振动训练对大鼠跟腱粘弹性的影响

古福明

成都体育学院运动医学系（成都 610041）

振动训练对大鼠跟腱粘弹性的影响

古福明

成都体育学院运动医学系（成都 610041）

目的：探讨振动训练对大鼠跟腱粘弹性的影响。方法：3月龄健康雄性SD大鼠30只被随机分成对照组和训练组，每组15只。训练组大鼠进行纵向振动训练，每天2次，每次15 min，每次训练后休息5 min，振动频率为25 Hz，振幅为3 mm，每周训练5天，共8周。取大鼠下肢跟腱，使用AGIS-MS型电子万能试验机，对大鼠跟腱进行滞后、应力松弛、蠕变实验。结果：与对照组相比，振动训练组大鼠跟腱的归一化滞后环面积显著减小（P<0.05），循环拉伸10次后跟腱的力学性能趋于稳定；振动训练组大鼠跟腱的归一化应力松弛显著加快（P<0.01），归一化蠕变显著增加（P<0.01）。结论：振动训练导致大鼠跟腱的粘弹特性发生改变，这些改变使得跟腱在运动过程中的能量损耗减少，提高了能量利用率，有利于跟腱的自我保护，降低跟腱损伤的发生率。

振动训练；粘弹性；跟腱；大鼠；动物实验

振动训练是利用机械振动附加外在抗阻负荷刺激肌肉-骨骼系统以改善其性能，提高运动能力的一种辅助训练方法[1]。作为一种新兴的运动训练方法，振动训练最先用于航天训练中，并逐渐应用到其他领域。近年来，振动训练在运动训练、全民健身、康复锻炼及临床医学等领域的应用日趋广泛[2-5]。肌腱是组成人体运动系统的重要构件，其主要作用是将肌肉产生的力传递给骨骼，维持关节的稳定性。肌腱是一种典型的粘弹性材料，它的粘弹特性对其功能的发挥具有相当重要的作用。目前，国内外关于多种运动训练模式对肌腱的结构形态及强度、刚度等生物力学性能影响的研究报道比较多[6-9]，关于运动训练对肌腱粘弹特性影响的研究报道则比较少，而关于振动训练模式对肌腱粘弹特性的影响未见报道。本研究采用动物实验探讨振动训练模式对大鼠跟腱粘弹特性的影响，全面了解肌腱的生物力学特性，旨在为康复锻炼、运动训练和运动医学实践提供理论基础。

1 材料和方法

1.1实验动物与分组

3月龄健康雄性SD大鼠30只，体重为180～210 g，购于四川大学华西医学实验动物中心。购回的大鼠适应性喂养1周后，随机分成对照组和振动训练组，每组15只。实验期间各组大鼠分笼饲养，自由进食和饮水。环境温度维持在18～24℃，相对湿度为45%～55%，自然光照。

1.2振动训练安排

对照组在笼内自由活动，无振动训练安排。训练组大鼠采用美国Power Plate振动训练台进行纵向振动训练，振动频率为25 Hz，振幅为3 mm。每天训练2次，每次15 min，每次训练后休息5 min。每周训练5天，休息2天，共训练8周。训练中，通过自制的有机玻璃器皿确保实验大鼠以后肢站立姿势接受纵向振动训练[10]。

1.3动物取材

8周训练周期的最后一次振动训练后，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。所取实验用材先用生理盐水冲洗，之后用浸泡过生理盐水的湿润纱布包裹，装于液氮预冷的冻存管中，并将冻存管迅速放置在－80℃冰箱内冷冻保存，待进行粘弹性测试。

1.4粘弹性实验

从冻存管中取出大鼠跟腱，在常温下解冻，待其完全解冻后开始测试。采用日本岛津公司的AGIS-MS型电子万能试验机，将解冻的待测大鼠跟腱装夹在万能试验机的夹具上，给予1 N左右的初载荷作为测量跟腱初始尺寸的基础。利用读数显微镜测量肌腱的长度，以及肌腱上、中、下3个部位的尺寸，测量后取平均值计算肌腱的横截面积值。

跟腱的滞后、应力松弛和蠕变实验在恒温恒湿的实验室中进行。正式实验前对跟腱进行预调处理，预调次数为20次加载——卸载循环，循环拉伸时的载荷范围为0～8 N，加载速率为3 mm/min。并以变形为横坐标，负荷为纵坐标绘出滞后曲线，计算其滞后环的面积。预调处理后，以5 mm/min的加载速率加载至拉力为8N时，立即停止加载并保持应变恒定，测定肌腱的应力随时间改变的应力松弛特性。肌腱休息40 min后，仍以5 mm/min的加载速率加载至试件的应变为3. 5%时，立即停止加载并保持应力恒定，测定肌腱的应变随时间改变的蠕变特性。整个测试期间用注满生理盐水（37℃）的针头不间断地滴浴保湿。实验结束之后，使用AGIS-MS型电子万能试验机自带的TRAPEZIUM2软件处理数据，并输出实验结果。

1.5数据统计学处理

使用Excel 2003将实验所得的原始数据进行归一化处理，然后使用SPSS19.0统计软件处理归一化数据，数据用平均数和标准差（±s）表示，采用独立样本t检验对两组数据进行比较，显著水平为P<0.05，非常显著水平为P<0.01。根据应力松弛曲线和蠕变曲线的情况，分别采用对数函数G（t）=a lnt+b拟合应力松弛数据，指数函数J（t）=c+de-t拟合蠕变数据，并用最小二乘法原则分别确定系数a、b和c、d。

2 结果

2.1滞后特性实验结果

从表1可知：与对照组相比，振动训练后大鼠跟腱的归一化滞后环面积显著减小（P<0.05），且当循环加载—卸载次数达到10以上时，跟腱的滞后环面积差别很小，这表明循环拉伸10次以后跟腱的力学性能趋于稳定。

表1　大鼠跟腱归一化滞后环面积

2.2应力松弛实验结果

振动训练后大鼠跟腱的归一化应力松弛加快，且具有非常显著的差异（P<0.01）（表2）。经曲线拟合得到，对照组大鼠跟腱的归一化应力松弛函数为：G（t）=0. 9356-0.0953 lnt，振动训练组大鼠跟腱的归一化应力松弛函数为：G（t）=0.8739-0.1015 lnt（图1）。

表2　大鼠跟腱归一化应力松弛、蠕变数据

图1　归一化应力松驰曲线

2.3蠕变实验结果

振动训练后大鼠跟腱的归一化蠕变非常显著地增加（P<0.01）（表2）。用指数函数曲线拟合得到，对照组大鼠跟腱的归一化蠕变函数为：J（t）=1.2366-3459.84 e-t，振动训练组大鼠跟腱的归一化蠕变函数为：J（t）=1. 3291-4648.44 e-t（图2）。

图2　归一化蠕变曲线

3 讨论

与其他生物软组织一样，肌腱具有过程性及随时性相关的粘弹性特征。肌腱的粘弹性反映了肌腱胶原纤维的固有性质以及胶原纤维与基质之间的相互作用，肌腱特性随着过程发生的变化由其滞后现象反映。粘弹性材料滞后现象的原因是材料发生变形时有内摩擦力作用，使材料应变的速度跟不上应力的变化。因此，材料滞后环的面积为加载、卸载过程中克服内摩擦力而消耗的能量。在本实验中，振动训练后大鼠跟腱的归一化滞后环面积显著减小，这与以前的一些研究结果相一致[11，12]。Wilson等人的在体实验研究表明：骏马驰骋时，关节内部会产生很多热量，且马前掌的浅屈肌腱（SDFT）温度升高可超过5摄氏度[13]，Woo等人观察到犬膝关节的胫侧副韧带在25～45℃范围内，其滞后环面积随温度上升而减小[14]。本研究认为，振动训练迫使大鼠跟腱吸收振动波的能量，在吸收振动波能量的过程中，跟腱内部产生很多热能使大鼠跟腱温度升高，从而使跟腱的胶原纤维与基质之间的内摩擦力减小，拉伸循环过程中跟腱的能量损耗减少，导致跟腱的归一化滞后环面积减小。

肌腱的应力松弛和蠕变现象反映了肌腱特性随时间的变化，引起应力松弛和蠕变的原因是生物材料的内部分子结构和粘性。本实验中振动训练组大鼠跟腱的应力松弛非常显著地加快，蠕变非常显著增加，这与刘波的研究结果一致[12]。Woo等人对犬的研究表明：活体犬在静息时，其膝关节温度在33～35℃之间，而在运动训练时犬膝关节温度升高，达到脊髓的温度，而且胫侧副韧带在一定的温度范围内，随温度上升应力松弛加快、蠕变增加[14]。事实上，振动训练就是通过外加机械振动波作用于人体机体，使之产生响应的一个过程，振动训练迫使肌腱韧带等吸收振动波的能量，并产生热能，从而使其温度升高，肌腱的粘弹性发生改变。因此，振动训练中肌腱韧带等胶原组织长期处于相对高于静息状态的温度，可能是其应力松弛加快、蠕变增加的原因之一。此外，振动训练使大鼠跟腱的胶原纤维结构改变也可能是引起应力松弛和蠕变改变的原因。但是，本实验研究中未测试跟腱形态结构的变化，振动训练是否引起跟腱胶原纤维结构的改变，从而导致其应力松弛和蠕变的改变还需要进一步证实。

振动训练后大鼠跟腱的滞后环面积显著减小，表明跟腱在运动过程中的能量损耗减少，通过跟腱传递到骨骼的力量更大、能量更多，从而提高了能量的利用效率。振动训练后大鼠跟腱的应力松弛显著加快，表明振动训练组大鼠跟腱内的应力衰减得更快。当跟腱在运动中受到过大的载荷作用时，其应力松弛特性就可以更迅速地衰减载荷作用于跟腱上的应力，从而保护跟腱避免在运动中受到过大应力的伤害。振动训练后大鼠跟腱的蠕变显著增加，即在相同的时间间隔内，振动训练组大鼠跟腱的应变增加量显著增加。由于材料的变形增加有助于其储存更大的弹性势能，因此振动训练组大鼠跟腱可以储存更多的能量，从而加大跟腱在运动中的缓冲保护作用。当受到过大的外力作用时，跟腱又可以通过变形增大的方式来吸收更多的能量，从而避免跟腱受伤。所以振动训练后大鼠跟腱应力松弛加快、蠕变增加，都有利于降低跟腱受力损伤的发生率，对跟腱具有一定的缓冲保护作用。另外，在等张收缩中，由于肌肉-肌腱单位的长度保持不变，肌腱的蠕变增加导致肌腱变形增加，使得与之相连的肌肉长度减小，从而有效地降低了肌肉疲劳程度，增加了肌肉的工作能力。这有助于大鼠的肌肉-肌腱系统适应由运动训练而引起的外环境改变。

与其他生物组织一样，在外部载荷作用下，肌腱组织发生形态和结构上的变化，以适应所承受的载荷环境[6]。已有的实验研究表明：长期跑台运动后可见肌腱胶原纤维排列相对整齐致密，肌腱细胞功能活跃[7，8]。因此，在不同的训练模式下，肌腱在结构形态上和生物力学性能方面对运动训练都有良好的适应，以满足运动训练对肌腱的要求，减少其损伤的发生。本研究发现，大鼠经过一段时间的振动训练后，其肌腱的粘弹特性发生了明显的改变，这是肌腱对其外部环境变化的一种功能适应性改变。李敏等研究发现长期跑台运动后跟腱改变的是胶原质量而非数量，跟腱通过增加胶原Ⅰ合成量来适应外部负荷改变，生长因子IGF-Ⅰ在跟腱的运动适应中具有一定作用[15]。对于振动训练后跟腱的功能适应性改变是否也有类似的分子生物学机制，还有待今后深入的研究。

4 结论

振动训练模式使大鼠跟腱的粘弹特性发生了显著性改变，表现为滞后显著减小、应力松弛非常显著加快、蠕变非常显著增加。跟腱粘弹性的这些变化为跟腱的自我保护及运动的精细化奠定了力学基础，是大鼠跟腱对振动训练的一种功能适应性反应，即跟腱适应所处环境的改变，以减少跟腱运动损伤的发生率。

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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

国家自然科学基金项目（11272068）

古福明，Email：gufuming97@163.com