軟組織生物力學(xué)主要研究生物軟組織在生理和病理狀態(tài)下的力學(xué)特性，包括應(yīng)力-應(yīng)變曲線、韌度、強度等一般力學(xué)特性及軟組織特有的活性、粘彈性、各向異性等特征。自創(chuàng)立以來，軟組織生物力學(xué)一方面逐漸向微觀探索，另一方面則通過系統(tǒng)地收集實驗數(shù)據(jù)，不斷完善各組織的本構(gòu)方程和豐富軟組織數(shù)據(jù)庫[1]。與骨科臨床緊密相關(guān)的軟組織如皮膚、肌肉、神經(jīng)、血管、肌腱和韌帶等雖然解剖結(jié)構(gòu)差異明顯，但力學(xué)特點相似。通常情況下，除了具有彈性固體材料的某些基本性質(zhì)外，還體現(xiàn)出蠕變、應(yīng)力松弛及應(yīng)力-應(yīng)變曲線滯后等粘性材料的力學(xué)特性。這些性質(zhì)已在骨科臨床實踐中被廣泛應(yīng)用，如手術(shù)切口方向的選擇應(yīng)參考皮膚張力分布的各向異性；不同軟組織的蠕變和延展性能為創(chuàng)傷修復(fù)和組織移植提供依據(jù)；測量羽狀角可為肌肉疾病診斷提供幫助等。因此，了解和掌握軟組織特性將有益于提高診療效率和改善疾病預(yù)后。

另一方面，軟組織力學(xué)特性的研究有賴于各種在體、離體檢測手段的發(fā)展。最初，由于技術(shù)限制，軟組織生物力學(xué)特性的研究主要局限于對離體組織的力學(xué)加載測試，而隨著各種實驗條件的不斷完善，軟組織的研究也日趨深入，并逐漸向在體化、實時化、精準(zhǔn)化發(fā)展[2,3]。目前，臨床上應(yīng)用廣泛的在體軟組織檢測技術(shù)可分為接觸式和非接觸式，接觸式儀器如皮膚壓彈計，非接觸式儀器如超聲、MRI等的普及得益于各種輔助成像技術(shù)的發(fā)展，但軟組織研究成果的臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用仍遠落后于其本身的發(fā)展。對軟組織生物力學(xué)原理的正確認(rèn)識，有利于骨科醫(yī)師將現(xiàn)階段相關(guān)研究成果更好地應(yīng)用于臨床診斷和治療，對骨科發(fā)展意義重大。

本文通過Medline、Web of Science、CNKI、萬方數(shù)據(jù)庫，以"muscle" 、"tendon" 、"ligament" 、"skin" 、"nerve" 、"artery" 、"vein" 、"blood vessel" 、"biomechanics" 、"皮膚" 、"肌腱" 、"肌肉" 、"韌帶" 、"神經(jīng)" 、"血管" "生物力學(xué)" 、"測試"作為關(guān)鍵詞，檢索2011年1月1日至2016年3月31日發(fā)表的國內(nèi)、外相關(guān)文獻，共查閱文獻1 322篇，其中中文文獻569篇，英文文獻753篇。

文獻納入標(biāo)準(zhǔn)：①國內(nèi)外有關(guān)上述軟組織生物力學(xué)特性、影響因素或檢測手段的研究；②研究對象為人體或動物軟組織；③研究方法為在體檢測或離體實驗；④發(fā)表語言為中文或英文的已刊出文獻。排除標(biāo)準(zhǔn)：①重復(fù)或內(nèi)容類似的研究；②內(nèi)容不相關(guān)的研究；③內(nèi)容上存在明顯錯誤或有待更新的研究等；④沒有實驗基礎(chǔ)的假設(shè)或猜想；⑤計算機模擬實驗。依據(jù)納入排除標(biāo)準(zhǔn)，最終納入質(zhì)量較高的相關(guān)文獻103篇（圖1）。本綜述分別從軟組織生物力學(xué)特性、影響因素及臨床意義等角度切入，闡述與骨科密切相關(guān)的軟組織的基本力學(xué)性質(zhì)，并對其在骨科臨床中的應(yīng)用進行探討，為臨床提供相關(guān)治療策略和治療依據(jù)。

圖1

文獻篩選流程圖，最終納入文獻103篇（中文文獻4篇，英文文獻99篇）

一、皮膚的生物力學(xué)特性

皮膚作為人體最大的器官，其多種生理功能和病理改變均基于皮膚的粘彈性、非線性、各向異性、應(yīng)力-應(yīng)變曲線滯后、蠕變以及應(yīng)力松弛等生物力學(xué)特性，而決定這些特性的主要成分是構(gòu)成真皮的膠原蛋白、彈性蛋白和基質(zhì)。其中，膠原蛋白主要與皮膚剛度有關(guān)，彈性蛋白主要與皮膚彈性相關(guān)，基質(zhì)中的各種糖胺聚糖顯示其粘性，而角質(zhì)層提供了剛度、各向同性和不可延展性[4,5,6]。

（一）應(yīng)力-應(yīng)變曲線

應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是研究皮膚粘彈性的重要內(nèi)容，以恒定應(yīng)變率加載組織樣本至預(yù)設(shè)張力后立即以同一應(yīng)變率卸載便得到該樣本的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線（圖2）。由于皮膚在屈服強度和抗拉強度之間顯示出良好的韌性和延展性，臨床上常根據(jù)此段特性進行皮膚修復(fù)。

圖2

皮膚拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在彈性極限之前為皮膚的彈性形變區(qū)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系遵從胡克定律；之后為塑性形變區(qū)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為曲線；在達到屈服強度后，皮膚形狀隨著應(yīng)力增加發(fā)生較大變化；抗拉強度即拉伸過程中皮膚所能經(jīng)受的最大應(yīng)力；破壞強度為皮膚拉斷時承受的應(yīng)力，其值小于抗拉強度

（二）正交各向異性

自然狀態(tài)下，人體皮膚的張力和延展性在相互垂直的兩個方向上差異明顯，主要與膠原纖維排布走向有關(guān)[7,8,9]。通過臨床觀察，我們發(fā)現(xiàn)纖維走向和肌肉收縮方向平行時皮膚張力較大而延展性較小。手術(shù)多傾向于沿皮膚松弛張力線或"郎格氏線"作切口以保證切口閉合時具有相對較小的張力和較好的延展性，從而減少瘢痕形成[10,11,12,13]。值得注意的是，人體不同部位皮膚的力學(xué)特性不盡相同，如髕骨和膝部后側(cè)皮膚的正交各向異性最顯著，頭皮和較厚皮膚的延展性差[14]。由于皮膚的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性也受衰老、疾病、光損傷等因素的影響，臨床上對手術(shù)切口的選擇應(yīng)見仁見智，綜合考慮各種因素，切勿千篇一律[15,16,17,18]。

（三）蠕變與應(yīng)力松弛

蠕變是指在恒定負載下軟組織材料形變逐漸增加的特性；而應(yīng)力松弛則為軟組織形變穩(wěn)定后，應(yīng)力逐漸變小的特性。在創(chuàng)傷修復(fù)過程中，強行縫合缺損面積較大或破壞嚴(yán)重的皮膚時，常因伴有較大張力而失敗，因而采用皮下分離或組織擴張的方式減少傷口周圍組織間的張力。皮下分離即游離切斷皮瓣或傷口周圍真皮與皮下組織間的聯(lián)系。當(dāng)張力超過200~250 g時，皮瓣遠端易發(fā)生壞死，雖然增加游離長度有利于緩解張力，但為減少對皮瓣或皮緣血供影響，游離范圍一般控制在1~2 cm內(nèi)，旋轉(zhuǎn)皮瓣角度不宜超過90°[19,20,21,22,23,24]。

而當(dāng)傷口周圍有足夠的正常皮膚時，常采用醫(yī)源性組織擴張減少對合張力、擴充可用皮膚面積。根據(jù)擴張時間不同，分為延時組織擴張和快速術(shù)中組織擴張。前者通過植入體積可調(diào)節(jié)的擴張器，在1~6周內(nèi)不斷擴張皮膚可獲得約三成的皮膚表面積，但會使真皮和皮下組織變薄，進而導(dǎo)致擴張皮膚的抗張強度和粘彈性變差[25]。雖然有研究顯示表皮可通過有絲分裂和角化細胞增殖來代償組織厚度，但其代償能力有限[26]。術(shù)中快速組織擴張則通過巾鉗循環(huán)夾持或保持縫合將兩側(cè)皮緣張力對合集中到一點，直到傷口周圍皮膚面積逐漸增加、張力逐漸減小，從而減小縫合難度[27]。以上減小傷口對合張力的方法均應(yīng)用了皮膚應(yīng)力松弛的特性，而皮膚的蠕變可能與液體和基質(zhì)移位、彈性纖維微觀斷裂、膠原纖維拉直以及組織在應(yīng)力作用下重排有關(guān)。

二、肌肉的生物力學(xué)特性

我們主要討論與骨關(guān)節(jié)相關(guān)的骨骼肌的特性。器官水平的肌肉應(yīng)力-應(yīng)變曲線與皮膚相似，具有典型的軟組織特性，作為一種非線性、各向異性的軟組織已被廣泛認(rèn)同，而且與皮膚一樣也具有粘彈性，不作過多闡釋[28,29]。此外，肌肉還具有以下不同特性。

（一）主動收縮特性

肌肉的主動收縮功能依賴于其特殊的微觀結(jié)構(gòu)[30]。肌纖維主要由肌動蛋白、肌球蛋白和肌聯(lián)蛋白構(gòu)成，三者相互作用產(chǎn)生肌肉的運動[31]。術(shù)中過度牽伸以及電熱刺激引起的肌肉痙攣都可能改變肌節(jié)正常構(gòu)造從而降低肌肉收縮能力、影響手術(shù)效果和功能恢復(fù)，故手術(shù)過程中應(yīng)注意加強對肌肉組織的保護。這種特殊的微觀結(jié)構(gòu)以及各級結(jié)構(gòu)之間的細胞外基質(zhì)也是肌肉被動力學(xué)特性產(chǎn)生的基礎(chǔ)[32]。

（二）觸變性

"觸變性"一詞早在1984年由Lakie等[33]提出，被用來形容肌肉受外力作用或主動收縮后力學(xué)特性發(fā)生改變的特性，不同于彈性和粘性。1993年P(guān)roske等[34]對相關(guān)研究進行了綜述，并提出了觸變性是動作調(diào)節(jié)和肌肉控制的生理基礎(chǔ)。觸變性作為橫紋肌的基本性質(zhì)被廣泛認(rèn)可，而認(rèn)可度較高的是"橫橋理論" 。橫橋在每個肌節(jié)中聯(lián)結(jié)肌動蛋白和肌球蛋白，在肌肉收縮中起重要作用。當(dāng)肌肉放松后，橫橋通常自動解離，但有約1%的橫橋在解離后會自發(fā)形成新的聯(lián)結(jié)，賦予肌肉一定的力學(xué)特性，即觸變性的基礎(chǔ)。Sarmiento等[35]通過實驗證實了軟組織加壓在提升骨骼強度和關(guān)節(jié)穩(wěn)定性上具有顯著效果，提示臨床實現(xiàn)骨折部位穩(wěn)定性要充分利用軟組織特性。近年來，有研究顯示肌梭的觸變性與本體感覺的產(chǎn)生關(guān)系密切，為臨床上更好地理解感覺缺失和運動失調(diào)開辟了新思路[36]。

（三）羽狀角

羽狀角是肌纖維與肌腱之間形成的夾角，是肌肉的一種重要的功能性特征，不同肌肉具有不同的羽狀角，且同一肌肉的羽狀角也會隨相關(guān)部位的運動發(fā)生變化[37,38]。羽狀角的大小與等長收縮強度成正比，隨著肌肉等長收縮強度增加，羽狀角成正比增大。對于人體肌肉，極限收縮時的羽狀角大小與靜息時相比可相差120%~170%[39,40]。羽狀角的改變會影響肌肉的力學(xué)特性，且其變化與肌纖維長度、肌肉厚度等參數(shù)相關(guān)，因此常通過測量羽狀角對廢用性肌萎縮、肌肉震顫、肌腫瘤等肌肉相關(guān)疾病進行診斷[41]。Turton等[42]應(yīng)用床旁超聲觀察特級護理患者下肢肌肉，發(fā)現(xiàn)臥床5 d的患者股外側(cè)肌羽狀角減小，肌肉厚度變小，提示肌少癥的出現(xiàn)與羽狀角減小相關(guān)。Scott等[43]通過對臨床病例的觀察發(fā)現(xiàn)，肌少癥男性具有較低的脊柱與全身骨密度，肌少癥女性具有較低的全髖骨密度，提示肌少癥與骨質(zhì)疏松的發(fā)生具有一定的相關(guān)性，揭示了人體各組織間存在著復(fù)雜的調(diào)控系統(tǒng)，因此切不可忽視軟組織的作用。目前，自動檢測羽狀角改變的超聲檢測設(shè)備已被應(yīng)用于臨床，且具有較強的可靠性和良好的真實性。

（四）應(yīng)變歷史與肌肉特性

肌肉的力學(xué)特性受應(yīng)變歷史影響很大，一個典型表現(xiàn)是肌肉殘余應(yīng)力增強現(xiàn)象。Hill[44]對其進行了系統(tǒng)地描述，即肌肉在離心收縮（主動收縮同時受外力拉長）后產(chǎn)生的力量大于相同等長收縮或等速收縮所產(chǎn)生的力量，且此力量大小與所受外力成正比，稱為殘余應(yīng)力增強[45,46]。Minozzo等[47]討論了關(guān)于殘余應(yīng)力增強的三種學(xué)說，其中橫橋理論和肌節(jié)不均一理論都有其局限性，而肌聯(lián)蛋白理論則能很好地解釋這一特性，Herzog等[48]詳細地論述了其原理并提出了不同于傳統(tǒng)橫橋理論的三元素肌肉收縮新模型，即在肌肉離心收縮時，肌聯(lián)蛋白可通過其特殊結(jié)構(gòu)域分別與鈣離子和肌動蛋白肌絲結(jié)合，從而以兩種不同的方式增加自身強度，表現(xiàn)為肌力增強或抗拉強度增加[49]。作為一種結(jié)構(gòu)蛋白，肌聯(lián)蛋白提供了肌節(jié)受外力拉伸時的穩(wěn)定性；在屈服強度下，肌聯(lián)蛋白的免疫球蛋白區(qū)表現(xiàn)出良好的延展性，使肌節(jié)產(chǎn)生可恢復(fù)的形變而非破壞，是肌肉粘彈性的重要來源[50,51]。這提示在嚴(yán)重肌肉拉傷或中樞損傷所致的肌陣攣中，即使肌節(jié)被拉伸到功能喪失，其結(jié)構(gòu)上仍有可能完全恢復(fù)。

三、肌腱和韌帶的生物力學(xué)特性

膠原纖維約占肌腱干重的80%，是其多層次精致結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，其平行排列使組織具有剛度和彈性[52]。與多數(shù)粘彈性材料一樣，肌腱和韌帶亦具有非線性、滯后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖3），同時體現(xiàn)出各向異性、蠕變及應(yīng)力松弛等特點。

圖3

肌腱軸向拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線拉伸最初部分為曲線，此階段肌腱內(nèi)卷曲的纖維逐漸被拉直；以后拉直的膠原纖維表現(xiàn)出彈性，此段應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈線性關(guān)系，斜率即為彈性模量。彈性范圍外肌腱纖維開始產(chǎn)生微觀撕裂，在屈服強度下宏觀的破壞變得明顯，并最終于強度極限時產(chǎn)生斷裂

（一）復(fù)雜的力學(xué)傳導(dǎo)系統(tǒng)

肌腱是肌肉-肌腱-骨骼系統(tǒng)中的一環(huán)，傳導(dǎo)肌肉動力，并輔助產(chǎn)生運動，其力學(xué)性質(zhì)在移行過程中逐漸變化。屈、伸肌腱楊氏模量和抗拉強度一般大于收、展肌腱，即使在同一肌腱的亞結(jié)構(gòu)間，力學(xué)特征也存在差異[53]。Pekala等[54]研究結(jié)果顯示跟腱的三條分腱匯合時扭轉(zhuǎn)程度存在差別，淺層肌腱的扭矩明顯小于深層肌腱，這種差異可能成為各種肌腱疾病的病理基礎(chǔ)。雖然肌腱的強度遠大于肌肉組織，但與肌肉不同，肌腱只有在肌肉收縮過程中才承受載荷而無法主動收縮，且在體肌腱承受的應(yīng)力主要受肌肉收縮量和肌肉-肌腱體積比的影響。另外，肌腱可通過有無腱鞘劃分為有鞘肌腱和無鞘肌腱，其中有鞘肌腱承受的摩擦力較大且在力的方向性上表達精準(zhǔn)以完成各種精細動作。相比之下，韌帶受力要更加復(fù)雜，如脊柱韌帶在受拉伸和壓縮的同時受扭轉(zhuǎn)和剪切作用，而環(huán)狀韌帶可作為腱鞘的一部分來改變力的傳導(dǎo)方向[55]。了解不同部位肌腱和韌帶的特性和功能有利于軟組織損傷的診斷和對預(yù)后的判斷。

（二）決定肌腱和韌帶力學(xué)特性的主要因素

多種內(nèi)外因素可對肌腱和韌帶的力學(xué)特性產(chǎn)生影響。肌腱和韌帶均主要由膠原組織構(gòu)成，固有力學(xué)特性相似并主要決定于膠原和彈性纖維的固有性能、纖維組織的結(jié)構(gòu)方向性以及兩者構(gòu)成比。在力學(xué)加載測試中，兩者的強度均主要受橫截面和力學(xué)加載速度的影響[56]。有研究顯示，髕腱強度與性別、體質(zhì)指數(shù)、相關(guān)肌肉力量均有聯(lián)系，而其厚度與性別無關(guān)[57]。肌腱的力學(xué)特性受年齡影響，隨年齡增加，肌腱膠原含量增加而抗拉強度減小[58]。Marqueti等[59]通過對20只大鼠的對照研究發(fā)現(xiàn)，阻抗運動有利于抵抗衰老對肌腱強度的削弱，有利于保持肌腱最大強度。Tsitsilonis等[60]對24只大鼠的研究顯示，合成雄激素的使用可逆轉(zhuǎn)運動對肌腱強度的提升作用。這對臨床恢復(fù)期的訓(xùn)練計劃的制訂有指導(dǎo)意義。隨著生物力學(xué)研究逐漸向微觀層次發(fā)展，大量研究顯示，血糖、激素、細胞成分、細胞外基質(zhì)在肌腱和韌帶的生物力學(xué)特性表達中均可發(fā)揮作用[61,62,63,64,65,66,67]。

四、神經(jīng)的生物力學(xué)特性

神經(jīng)組織作為一種粘彈性固體，與其他軟組織相似，也具有應(yīng)力松弛及蠕變等特性。中樞神經(jīng)在人體內(nèi)的位置相對固定且有大量結(jié)構(gòu)保護，其承受的應(yīng)力相對較??；而周圍神經(jīng)在體內(nèi)走行復(fù)雜或位置表淺，易受體內(nèi)外各種理化因素損傷，故其生物力學(xué)性質(zhì)是骨科臨床常需要考慮的問題，主要包括以下幾方面特性。

（一）應(yīng)力-應(yīng)變曲線

周圍神經(jīng)的應(yīng)變一般是指其在軸向拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生的長度變化，多用伸長率表示[68]。其應(yīng)力-應(yīng)變曲線不同于皮膚、肌腱，包括纖維伸展區(qū)、線性形變區(qū)和塑性形變區(qū)三部分（圖4）。

圖4

周圍神經(jīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線第一部分曲線平緩成凹形，此階段神經(jīng)外膜和內(nèi)膜中的蜷曲成分逐漸展開；第二部分近似直線，斜率即為神經(jīng)的彈性模量，提示進入彈性形變階段，直至彈性極限；第三部分為塑性形變區(qū)，在屈服強度處應(yīng)變加速，最高點為神經(jīng)的強度極限，此后由于結(jié)構(gòu)破壞明顯應(yīng)力迅速下降，并在一段緩慢下降后神經(jīng)完全斷裂

（二）剛度、順應(yīng)性及粘彈性

神經(jīng)組織的剛度和順應(yīng)性體現(xiàn)在外力作用下發(fā)生形變的難易程度，剛度對應(yīng)于應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性節(jié)段中的斜率，受很多因素影響[69]。分支較少、毗鄰關(guān)節(jié)的神經(jīng)一般具有較強的順應(yīng)性，且在較慢的拉伸速度下順應(yīng)性較大[70,71,72]。此外，應(yīng)變歷史也對剛度產(chǎn)生影響，以8%或10%的應(yīng)變率對外周神經(jīng)做反復(fù)拉伸時，相同應(yīng)變下神經(jīng)承受的應(yīng)力逐漸減小，反映隨應(yīng)變周期增加，神經(jīng)剛度減小而順應(yīng)性增大[73]。在彈性范圍外，神經(jīng)組織的粘性特征明顯，主要表現(xiàn)為應(yīng)力松弛和蠕變，而應(yīng)力松弛主要發(fā)生在固定拉伸的前20 min且在拉伸速度較小時體現(xiàn)明顯[74,75]。

（三）物理應(yīng)力作用

神經(jīng)可能受到體內(nèi)、外各種物理應(yīng)力的作用，包括軸向拉應(yīng)力、垂直壓應(yīng)力、重復(fù)應(yīng)力和制動下應(yīng)力等，這些應(yīng)力常同時存在。根據(jù)Mueller和Maluf[76]提出的物理應(yīng)力理論，生物組織所承受的各種應(yīng)力均可從小到大劃分為五個連續(xù)等級，只有在適中的應(yīng)力下，軟組織才能發(fā)揮正常功能，此應(yīng)力范圍被稱作功能區(qū)。而在功能區(qū)外，軟組織的正常力學(xué)特性將發(fā)生改變，甚至出現(xiàn)功能異常。大量動物實驗顯示當(dāng)神經(jīng)延長速度超過1.0 cm/d或延長率在11%以上時，神經(jīng)會因承受過大應(yīng)力而發(fā)生脫髓鞘、軸突斷裂、神經(jīng)傳導(dǎo)功能障礙等表現(xiàn)，而這類損傷表現(xiàn)與神經(jīng)的血流障礙和缺血再灌注有關(guān)。一般將醫(yī)源性神經(jīng)延長的速度控制在0.5~1.0 cm/d，監(jiān)控神經(jīng)功能有利于將神經(jīng)上的應(yīng)力控制在功能區(qū)內(nèi)[73]。

神經(jīng)所受的垂直壓力可繼發(fā)于軸向形變或直接來自外力，作用時間長或壓力過大均可導(dǎo)致束膜下水腫、炎癥、脫髓鞘、軸突變性、纖維化等神經(jīng)損傷[77]。腕管綜合征是導(dǎo)致正中神經(jīng)損傷的常見原因，腕管內(nèi)壓力增加與腕關(guān)節(jié)的活動和姿勢關(guān)系密切，治療應(yīng)以減輕腕管內(nèi)壓力為主，通過調(diào)整手部姿勢促進神經(jīng)恢復(fù)正常偏移和應(yīng)力[78,79]。重復(fù)應(yīng)力可產(chǎn)生于外界高頻振動或重復(fù)運動，對神經(jīng)傳導(dǎo)功能的損害體現(xiàn)在無髓鞘神經(jīng)上，主要病理表現(xiàn)為軸質(zhì)排列錯亂和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)堆積[80,81,82]。值得提出的是，制動所致的應(yīng)力缺失同樣可使神經(jīng)組織發(fā)生結(jié)構(gòu)和功能的改變，如軸突末端細胞生物學(xué)改變、軸突和髓鞘直徑減小等[83,84]。因此在對患者采用夾板、繃帶及其他固定方式進行制動治療時，應(yīng)通過監(jiān)測疼痛、反射、感覺等指標(biāo)來估計神經(jīng)所受的應(yīng)力，在恢復(fù)期逐步增加應(yīng)力直至達到功能區(qū)范圍[85]。

（四）靜息張力

在體神經(jīng)生理狀態(tài)下具有一定靜息張力，故當(dāng)神經(jīng)被切斷時會立即回縮[86]。而離體狀態(tài)下的神經(jīng)多接近于零張力狀態(tài)，提示神經(jīng)靜息張力與神經(jīng)床的構(gòu)成相關(guān)，在對神經(jīng)組織的離體研究和神經(jīng)移植時應(yīng)考慮到此特性。值得注意的是，臨床上被切斷的神經(jīng)在進行原位縫合時會出現(xiàn)吻合口張力過大的現(xiàn)象，提示一旦神經(jīng)的力學(xué)穩(wěn)定性遭到破壞，很難恢復(fù)至初始應(yīng)力狀態(tài)，或需要很長時間恢復(fù)[87]。

（五）偏移、集中和離散

神經(jīng)相對于神經(jīng)床的橫向或縱向位移稱為"偏移" （或"滑動" ），一般隨關(guān)節(jié)運動產(chǎn)生，且方向由神經(jīng)與關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的解剖關(guān)系決定[88,89]。肘關(guān)節(jié)伸展時正中神經(jīng)被拉伸，同時肘關(guān)節(jié)兩側(cè)的正中神經(jīng)分別向肘關(guān)節(jié)偏移，且離關(guān)節(jié)越近的節(jié)段越早發(fā)生偏移，且幅度越大[68,89,90]。這種當(dāng)關(guān)節(jié)活動時，神經(jīng)向關(guān)節(jié)方向移動的現(xiàn)象被稱為"集中"?[73]。相反，當(dāng)神經(jīng)床張力松弛時，神經(jīng)也會向遠離關(guān)節(jié)的方向偏移，被稱為"離散"?[78]。借助神經(jīng)的偏移特性，臨床上常通過拉伸神經(jīng)床來輔助神經(jīng)延長[80]。Topp和Boyd[73]對正中神經(jīng)和尺神經(jīng)在上肢運動中發(fā)生偏移的方向和幅度進行詳細總結(jié)，以尺神經(jīng)為例，當(dāng)上肢處于肩關(guān)節(jié)外展、外旋90°、腕關(guān)節(jié)中立位時，隨著肘關(guān)節(jié)由屈曲90°向伸直位運動，肘區(qū)尺神經(jīng)逐漸遠離肘關(guān)節(jié)，承受的張力和神經(jīng)床壓力逐漸減小，而伸腕則使腕部尺神經(jīng)應(yīng)力增大，其研究對臨床診斷和康復(fù)評估具有指導(dǎo)意義。另一方面，當(dāng)炎癥、手術(shù)粘連、瘢痕卡壓及腫瘤占位影響神經(jīng)生理性偏移時常表現(xiàn)為疼痛。動物實驗證實神經(jīng)炎癥可誘發(fā)慢性疼痛，提示神經(jīng)損傷是術(shù)后疼痛的原因之一[92]。

五、血管的生物力學(xué)特性

血管通常由內(nèi)膜、中膜、外膜三層結(jié)構(gòu)組成，故血管壁也屬于粘彈性體，與其他軟組織一樣具有蠕變、應(yīng)力松弛等力學(xué)特性。

（一）應(yīng)力-應(yīng)變曲線

動脈具有明顯的屈服強度[93,94]。Kamenskiy等[95]分別對尸體胸主動脈、腹主動脈、鎖骨下動脈、頸總動脈、髂總動脈、腎動脈進行了二維拉伸實驗，并給出了各動脈的本構(gòu)參數(shù)和應(yīng)力-應(yīng)變曲線，驗證了動脈的非線性、各向異性，為相關(guān)模型構(gòu)建及移植物的選擇提供了參考（圖5）。與動脈相比，靜脈的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似，但彈性模量較小。Karimi等[96]研究顯示臍靜脈的最大應(yīng)變比臍動脈高92%，而臍動脈的彈性模量和最大應(yīng)力分別比臍靜脈高162%和42%。近年來各種人造血管或脫細胞血管支架逐漸被用于血管移植[97]，而正是這些移植材料的生物力學(xué)特性決定了其適用性。

圖5

動脈應(yīng)力-應(yīng)變曲線一維拉伸初期，應(yīng)力-應(yīng)變曲線低平，此時平滑肌和屈曲狀態(tài)的膠原纖維受力，血管的剛度和彈性模量較??；當(dāng)拉伸逐漸增大時，動脈的剛度和彈性模量隨著膠原纖維承載數(shù)目的增加而增大，曲線呈過渡型；以后，膠原纖維主要承受載荷，剛度較大，彈性模量增加緩慢，故曲線接近直線，直至斷裂點

（二）生理張力和殘余應(yīng)力

由于受到來自內(nèi)、外部各種力的作用，血管在體內(nèi)存在生理張力，可稱為載荷狀態(tài)；完全離體的血管不受橫向壓力和縱向拉力作用，稱為無載荷狀態(tài)。但由于某些組分彈性回縮對其他成分產(chǎn)生壓應(yīng)力，故此狀態(tài)下血管內(nèi)部存在殘余應(yīng)力[98]；將處于無載荷狀態(tài)的圓環(huán)狀動脈壁沿徑向剪開，動脈壁呈一種張開的扇形狀態(tài)，定義為零應(yīng)力狀態(tài)。從無載荷狀態(tài)到零應(yīng)力狀態(tài)所發(fā)生的形變和應(yīng)力釋放即是殘余應(yīng)變和殘余應(yīng)力。在相關(guān)測量試驗及血管移植中應(yīng)考慮到血管的此種特性。

（三）軸向應(yīng)力與延展性

Weizsacker等[99]對鼠頸動脈的研究表明，在生理形變范圍內(nèi)，血管的軸向應(yīng)力幾乎獨立于內(nèi)壓，說明軸向拉伸不會引管徑的變化和周向力學(xué)性質(zhì)的大幅改變，但軸向拉伸會引起血管痙攣。祁峰等[100]研究顯示動脈具有良好的軸向延展性，當(dāng)軸向延長至30%時，其生理特性影響不大，因此臨床上如動脈缺損小于原長度的30%，可綜合其他因素予以原位縫合而不采用血管移植，而考慮到血管的生理張力，實際缺損范圍可能較測量值小，因此不應(yīng)盲目采用靜脈移植而犧牲血管強度。與動脈不同的是，作為容量血管，靜脈的軸向延展率要小于周向延展率，而同樣作為血管移植的重要供體，臍靜脈的軸向延展性比隱靜脈強，但血管強度小[101]。

（四）疾病對血管生物力學(xué)特性的影響

近年來，靜脈曲張、動脈瘤、動脈粥樣硬化、肺動脈高壓、糖尿病、低氧狀態(tài)以及門靜脈高壓對相關(guān)血管的影響成為該領(lǐng)域的研究熱點。Kamenskiy等[102]對動脈粥樣硬化患者離斷肢體的下肢動脈進行力學(xué)測試和組織學(xué)觀察，發(fā)現(xiàn)在二維拉伸時，所有動脈的周向強度大于軸向強度，但與正常血管相比，患病動脈的周向順應(yīng)性增加而軸向順應(yīng)性減少，這種各向異性的下降可能由膠原排列方向改變、彈性蛋白降解、平滑肌細胞變性等因素造成，在血管疾病診斷和外科操作中應(yīng)當(dāng)結(jié)合患者病史考慮該力學(xué)性能的改變。Karimi等[103]對曲張的隱靜脈進行單軸拉伸測試，發(fā)現(xiàn)由于彈性蛋白和膠原含量的缺失，曲張靜脈的力學(xué)強度變小。

軟組織生物力學(xué)的研究和發(fā)展對骨科臨床實踐具有重要意義，研究的不斷深入促進知識的更新，可為現(xiàn)有的有效治療手段提供佐證，同時對否定不良治療手段提供理論依據(jù)，利于假體和移植物改進，幫助建立更加可靠的軟組織模型，開展更深層次的生物力學(xué)研究，以進一步推動臨床應(yīng)用。