振動訓練對大鼠跟腱粘彈性的影響

古福明

成都體育學院運動醫(yī)學系（成都 610041）

振動訓練對大鼠跟腱粘彈性的影響

古福明

成都體育學院運動醫(yī)學系（成都 610041）

目的：探討振動訓練對大鼠跟腱粘彈性的影響。方法：3月齡健康雄性SD大鼠30只被隨機分成對照組和訓練組，每組15只。訓練組大鼠進行縱向振動訓練，每天2次，每次15 min，每次訓練后休息5 min，振動頻率為25 Hz，振幅為3 mm，每周訓練5天，共8周。取大鼠下肢跟腱，使用AGIS-MS型電子萬能試驗機，對大鼠跟腱進行滯后、應力松弛、蠕變實驗。結果：與對照組相比，振動訓練組大鼠跟腱的歸一化滯后環(huán)面積顯著減?。≒<0.05），循環(huán)拉伸10次后跟腱的力學性能趨于穩(wěn)定；振動訓練組大鼠跟腱的歸一化應力松弛顯著加快（P<0.01），歸一化蠕變顯著增加（P<0.01）。結論：振動訓練導致大鼠跟腱的粘彈特性發(fā)生改變，這些改變使得跟腱在運動過程中的能量損耗減少，提高了能量利用率，有利于跟腱的自我保護，降低跟腱損傷的發(fā)生率。

振動訓練；粘彈性；跟腱；大鼠；動物實驗

振動訓練是利用機械振動附加外在抗阻負荷刺激肌肉-骨骼系統(tǒng)以改善其性能，提高運動能力的一種輔助訓練方法[1]。作為一種新興的運動訓練方法，振動訓練最先用于航天訓練中，并逐漸應用到其他領域。近年來，振動訓練在運動訓練、全民健身、康復鍛煉及臨床醫(yī)學等領域的應用日趨廣泛[2-5]。肌腱是組成人體運動系統(tǒng)的重要構件，其主要作用是將肌肉產(chǎn)生的力傳遞給骨骼，維持關節(jié)的穩(wěn)定性。肌腱是一種典型的粘彈性材料，它的粘彈特性對其功能的發(fā)揮具有相當重要的作用。目前，國內外關于多種運動訓練模式對肌腱的結構形態(tài)及強度、剛度等生物力學性能影響的研究報道比較多[6-9]，關于運動訓練對肌腱粘彈特性影響的研究報道則比較少，而關于振動訓練模式對肌腱粘彈特性的影響未見報道。本研究采用動物實驗探討振動訓練模式對大鼠跟腱粘彈特性的影響，全面了解肌腱的生物力學特性，旨在為康復鍛煉、運動訓練和運動醫(yī)學實踐提供理論基礎。

1 材料和方法

1.1實驗動物與分組

3月齡健康雄性SD大鼠30只，體重為180～210 g，購于四川大學華西醫(yī)學實驗動物中心。購回的大鼠適應性喂養(yǎng)1周后，隨機分成對照組和振動訓練組，每組15只。實驗期間各組大鼠分籠飼養(yǎng)，自由進食和飲水。環(huán)境溫度維持在18～24℃，相對濕度為45%～55%，自然光照。

1.2振動訓練安排

對照組在籠內自由活動，無振動訓練安排。訓練組大鼠采用美國Power Plate振動訓練臺進行縱向振動訓練，振動頻率為25 Hz，振幅為3 mm。每天訓練2次，每次15 min，每次訓練后休息5 min。每周訓練5天，休息2天，共訓練8周。訓練中，通過自制的有機玻璃器皿確保實驗大鼠以后肢站立姿勢接受縱向振動訓練[10]。

1.3動物取材

8周訓練周期的最后一次振動訓練后，休息24 h。用10%的水合氯醛溶液（3 ml/kg）腹腔注射麻醉大鼠，切取大鼠跟腱，并保留部分肌肉和跟骨。所取實驗用材先用生理鹽水沖洗，之后用浸泡過生理鹽水的濕潤紗布包裹，裝于液氮預冷的凍存管中，并將凍存管迅速放置在－80℃冰箱內冷凍保存，待進行粘彈性測試。

1.4粘彈性實驗

從凍存管中取出大鼠跟腱，在常溫下解凍，待其完全解凍后開始測試。采用日本島津公司的AGIS-MS型電子萬能試驗機，將解凍的待測大鼠跟腱裝夾在萬能試驗機的夾具上，給予1 N左右的初載荷作為測量跟腱初始尺寸的基礎。利用讀數(shù)顯微鏡測量肌腱的長度，以及肌腱上、中、下3個部位的尺寸，測量后取平均值計算肌腱的橫截面積值。

跟腱的滯后、應力松弛和蠕變實驗在恒溫恒濕的實驗室中進行。正式實驗前對跟腱進行預調處理，預調次數(shù)為20次加載——卸載循環(huán)，循環(huán)拉伸時的載荷范圍為0～8 N，加載速率為3 mm/min。并以變形為橫坐標，負荷為縱坐標繪出滯后曲線，計算其滯后環(huán)的面積。預調處理后，以5 mm/min的加載速率加載至拉力為8N時，立即停止加載并保持應變恒定，測定肌腱的應力隨時間改變的應力松弛特性。肌腱休息40 min后，仍以5 mm/min的加載速率加載至試件的應變?yōu)?. 5%時，立即停止加載并保持應力恒定，測定肌腱的應變隨時間改變的蠕變特性。整個測試期間用注滿生理鹽水（37℃）的針頭不間斷地滴浴保濕。實驗結束之后，使用AGIS-MS型電子萬能試驗機自帶的TRAPEZIUM2軟件處理數(shù)據(jù)，并輸出實驗結果。

1.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計學處理

使用Excel 2003將實驗所得的原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理，然后使用SPSS19.0統(tǒng)計軟件處理歸一化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)用平均數(shù)和標準差（±s）表示，采用獨立樣本t檢驗對兩組數(shù)據(jù)進行比較，顯著水平為P<0.05，非常顯著水平為P<0.01。根據(jù)應力松弛曲線和蠕變曲線的情況，分別采用對數(shù)函數(shù)G（t）=a lnt+b擬合應力松弛數(shù)據(jù)，指數(shù)函數(shù)J（t）=c+de-t擬合蠕變數(shù)據(jù)，并用最小二乘法原則分別確定系數(shù)a、b和c、d。

2 結果

2.1滯后特性實驗結果

從表1可知：與對照組相比，振動訓練后大鼠跟腱的歸一化滯后環(huán)面積顯著減?。≒<0.05），且當循環(huán)加載—卸載次數(shù)達到10以上時，跟腱的滯后環(huán)面積差別很小，這表明循環(huán)拉伸10次以后跟腱的力學性能趨于穩(wěn)定。

表1　大鼠跟腱歸一化滯后環(huán)面積

2.2應力松弛實驗結果

振動訓練后大鼠跟腱的歸一化應力松弛加快，且具有非常顯著的差異（P<0.01）（表2）。經(jīng)曲線擬合得到，對照組大鼠跟腱的歸一化應力松弛函數(shù)為：G（t）=0. 9356-0.0953 lnt，振動訓練組大鼠跟腱的歸一化應力松弛函數(shù)為：G（t）=0.8739-0.1015 lnt（圖1）。

表2　大鼠跟腱歸一化應力松弛、蠕變數(shù)據(jù)

圖1　歸一化應力松馳曲線

2.3蠕變實驗結果

振動訓練后大鼠跟腱的歸一化蠕變非常顯著地增加（P<0.01）（表2）。用指數(shù)函數(shù)曲線擬合得到，對照組大鼠跟腱的歸一化蠕變函數(shù)為：J（t）=1.2366-3459.84 e-t，振動訓練組大鼠跟腱的歸一化蠕變函數(shù)為：J（t）=1. 3291-4648.44 e-t（圖2）。

圖2　歸一化蠕變曲線

3 討論

與其他生物軟組織一樣，肌腱具有過程性及隨時性相關的粘彈性特征。肌腱的粘彈性反映了肌腱膠原纖維的固有性質以及膠原纖維與基質之間的相互作用，肌腱特性隨著過程發(fā)生的變化由其滯后現(xiàn)象反映。粘彈性材料滯后現(xiàn)象的原因是材料發(fā)生變形時有內摩擦力作用，使材料應變的速度跟不上應力的變化。因此，材料滯后環(huán)的面積為加載、卸載過程中克服內摩擦力而消耗的能量。在本實驗中，振動訓練后大鼠跟腱的歸一化滯后環(huán)面積顯著減小，這與以前的一些研究結果相一致[11，12]。Wilson等人的在體實驗研究表明：駿馬馳騁時，關節(jié)內部會產(chǎn)生很多熱量，且馬前掌的淺屈肌腱（SDFT）溫度升高可超過5攝氏度[13]，Woo等人觀察到犬膝關節(jié)的脛側副韌帶在25～45℃范圍內，其滯后環(huán)面積隨溫度上升而減小[14]。本研究認為，振動訓練迫使大鼠跟腱吸收振動波的能量，在吸收振動波能量的過程中，跟腱內部產(chǎn)生很多熱能使大鼠跟腱溫度升高，從而使跟腱的膠原纖維與基質之間的內摩擦力減小，拉伸循環(huán)過程中跟腱的能量損耗減少，導致跟腱的歸一化滯后環(huán)面積減小。

肌腱的應力松弛和蠕變現(xiàn)象反映了肌腱特性隨時間的變化，引起應力松弛和蠕變的原因是生物材料的內部分子結構和粘性。本實驗中振動訓練組大鼠跟腱的應力松弛非常顯著地加快，蠕變非常顯著增加，這與劉波的研究結果一致[12]。Woo等人對犬的研究表明：活體犬在靜息時，其膝關節(jié)溫度在33～35℃之間，而在運動訓練時犬膝關節(jié)溫度升高，達到脊髓的溫度，而且脛側副韌帶在一定的溫度范圍內，隨溫度上升應力松弛加快、蠕變增加[14]。事實上，振動訓練就是通過外加機械振動波作用于人體機體，使之產(chǎn)生響應的一個過程，振動訓練迫使肌腱韌帶等吸收振動波的能量，并產(chǎn)生熱能，從而使其溫度升高，肌腱的粘彈性發(fā)生改變。因此，振動訓練中肌腱韌帶等膠原組織長期處于相對高于靜息狀態(tài)的溫度，可能是其應力松弛加快、蠕變增加的原因之一。此外，振動訓練使大鼠跟腱的膠原纖維結構改變也可能是引起應力松弛和蠕變改變的原因。但是，本實驗研究中未測試跟腱形態(tài)結構的變化，振動訓練是否引起跟腱膠原纖維結構的改變，從而導致其應力松弛和蠕變的改變還需要進一步證實。

振動訓練后大鼠跟腱的滯后環(huán)面積顯著減小，表明跟腱在運動過程中的能量損耗減少，通過跟腱傳遞到骨骼的力量更大、能量更多，從而提高了能量的利用效率。振動訓練后大鼠跟腱的應力松弛顯著加快，表明振動訓練組大鼠跟腱內的應力衰減得更快。當跟腱在運動中受到過大的載荷作用時，其應力松弛特性就可以更迅速地衰減載荷作用于跟腱上的應力，從而保護跟腱避免在運動中受到過大應力的傷害。振動訓練后大鼠跟腱的蠕變顯著增加，即在相同的時間間隔內，振動訓練組大鼠跟腱的應變增加量顯著增加。由于材料的變形增加有助于其儲存更大的彈性勢能，因此振動訓練組大鼠跟腱可以儲存更多的能量，從而加大跟腱在運動中的緩沖保護作用。當受到過大的外力作用時，跟腱又可以通過變形增大的方式來吸收更多的能量，從而避免跟腱受傷。所以振動訓練后大鼠跟腱應力松弛加快、蠕變增加，都有利于降低跟腱受力損傷的發(fā)生率，對跟腱具有一定的緩沖保護作用。另外，在等張收縮中，由于肌肉-肌腱單位的長度保持不變，肌腱的蠕變增加導致肌腱變形增加，使得與之相連的肌肉長度減小，從而有效地降低了肌肉疲勞程度，增加了肌肉的工作能力。這有助于大鼠的肌肉-肌腱系統(tǒng)適應由運動訓練而引起的外環(huán)境改變。

與其他生物組織一樣，在外部載荷作用下，肌腱組織發(fā)生形態(tài)和結構上的變化，以適應所承受的載荷環(huán)境[6]。已有的實驗研究表明：長期跑臺運動后可見肌腱膠原纖維排列相對整齊致密，肌腱細胞功能活躍[7，8]。因此，在不同的訓練模式下，肌腱在結構形態(tài)上和生物力學性能方面對運動訓練都有良好的適應，以滿足運動訓練對肌腱的要求，減少其損傷的發(fā)生。本研究發(fā)現(xiàn)，大鼠經(jīng)過一段時間的振動訓練后，其肌腱的粘彈特性發(fā)生了明顯的改變，這是肌腱對其外部環(huán)境變化的一種功能適應性改變。李敏等研究發(fā)現(xiàn)長期跑臺運動后跟腱改變的是膠原質量而非數(shù)量，跟腱通過增加膠原Ⅰ合成量來適應外部負荷改變，生長因子IGF-Ⅰ在跟腱的運動適應中具有一定作用[15]。對于振動訓練后跟腱的功能適應性改變是否也有類似的分子生物學機制，還有待今后深入的研究。

4 結論

振動訓練模式使大鼠跟腱的粘彈特性發(fā)生了顯著性改變，表現(xiàn)為滯后顯著減小、應力松弛非常顯著加快、蠕變非常顯著增加。跟腱粘彈性的這些變化為跟腱的自我保護及運動的精細化奠定了力學基礎，是大鼠跟腱對振動訓練的一種功能適應性反應，即跟腱適應所處環(huán)境的改變，以減少跟腱運動損傷的發(fā)生率。

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Vibration Training Reduces the Risk of Achilles Tendon Injury

Gu Fuming
Department of Sports Medicine，Chengdu Sports University，Sichuan，China 610041 Corresponding Author：Gu Fuming，Email：gufuming97@163.com

Objective The purpose of this study was to investigate the change in viscoelasticity of rats’Achilles tendon after vibration training.Methods Thirty rats were randomly assigned to sedentary control group（n=15）and vibration training group（n=15）.Power Plate vibration platform was used for vibration training group to perform two 15-minute longitudinal vibration trainings（25 Hz and 3 mm amplitude）with an interval of 5 minutes per day，5 days per week for a total of 8 weeks.After the 8-week experiment，the hysteresis，stress relaxation，and creep property of Achilles tendon of all rats were measured by AGIS-MS material testing machine from the SHIMADZU Corporation.Results As compared with the sedentary control group，the area of normalized hysteresis loop reduced（P<0.05），the speed of normalized stress relaxation accelerated（P<0.01），and the normalized creep increased（P<0.01）significantly in vibration training group. Conclusions The longitudinal vibration training reduces the injury risk of Achilles tendon by changing the viscoelastic properties of the tendon.

vibration training，viscoelastic properties，Achilles tendon，rat

2015.11.16

國家自然科學基金項目（11272068）

古福明，Email：gufuming97@163.com