[61,62,63,64,65,66,67]。

四、神经的生物力学特性

神经组织作为一种粘弹性固体，与其他软组织相似，也具有应力松弛及蠕变等特性。中枢神经在人体内的位置相对固定且有大量结构保护，其承受的应力相对较小；而周围神经在体内走行复杂或位置表浅，易受体内外各种理化因素损伤，故其生物力学性质是骨科临床常需要考虑的问题，主要包括以下几方面特性。

（一）应力-应变曲线

周围神经的应变一般是指其在轴向拉应力作用下产生的长度变化，多用伸长率表示[68]。其应力-应变曲线不同于皮肤、肌腱，包括纤维伸展区、线性形变区和塑性形变区三部分（图4）。

图4

周围神经应力-应变曲线第一部分曲线平缓成凹形，此阶段神经外膜和内膜中的蜷曲成分逐渐展开；第二部分近似直线，斜率即为神经的弹性模量，提示进入弹性形变阶段，直至弹性极限；第三部分为塑性形变区，在屈服强度处应变加速，最高点为神经的强度极限，此后由于结构破坏明显应力迅速下降，并在一段缓慢下降后神经完全断裂

（二）刚度、顺应性及粘弹性

神经组织的刚度和顺应性体现在外力作用下发生形变的难易程度，刚度对应于应力-应变曲线弹性节段中的斜率，受很多因素影响[69]。分支较少、毗邻关节的神经一般具有较强的顺应性，且在较慢的拉伸速度下顺应性较大[70,71,72]。此外，应变历史也对刚度产生影响，以8%或10%的应变率对外周神经做反复拉伸时，相同应变下神经承受的应力逐渐减小，反映随应变周期增加，神经刚度减小而顺应性增大[73]。在弹性范围外，神经组织的粘性特征明显，主要表现为应力松弛和蠕变，而应力松弛主要发生在固定拉伸的前20 min且在拉伸速度较小时体现明显[74,75]。

（三）物理应力作用

神经可能受到体内、外各种物理应力的作用，包括轴向拉应力、垂直压应力、重复应力和制动下应力等，这些应力常同时存在。根据Mueller和Maluf[76]提出的物理应力理论，生物组织所承受的各种应力均可从小到大划分为五个连续等级，只有在适中的应力下，软组织才能发挥正常功能，此应力范围被称作功能区。而在功能区外，软组织的正常力学特性将发生改变，甚至出现功能异常。大量动物实验显示当神经延长速度超过1.0 cm/d或延长率在11%以上时，神经会因承受过大应力而发生脱髓鞘、轴突断裂、神经传导功能障碍等表现，而这类损伤表现与神经的血流障碍和缺血再灌注有关。一般将医源性神经延长的速度控制在0.5~1.0 cm/d，监控神经功能有利于将神经上的应力控制在功能区内[73]。

神经所受的垂直压力可继发于轴向形变或直接来自外力，作用时间长或压力过大均可导致束膜下水肿、炎症、脱髓鞘、轴突变性、纤维化等神经损伤[77]。腕管综合征是导致正中神经损伤的常见原因，腕管内压力增加与腕关节的活动和姿势关系密切，治疗应以减轻腕管内压力为主，通过调整手部姿势促进神经恢复正常偏移和应力[78,79]。重复应力可产生于外界高频振动或重复运动，对神经传导功能的损害体现在无髓鞘神经上，主要病理表现为轴质排列错乱和内质网堆积[80,81,82]。值得提出的是，制动所致的应力缺失同样可使神经组织发生结构和功能的改变，如轴突末端细胞生物学改变、轴突和髓鞘直径减小等[83,84]。因此在对患者采用夹板、绷带及其他固定方式进行制动治疗时，应通过监测疼痛、反射、感觉等指标来估计神经所受的应力，在恢复期逐步增加应力直至达到功能区范围[85]。

（四）静息张力

在体神经生理状态下具有一定静息张力，故当神经被切断时会立即回缩[86]。而离体状态下的神经多接近于零张力状态，提示神经静息张力与神经床的构成相关，在对神经组织的离体研究和神经移植时应考虑到此特性。值得注意的是，临床上被切断的神经在进行原位缝合时会出现吻合口张力过大的现象，提示一旦神经的力学稳定性遭到破坏，很难恢复至初始应力状态，或需要很长时间恢复[87]。

（五）偏移、集中和离散

神经相对于神经床的横向或纵向位移称为"偏移" （或"滑动" ），一般随关节运动产生，且方向由神经与关节旋转轴的解剖关系决定[88,89]。肘关节伸展时正中神经被拉伸，同时肘关节两侧的正中神经分别向肘关节偏移，且离关节越近的节段越早发生偏移，且幅度越大[68,89,90]。这种当关节活动时，神经向关节方向移动的现象被称为"集中" [73]。相反，当神经床张力松弛时，神经也会向远离关节的方向偏移，被称为"离散" [78]。借助神经的偏移特性，临床上常通过拉伸神经床来辅助神经延长[80]。Topp和Boyd[73]对正中神经和尺神经在上肢运动中发生偏移的方向和幅度进行详细总结，以尺神经为例，当上肢处于肩关节外展、外旋90°、腕关节中立位时，随着肘关节由屈曲90°向伸直位运动，肘区尺神经逐渐远离肘关节，承受的张力和神经床压力逐渐减小，而伸腕则使腕部尺神经应力增大，其研究对临床诊断和康复评估具有指导意义。另一方面，当炎症、手术粘连、瘢痕卡压及肿瘤占位影响神经生理性偏移时常表现为疼痛。动物实验证实神经炎症可诱发慢性疼痛，提示神经损伤是术后疼痛的原因之一[92]。

五、血管的生物力学特性

血管通常由内膜、中膜、外膜三层结构组成，故血管壁也属于粘弹性体，与其他软组织一样具有蠕变、应力松弛等力学特性。

（一）应力-应变曲线

动脉具有明显的屈服强度[93,94]。Kamenskiy等[95]分别对尸体胸主动脉、腹主动脉、锁骨下动脉、颈总动脉、髂总动脉、肾动脉进行了二维拉伸实验，并给出了各动脉的本构参数和应力-应变曲线，验证了动脉的非线性、各向异性，为相关模型构建及移植物的选择提供了参考（图5）。与动脉相比，静脉的应力-应变曲线相似，但弹性模量较小。Karimi等[96]研究显示脐静脉的最大应变比脐动脉高92%，而脐动脉的弹性模量和最大应力分别比脐静脉高162%和42%。近年来各种人造血管或脱细胞血管支架逐渐被用于血管移植[97]，而正是这些移植材料的生物力学特性决定了其适用性。

图5

动脉应力-应变曲线一维拉伸初期，应力-应变曲线低平，此时平滑肌和屈曲状态的胶原纤维受力，血管的刚度和弹性模量较小；当拉伸逐渐增大时，动脉的刚度和弹性模量随着胶原纤维承载数目的增加而增大，曲线呈过渡型；以后，胶原纤维主要承受载荷，刚度较大，弹性模量增加缓慢，故曲线接近直线，直至断裂点

（二）生理张力和残余应力

由于受到来自内、外部各种力的作用，血管在体内存在生理张力，可称为载荷状态；完全离体的血管不受横向压力和纵向拉力作用，称为无载荷状态。但由于某些组分弹性回缩对其他成分产生压应力，故此状态下血管内部存在残余应力[98]；将处于无载荷状态的圆环状动脉壁沿径向剪开，动脉壁呈一种张开的扇形状态，定义为零应力状态。从无载荷状态到零应力状态所发生的形变和应力释放即是残余应变和残余应力。在相关测量试验及血管移植中应考虑到血管的此种特性。

（三）轴向应力与延展性

Weizsacker等[99]对鼠颈动脉的研究表明，在生理形变范围内，血管的轴向应力几乎独立于内压，说明轴向拉伸不会引管径的变化和周向力学性质的大幅改变，但轴向拉伸会引起血管痉挛。祁峰等[100]研究显示动脉具有良好的轴向延展性，当轴向延长至30%时，其生理特性影响不大，因此临床上如动脉缺损小于原长度的30%，可综合其他因素予以原位缝合而不采用血管移植，而考虑到血管的生理张力，实际缺损范围可能较测量值小，因此不应盲目采用静脉移植而牺牲血管强度。与动脉不同的是，作为容量血管，静脉的轴向延展率要小于周向延展率，而同样作为血管移植的重要供体，脐静脉的轴向延展性比隐静脉强，但血管强度小[101]。

（四）疾病对血管生物力学特性的影响

近年来，静脉曲张、动脉瘤、动脉粥样硬化、肺动脉高压、糖尿病、低氧状态以及门静脉高压对相关血管的影响成为该领域的研究热点。Kamenskiy等[102]对动脉粥样硬化患者离断肢体的下肢动脉进行力学测试和组织学观察，发现在二维拉伸时，所有动脉的周向强度大于轴向强度，但与正常血管相比，患病动脉的周向顺应性增加而轴向顺应性减少，这种各向异性的下降可能由胶原排列方向改变、弹性蛋白降解、平滑肌细胞变性等因素造成，在血管疾病诊断和外科操作中应当结合患者病史考虑该力学性能的改变。Karimi等[103]对曲张的隐静脉进行单轴拉伸测试，发现由于弹性蛋白和胶原含量的缺失，曲张静脉的力学强度变小。

软组织生物力学的研究和发展对骨科临床实践具有重要意义，研究的不断深入促进知识的更新，可为现有的有效治疗手段提供佐证，同时对否定不良治疗手段提供理论依据，利于假体和移植物改进，帮助建立更加可靠的软组织模型，开展更深层次的生物力学研究，以进一步推动临床应用。