摘要：目的：探討不同頻率的振動(dòng)訓(xùn)練對(duì)大鼠跟腱生物力學(xué)性能的影響和功能適應(yīng)性。方法：60只3月齡健康雄性SD大鼠隨機(jī)分成對(duì)照組、低頻組、中頻組和高頻組，每組15只。訓(xùn)練組的大鼠每天接受縱向振動(dòng)訓(xùn)練2次，每次訓(xùn)練時(shí)間為15 min，兩次訓(xùn)練間歇5 min，振動(dòng)頻率分別為25 Hz、35 Hz、45 Hz，振幅均為3 mm，每周訓(xùn)練5天，共8周。8周后，取大鼠的左下肢跟腱，使用日本島津公司的AGIS-MS型電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其生物力學(xué)性能參數(shù)。結(jié)果：與對(duì)照組相比，低頻組的應(yīng)變有顯著的減?。≒<0.05） ，其余參數(shù)均有非常顯著的增加（P<0.01）；中頻組的各參數(shù)均無顯著性差異（P>0.05）；高頻組的應(yīng)變無顯著性差異（P>0.05），彈性模量有非常顯著的增加（P<0.01），其余參數(shù)有顯著的增加（P<0.05）。高頻組與低頻組相比，最大載荷和彈性模量有非常顯著的差異（P<0.01），最大應(yīng)力有顯著的差異（P<0.05），其余參數(shù)無顯著的差異（P>0.05）。結(jié)論：25 Hz的振動(dòng)訓(xùn)練能顯著地提高大鼠跟腱的生物力學(xué)性能，產(chǎn)生功能適應(yīng)性變化。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)訓(xùn)練；生物力學(xué)性能；跟腱；大鼠；動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：804.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-2076（2014）06-0083-04

Abstract：The purpose of this study was to investigate different frequencies of vibration training effect on biomechanical properties of rat Achilles tendon， and to discuss functional adaptation of rat Achilles tendon. 60 male rats 3-month-old were randomly divided into quiet control group， low， middle and high frequency training group， with 15 for each group. Rats were trained twice a day with longitudinal vibration. Every time， the training time is 15 min， two training intermittent 5 min. The vibration frequency is 25Hz respectively， 35Hz， 45Hz， amplitude are 3 mm， 5 days a week， a total of 8 weeks. After 8 weeks， the rat's left Achilles tendon was cut out. The biomechanical parameters of rat Achilles tendon were measured by AGIS-MS material testing machine of the SHIMADZU Corporation. The results showed that： compared with quiet control group， in 25Hz group， the strain decreased significantly （P<0.05）， the rest of the parameters increased very significantly （P<0.01）. In 35Hz group，biomechanical parameters have no significant difference （P>0.05）. In 45Hz

收稿日期：2014-08-12

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11272068）。

作者簡介：古福明（1963-），男，四川簡陽人，工學(xué)碩士，副教授，研究方向運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)。

作者單位：成都體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)系，四川 成都610041

Dept of Sports Medicine， Chengdu Sports University， Chengdu 610041， Chinagroup， the strain is no significant difference （P>0.05）， elastic modulus increased very significantly （P<0.01）， the rest of the parameters increased significantly （P<0.05）. High frequency group compared with low frequency group， the maximum load and elastic modulus have very significant difference （P<0.01）， the maximum stress has significant difference （P<0.05）， the rest of the parameters are not significant difference （P>0.05）. It concludes that 25Hz frequency of vibration training can signally improve the biomechanical parameters of rat Achilles tendon， and cause functional adaptation.

Key words： vibration training； biomechanical properties； Achilles tendon； rat； animal experiment

振動(dòng)訓(xùn)練是利用外加機(jī)械振動(dòng)對(duì)肌肉力量進(jìn)行的輔助練習(xí)。振動(dòng)訓(xùn)練最初用于對(duì)肌肉萎縮、肌無力等患者進(jìn)行的康復(fù)訓(xùn)練，后來拓展應(yīng)用到其他領(lǐng)域。近年來，振動(dòng)訓(xùn)練作為一種新興的訓(xùn)練方法，在康復(fù)治療、競技體育、大眾健身、航天醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前，國內(nèi)外有關(guān)振動(dòng)訓(xùn)練的研究工作主要集中在振動(dòng)訓(xùn)練對(duì)肌肉力量的作用效果方面[1-5]，而很少關(guān)注甚至忽略了振動(dòng)訓(xùn)練對(duì)與肌肉組織密切相關(guān)的肌腱組織機(jī)能特性的影響。肌腱是將肌肉收縮力傳遞給骨骼的功能部件，要求其具有較高的承載能力，肌腱的生物力學(xué)性能對(duì)肌肉—肌腱復(fù)合體的特性和功能有著重要的作用。為了全面了解振動(dòng)訓(xùn)練對(duì)生物組織作用效應(yīng)的影響，更好地指導(dǎo)振動(dòng)訓(xùn)練實(shí)踐，避免振動(dòng)造成的傷害和振動(dòng)訓(xùn)練的進(jìn)一步發(fā)展提供理論依據(jù)，本研究通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)探討振動(dòng)訓(xùn)練對(duì)跟腱生物力學(xué)性能的影響和功能適應(yīng)性變化。

山東體育學(xué)院學(xué)報(bào)第30卷第6期2014年12月 古福明振動(dòng)訓(xùn)練對(duì)大鼠跟腱生物力學(xué)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究No.6 20141研究方法

1.1實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及飼養(yǎng)方法

選用四川大學(xué)華西醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心培育的3月齡健康雄性SD大鼠60只，體重為180～210 g。采用架式籠養(yǎng)，每籠5只，按國家標(biāo)準(zhǔn)嚙齒類動(dòng)物顆粒飼料喂養(yǎng)，自由攝食和飲水。運(yùn)動(dòng)與飼養(yǎng)環(huán)境溫度維持在18 ℃～24℃，相對(duì)濕度為45%～55%，自然光照。

1.2動(dòng)物分組與振動(dòng)訓(xùn)練方案

大鼠適應(yīng)性飼養(yǎng)1周后，隨機(jī)分成4組，即對(duì)照組、低頻組、中頻組和高頻組，每組15只。對(duì)照組的大鼠籠內(nèi)自由活動(dòng)，不施加任何干預(yù)飼養(yǎng)。采用美國Power Plate振動(dòng)訓(xùn)練臺(tái)對(duì)低頻組、中頻組和高頻組的大鼠進(jìn)行振動(dòng)訓(xùn)練，振動(dòng)頻率分別是25 Hz、35 Hz和45 Hz。訓(xùn)練時(shí)將同一振動(dòng)頻率實(shí)驗(yàn)組的15只大鼠放置在振動(dòng)臺(tái)上，每只大鼠分別放置在自制的有機(jī)玻璃器皿中，該器皿能限制大鼠直立姿勢(shì)，保證大鼠下肢在抗自身重力的狀態(tài)下接受振動(dòng)刺激[6]。每天振動(dòng)訓(xùn)練2次，每次訓(xùn)練時(shí)間為15 min，兩次訓(xùn)練間歇時(shí)間為5 min。各組的振幅均為3 mm，縱向振動(dòng)。每周訓(xùn)練5天，休息2天，共訓(xùn)練8周。

1.3實(shí)驗(yàn)動(dòng)物取材

各組大鼠在最后一次振動(dòng)訓(xùn)練后24小時(shí)內(nèi)進(jìn)行取材。采用10%的水合氯醛溶液（3 ml/kg）腹腔注射麻醉大鼠，取大鼠的左下肢跟腱，去除腱圍，保留部分肌肉和跟骨。所取實(shí)驗(yàn)用料用浸泡過生理鹽水的紗布包裹后，立即裝于液氮預(yù)冷的凍存管，然后放置在-80℃冰箱冷凍待測(cè)。

1.4力學(xué)指標(biāo)檢測(cè)

在四川大學(xué)生物力學(xué)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，將解凍的待測(cè)大鼠跟腱夾于夾具中，采用日本島津公司的AGIS-MS型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，在恒溫恒濕的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行跟腱生物力學(xué)性能測(cè)試。正式測(cè)試前進(jìn)行跟腱的預(yù)調(diào)處理，預(yù)調(diào)次數(shù)為10次循環(huán)拉伸，循環(huán)拉伸時(shí)的載荷范圍為0～8 N，加載速率為3 mm/min。預(yù)調(diào)實(shí)驗(yàn)之后立即進(jìn)行正式測(cè)試，以3 mm/min加載速率進(jìn)行拉伸破壞試驗(yàn)，以受試材料不在夾具處斷裂為實(shí)驗(yàn)成功的標(biāo)準(zhǔn)，并記錄其載荷-變形曲線。測(cè)試期間用注滿生理鹽水的針頭不間斷地滴浴保濕。之后，使用AGIS-MS型電子萬能試驗(yàn)機(jī)自帶的TRAPEZIUM2軟件處理數(shù)據(jù)，并輸出最大載荷和到最大載荷時(shí)的能量吸收等跟腱結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)，以及彈性模量、最大應(yīng)力、到最大載荷時(shí)的應(yīng)變等跟腱的材料力學(xué)參數(shù)。

1.5統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

使用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采用平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差（±SD）表示，采用單因素方差分析和差異顯著性檢驗(yàn)對(duì)不同組別的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，顯著水平為P<0.05，非常顯著水平為P<0.01。

2結(jié)果

在AGIS-MS型電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)下，由跟腱的載荷-變形曲線，可得到典型的肌腱應(yīng)力-應(yīng)變曲線。各組大鼠跟腱的力學(xué)性能參數(shù)見表1。經(jīng)單因素方差分析和差異顯著性檢驗(yàn)，訓(xùn)練8周后，與對(duì)照組相比，低頻組（25 Hz）大鼠跟腱的最大載荷、到最大載荷時(shí)的能量吸收、彈性模量、最大應(yīng)力均有非常顯著的增加（P<0.01），到最大載荷時(shí)的應(yīng)變有顯著的減?。≒<0.05）；中頻組（35 Hz）大鼠跟腱的最大載荷、到最大載荷時(shí)的能量吸收、彈性模量、最大應(yīng)力均有所增加，到最大載荷時(shí)的應(yīng)變有所減小，但均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的差異（P>0.05）；高頻組（45 Hz）大鼠跟腱的彈性模量有非常顯著的增加（P<0.01），最大載荷、到最大載荷時(shí)的能量吸收、最大應(yīng)力均有顯著增加（P<0.05），但是，到最大載荷時(shí)的應(yīng)變無顯著性的減?。≒>0.05）。

高頻組與低頻組相比，最大載荷和彈性模量有非常顯著性的差異（P<0.01），最大應(yīng)力有顯著性的差異（P<0.05），到最大載荷時(shí)的能量吸收和到最大載荷時(shí)的應(yīng)變無顯著性的差異（P>0.05）。表1大鼠跟腱的生物力學(xué)性能參數(shù)

組別n最大載荷（N）能量吸收（mJ）彈性模量（MPa）最大應(yīng)力（MPa）應(yīng)變（%）對(duì)照組1549.49±3.95162.35±9.5647.54±3.678.87±0.5745.27±2.92低頻組1559.67±5.12▲▲178.31±10.81▲▲60.05±2.68▲▲10.56±1.11▲▲41.31±3.99▲中頻組1550.71±4.03170.42±11.3848.59±3.789.00±1.1042.527±6.67高頻組1553.55±4.28▲■■172.32±9.74▲54.87±1.97▲▲■■9.56±0.97▲■43.46±4.58注：與對(duì)照組相比，▲：P<0.05，▲▲：P<0.01；高頻組與低頻組相比，■：P<0.05，■■：P<0.01。

3分析與討論

3.1不同頻率的振動(dòng)訓(xùn)練對(duì)大鼠跟腱力學(xué)性能的影響

國內(nèi)外關(guān)于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)肌腱力學(xué)性能影響的研究較多，但是由于實(shí)驗(yàn)采用的動(dòng)物種類、年齡、運(yùn)動(dòng)模式和運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的不同，文獻(xiàn)報(bào)道的一些研究結(jié)果不完全相同[7-10]。通過文獻(xiàn)檢索，未檢索到有關(guān)振動(dòng)訓(xùn)練模式對(duì)大鼠跟腱力學(xué)特性影響的研究報(bào)道，因此，為了排除生長發(fā)育過程本身對(duì)肌腱力學(xué)性能的影響，本實(shí)驗(yàn)選用3月齡大鼠為研究對(duì)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：低頻組和高頻組大鼠跟腱的最大載荷、能量吸收、彈性模量、最大應(yīng)力等力學(xué)參數(shù)均顯著高于安靜對(duì)照組，而中頻組大鼠跟腱的各項(xiàng)生物力學(xué)參數(shù)與對(duì)照組相比無顯著性差異，即低頻組（25 Hz）和高頻組（45 Hz）的振動(dòng)訓(xùn)練均能提高大鼠跟腱的生物力學(xué)指標(biāo)，而中頻組（35 Hz）的訓(xùn)練效果不明顯，其原因可能是由于35 Hz的振動(dòng)頻率等于或非常接近于大鼠下肢的固有頻率（大鼠器官的固有頻率缺少相關(guān)文獻(xiàn)資料），引起大鼠下肢的共振現(xiàn)象，從而使得作受迫振動(dòng)的大鼠下肢的載荷量過大，超出了跟腱膠原纖維的允許載荷上限，導(dǎo)致大鼠跟腱的膠原纖維受到微損傷，而微損傷的跟腱膠原纖維在振動(dòng)訓(xùn)練后的休整時(shí)間內(nèi)得到修復(fù)，即跟腱的膠原纖維在整個(gè)振動(dòng)訓(xùn)練周期內(nèi)重復(fù)進(jìn)行著損傷-修復(fù)的過程，從而使35 Hz訓(xùn)練組的大鼠跟腱的生物力學(xué)性能無顯著的變化。

根據(jù)振動(dòng)理論，簡諧振動(dòng)的加速度幅值與振動(dòng)頻率的平方成正比，因此作簡諧振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的受力幅值與振動(dòng)頻率的平方成正比。振動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，被訓(xùn)練動(dòng)物的生物組織作受迫振動(dòng)，所以振動(dòng)頻率越高，施加于生物組織的載荷越大，且與振動(dòng)頻率的平方成正比。因此，45 Hz的振動(dòng)訓(xùn)練施加于跟腱的載荷要比25 Hz的振動(dòng)訓(xùn)練施加于跟腱的載荷大得多。從表1可知，低頻組的最大載荷和彈性模量均非常顯著地高于高頻組的（P<0.01），低頻組的最大應(yīng)力顯著地高于高頻組的（P<0.05），這表明從振動(dòng)訓(xùn)練改善大鼠跟腱的生物力學(xué)性能來看，25 Hz頻率的振動(dòng)訓(xùn)練對(duì)大鼠跟腱力學(xué)性能的改善優(yōu)于45 Hz頻率的振動(dòng)訓(xùn)練。因此，25 Hz是比45 Hz更適宜的大鼠跟腱振動(dòng)訓(xùn)練頻率。

3.2振動(dòng)訓(xùn)練對(duì)大鼠跟腱功能適應(yīng)性的影響

與對(duì)照組相比，25 Hz和45 Hz兩組大鼠跟腱的最大載荷、最大應(yīng)力、彈性模量都顯著增加，在最大載荷時(shí)的應(yīng)變顯著的減小。而可能引起共振的35 Hz振動(dòng)訓(xùn)練施加于跟腱的載荷過大，大鼠跟腱的生物力學(xué)參數(shù)無顯著性的變化。這說明載荷增大對(duì)跟腱適應(yīng)性的影響是有一定限度的，超過這個(gè)限度，跟腱的適應(yīng)性就會(huì)停止，甚至有害。

由表1可知，25 Hz組與45 Hz組間的最大載荷、彈性模量和最大應(yīng)力等生物力學(xué)參數(shù)存在著顯著性差異，這表明在一定的載荷限度內(nèi)，大鼠跟腱對(duì)載荷大小的功能適應(yīng)性是不同的，在適當(dāng)載荷作用下大鼠跟腱的適應(yīng)性更好。因此，大鼠跟腱的功能適應(yīng)性對(duì)應(yīng)存在著一個(gè)最佳載荷值。

與其他有生命的組織一樣，在載荷作用下，肌腱組織發(fā)生形態(tài)與結(jié)構(gòu)上的變化，以適應(yīng)所承受的載荷環(huán)境[11]。但是，跟腱的功能適應(yīng)性是存在一個(gè)載荷范圍的，且有最佳載荷值。在該范圍內(nèi)的載荷量可以顯著地提升肌腱的生物力學(xué)性能，而超出該范圍的載荷不會(huì)使跟腱產(chǎn)生功能適應(yīng)性，過大的載荷值甚至可能會(huì)使跟腱受到傷害。

3.3訓(xùn)練后大鼠跟腱力學(xué)性能改變的意義

適宜頻率的振動(dòng)訓(xùn)練后，大鼠跟腱的最大載荷、最大應(yīng)力、彈性模量都顯著增加，在最大載荷時(shí)的應(yīng)變顯著的減小。最大載荷的增加可以提高機(jī)體運(yùn)動(dòng)時(shí)肌腱承受最大負(fù)荷的能力，最大應(yīng)力的增加提高了肌腱的強(qiáng)度。跟腱彈性模量的增加，使得在一定的變形的情況下，跟腱彈性力增大，即在其他條件相同時(shí)肌腱能傳遞的肌力更大；由于肌腱的損傷及斷裂通常是在一定應(yīng)變下肌腱內(nèi)部的膠原纖維部分或全部遭到破壞，所以跟腱彈性模量的增加及應(yīng)變的減小，可使肌腱受力損傷的幾率降低。

肌腱不僅將肌肉產(chǎn)生的力傳遞到骨，而且還能在肌肉的退讓式收縮中儲(chǔ)存彈性能。振動(dòng)訓(xùn)練后大鼠跟腱到最大載荷時(shí)的能量吸收顯著增加，即跟腱儲(chǔ)存彈性勢(shì)能的能力顯著增加。由生物力學(xué)可知，肌腱儲(chǔ)存彈性能量及隨后的能量釋放可以增大肌肉克制性收縮時(shí)末端的力量，因此能量吸收的增加可以節(jié)省能量消耗，提高運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的經(jīng)濟(jì)性。

振動(dòng)訓(xùn)練后大鼠跟腱生物力學(xué)性能的改善，可以提高機(jī)體運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的經(jīng)濟(jì)性和肌腱工作的安全系數(shù)，降低機(jī)體大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)肌腱損傷的幾率。

4結(jié)論

25 Hz是大鼠跟腱振動(dòng)訓(xùn)練的適宜頻率，采用適宜頻率的振動(dòng)訓(xùn)練能顯著地提高大鼠跟腱的生物力學(xué)性能，產(chǎn)生功能適應(yīng)性變化，從而在一定程度上減少肌肉—肌腱復(fù)合體的損傷幾率和提高運(yùn)動(dòng)的效率。同時(shí)，為了達(dá)到良好的振動(dòng)訓(xùn)練效果，實(shí)施振動(dòng)訓(xùn)練時(shí)振動(dòng)頻率的選擇要避開待訓(xùn)練部位系統(tǒng)的固有頻率及其附近區(qū)域。

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