膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)副韌帶(MCL)作為生物材料，其性能對(duì)環(huán)境和加載歷史敏感。在交通事故發(fā)生前，行人通常會(huì)經(jīng)歷一定的行走甚至跑動(dòng)(短時(shí)間熱身)。為了研究熱身對(duì)損傷的影響，大量研究在室溫條件下測(cè)量了循環(huán)加載對(duì)韌帶力學(xué)性能影響。熱身活動(dòng)除了會(huì)造成循環(huán)加載外，還會(huì)升高體溫。正常人體膝關(guān)節(jié)溫度接近31-32℃，熱身活動(dòng)后可達(dá)到39℃。為了補(bǔ)充韌帶在體溫環(huán)境下承受循環(huán)加載工況的材料性能數(shù)據(jù)，我們通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，測(cè)量溫度和循環(huán)加載對(duì)MCL韌帶力學(xué)性能影響，論文已于近期發(fā)表于“Frontiers in Bioengineering and Biotechnology Biomaterials”期刊，題目是 “Opposite effect of cyclic loading on the material properties of medial collateral ligament at different temperatures”。論文工作是周青教授負(fù)責(zé)的一個(gè)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的一部分。

我們使用34個(gè)成年巴馬小型豬的后腿膝關(guān)節(jié)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，解剖獲得股骨-MCL-脛骨復(fù)合體。將該復(fù)合體用定制夾具裝夾到拉伸試驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行單向拉伸測(cè)試(圖1)。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)對(duì)象被隨機(jī)分為四組(圖2)：室溫環(huán)境下10次循環(huán)加載(RTBL)，室溫環(huán)境下240次循環(huán)加載(RTCY)，體溫環(huán)境下10次循環(huán)加載(ATBL)，體溫環(huán)境下240次循環(huán)加載(ATCY)。其中室溫選擇為21-23℃，體溫設(shè)定為35-37℃。循環(huán)加載幅度為4%應(yīng)變，頻率為1.9 Hz。循環(huán)加載參數(shù)的設(shè)置參考了人的正常行走情況。試驗(yàn)機(jī)完成試樣的循環(huán)加載后，再以10 mm/min (應(yīng)變率：0.003-0.005 /s)的速度從2 N的預(yù)載拉伸韌帶試樣至斷裂。

圖2 實(shí)驗(yàn)方案

韌帶在拉伸下的響應(yīng)曲線主體部分近似線性，在變形的起始段和接近斷裂的時(shí)候曲線的斜率比較緩(圖3)。把曲線線性段的斜率定義為剛度(力-位移關(guān)系)或模量(工程應(yīng)力-工程應(yīng)變關(guān)系)，使用雙向方差分析比較。由于線性段的存在，失效位移/失效應(yīng)變和失效力/失效應(yīng)力呈正相關(guān)。因此，我們采用雙向多元方差分析來比較組間的失效位移和失效力(或失效應(yīng)變和失效應(yīng)力)的差異性。失效模式被視為分類變量，用卡方檢驗(yàn)進(jìn)行比較。當(dāng)顯著性水平(即p-value)小于0.05時(shí)，認(rèn)為結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖3 典型韌帶單向拉伸曲線和力學(xué)性能定義

在室溫和體溫下，循環(huán)加載對(duì)MCL的力學(xué)響應(yīng)影響如圖4所示。溫度和循環(huán)加載的交互效應(yīng)對(duì)剛度有明顯影響(p=0.001)。在室溫下，循環(huán)加載后剛度顯著增加了29.0%(RTBL 52.26±6.58 N/mm，RTCY 67.39±10.43 N/mm；p<0.01)。而在體溫下，循環(huán)加載后剛度下降了11.5%(ATBL 69.27±13.13 N/mm, ATCY 61.31±6.63 N/mm; p=0.106)，但是不具有統(tǒng)計(jì)顯著性。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中只觀察到基體斷裂和脛骨撕脫，沒有發(fā)生尸體實(shí)驗(yàn)中常見的股骨撕脫。這可能是因?yàn)槲覀兪褂玫膶?duì)象較為年輕導(dǎo)致的。在年輕的樣本中，MCL在股骨界面處的直接插入連接模式通常比脛骨處的間接插入連接模式要強(qiáng)。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線。力-位移曲線：(A)室溫(n=9)；(B)關(guān)節(jié)內(nèi)體溫(n=8)。應(yīng)力-應(yīng)變曲線：(C)室溫(n=9)；(D)關(guān)節(jié)內(nèi)體溫(n=8)。曲線在其各自的失效點(diǎn)(最大力/應(yīng)力點(diǎn))結(jié)束。

為了消除韌帶幾何形狀的影響，我們進(jìn)一步比較了材料特性。與剛度的結(jié)果類似，溫度和循環(huán)加載的交互效應(yīng)對(duì)模量(p<0.001)和破壞應(yīng)變(p=0.017)有顯著影響。在室溫下循環(huán)加載240次后，模量增加了29.6%(RTBL 234.87±32.18 MPa, RTCY 304.38±39.59 MPa; p<0.001)，破壞應(yīng)變減少了20.4%(RTBL 22.50±4.72%, RTCY 17.90±4.03%; p=0.030)。同時(shí)，在體溫下循環(huán)加載240次后，模量下降了27.4%(ATBL 320.23±43.31 MPa, ATCY 232.42±33.89 MPa; p<0.001)，破壞應(yīng)變?cè)黾恿?7.5%(ATBL 16.24±4.17%, ATCY 19.09±4.13%; p=0.193)。也就是說室溫和體溫下，循環(huán)加載對(duì)MCL力學(xué)特性的影響是反向的。體溫下循環(huán)加載后韌帶“變軟”，不容易“拉傷”。室溫下循環(huán)加載后韌帶則“變硬”，更容易被“拉傷”。所以要趁著夏天溫度高多運(yùn)動(dòng)。

圖5 單根MCL原纖維單向拉伸響應(yīng)。紫色條帶代表膠原蛋白分子，粉色線條代表交聯(lián)。

韌帶是一種典型多級(jí)結(jié)構(gòu)。微觀層級(jí)上，MCL原纖維響應(yīng)如圖5紅線所示。隨著外載增加，膠原蛋白分子首先解開其三螺旋結(jié)構(gòu)(uncoiling)。應(yīng)力達(dá)到一定值之后，分子骨架發(fā)生相互滑動(dòng)，形成一個(gè)相對(duì)平緩的應(yīng)力-應(yīng)變段。交聯(lián)(crosslink)在滑動(dòng)階段開始發(fā)揮作用，抑制滑動(dòng)并增強(qiáng)機(jī)械性能。因?yàn)镸CL原纖維中的交聯(lián)強(qiáng)度比分子骨架的強(qiáng)度強(qiáng)，所以在滑動(dòng)階段末尾，分子骨架被拉伸并產(chǎn)生一個(gè)急劇上升的曲線段。宏觀上的溫度和循環(huán)加載，都作用在原纖維層級(jí)的交聯(lián)上。相比于基準(zhǔn)工況(RTBL)，單獨(dú)的溫度上升(ATBL)或循環(huán)加載(RTCY)能破壞部分分子間的交聯(lián)，解開膠原蛋白分子的三螺旋結(jié)構(gòu)，使得原纖維的解旋階段縮短，提早進(jìn)入分子骨架拉伸階段。宏觀上形成了模量上升和失效應(yīng)變減小。但當(dāng)溫度上升和循環(huán)加載同時(shí)作用時(shí)(ATCY)，失效的交聯(lián)數(shù)量增加，當(dāng)失效的交聯(lián)數(shù)量超過一定閾值時(shí)，交聯(lián)的強(qiáng)度會(huì)弱于分子骨架的強(qiáng)度，此時(shí)分子骨架將不會(huì)被拉伸，形成圖5藍(lán)色虛線樣響應(yīng)。宏觀上MCL的響應(yīng)反而會(huì)被弱化，模量降低，失效應(yīng)變?cè)黾印?

本研究表明，溫度不僅會(huì)影響MCL的力學(xué)性能，還和循環(huán)加載具有交互作用(互相影響)。需要注意的是，韌帶主要在體溫條件下工作，但目前文獻(xiàn)中的循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)都大多在室溫下進(jìn)行。因此我們建議，為準(zhǔn)確模擬行人事故中的膝關(guān)節(jié)韌帶損傷行為，最好在體溫下測(cè)量他們的力學(xué)性能。

Chen W, Zhou Q. Opposite Effect of Cyclic Loading on the Material Properties of Medial Collateral Ligament at Different Temperatures: An Animal Study. Front Bioeng. 2022;10.