热身过后膝关节韧带更容易受伤吗？

膝关节内侧副韧带(MCL)作为生物材料，其性能对环境和加载历史敏感。在交通事故发生前，行人通常会经历一定的行走甚至跑动(短时间热身)。为了研究热身对损伤的影响，大量研究在室温条件下测量了循环加载对韧带力学性能影响。热身活动除了会造成循环加载外，还会升高体温。正常人体膝关节温度接近31-32℃，热身活动后可达到39℃。为了补充韧带在体温环境下承受循环加载工况的材料性能数据，我们通过动物实验，测量温度和循环加载对MCL韧带力学性能影响，论文已于近期发表于“Frontiers in Bioengineering and Biotechnology Biomaterials”期刊，题目是 “Opposite effect of cyclic loading on the material properties of medial collateral ligament at different temperatures”。论文工作是周青教授负责的一个国家自然科学基金项目的一部分。

我们使用34个成年巴马小型猪的后腿膝关节作为实验对象，解剖获得股骨-MCL-胫骨复合体。将该复合体用定制夹具装夹到拉伸试验机上，进行单向拉伸测试(图1)。

图1 实验设置

实验对象被随机分为四组(图2)：室温环境下10次循环加载(RTBL)，室温环境下240次循环加载(RTCY)，体温环境下10次循环加载(ATBL)，体温环境下240次循环加载(ATCY)。其中室温选择为21-23℃，体温设定为35-37℃。循环加载幅度为4%应变，频率为1.9 Hz。循环加载参数的设置参考了人的正常行走情况。试验机完成试样的循环加载后，再以10 mm/min (应变率：0.003-0.005 /s)的速度从2 N的预载拉伸韧带试样至断裂。

图2 实验方案

韧带在拉伸下的响应曲线主体部分近似线性，在变形的起始段和接近断裂的时候曲线的斜率比较缓(图3)。把曲线线性段的斜率定义为刚度(力-位移关系)或模量(工程应力-工程应变关系)，使用双向方差分析比较。由于线性段的存在，失效位移/失效应变和失效力/失效应力呈正相关。因此，我们采用双向多元方差分析来比较组间的失效位移和失效力(或失效应变和失效应力)的差异性。失效模式被视为分类变量，用卡方检验进行比较。当显著性水平(即p-value)小于0.05时，认为结果具有统计学意义。

图3 典型韧带单向拉伸曲线和力学性能定义

在室温和体温下，循环加载对MCL的力学响应影响如图4所示。温度和循环加载的交互效应对刚度有明显影响(p=0.001)。在室温下，循环加载后刚度显著增加了29.0%(RTBL 52.26±6.58 N/mm，RTCY 67.39±10.43 N/mm；p<0.01)。而在体温下，循环加载后刚度下降了11.5%(ATBL 69.27±13.13 N/mm, ATCY 61.31±6.63 N/mm; p=0.106)，但是不具有统计显著性。我们在实验中只观察到基体断裂和胫骨撕脱，没有发生尸体实验中常见的股骨撕脱。这可能是因为我们使用的对象较为年轻导致的。在年轻的样本中，MCL在股骨界面处的直接插入连接模式通常比胫骨处的间接插入连接模式要强。

图4 实验结果曲线。力-位移曲线：(A)室温(n=9)；(B)关节内体温(n=8)。应力-应变曲线：(C)室温(n=9)；(D)关节内体温(n=8)。曲线在其各自的失效点(最大力/应力点)结束。

为了消除韧带几何形状的影响，我们进一步比较了材料特性。与刚度的结果类似，温度和循环加载的交互效应对模量(p<0.001)和破坏应变(p=0.017)有显著影响。在室温下循环加载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)，破坏应变减少了20.4%(RTBL 22.50±4.72%, RTCY 17.90±4.03%; p=0.030)。同时，在体温下循环加载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)，破坏应变增加了17.5%(ATBL 16.24±4.17%, ATCY 19.09±4.13%; p=0.193)。也就是说室温和体温下，循环加载对MCL力学特性的影响是反向的。体温下循环加载后韧带“变软”，不容易“拉伤”。室温下循环加载后韧带则“变硬”，更容易被“拉伤”。所以要趁着夏天温度高多运动。

图5 单根MCL原纤维单向拉伸响应。紫色条带代表胶原蛋白分子，粉色线条代表交联。

韧带是一种典型多级结构。微观层级上，MCL原纤维响应如图5红线所示。随着外载增加，胶原蛋白分子首先解开其三螺旋结构(uncoiling)。应力达到一定值之后，分子骨架发生相互滑动，形成一个相对平缓的应力-应变段。交联(crosslink)在滑动阶段开始发挥作用，抑制滑动并增强机械性能。因为MCL原纤维中的交联强度比分子骨架的强度强，所以在滑动阶段末尾，分子骨架被拉伸并产生一个急剧上升的曲线段。宏观上的温度和循环加载，都作用在原纤维层级的交联上。相比于基准工况(RTBL)，单独的温度上升(ATBL)或循环加载(RTCY)能破坏部分分子间的交联，解开胶原蛋白分子的三螺旋结构，使得原纤维的解旋阶段缩短，提早进入分子骨架拉伸阶段。宏观上形成了模量上升和失效应变减小。但当温度上升和循环加载同时作用时(ATCY)，失效的交联数量增加，当失效的交联数量超过一定阈值时，交联的强度会弱于分子骨架的强度，此时分子骨架将不会被拉伸，形成图5蓝色虚线样响应。宏观上MCL的响应反而会被弱化，模量降低，失效应变增加。

本研究表明，温度不仅会影响MCL的力学性能，还和循环加载具有交互作用(互相影响)。需要注意的是，韧带主要在体温条件下工作，但目前文献中的循环加载实验都大多在室温下进行。因此我们建议，为准确模拟行人事故中的膝关节韧带损伤行为，最好在体温下测量他们的力学性能。

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.