振动训练对大鼠跟腱生物力学性能影响的实验研究

摘要：目的：探讨不同频率的振动训练对大鼠跟腱生物力学性能的影响和功能适应性。方法：60只3月龄健康雄性SD大鼠随机分成对照组、低频组、中频组和高频组，每组15只。训练组的大鼠每天接受纵向振动训练2次，每次训练时间为15 min，两次训练间歇5 min，振动频率分别为25 Hz、35 Hz、45 Hz，振幅均为3 mm，每周训练5天，共8周。8周后，取大鼠的左下肢跟腱，使用日本岛津公司的AGIS-MS型电子万能试验机测试其生物力学性能参数。结果：与对照组相比，低频组的应变有显著的减小（P<0.05） ，其余参数均有非常显著的增加（P<0.01）；中频组的各参数均无显著性差异（P>0.05）；高频组的应变无显著性差异（P>0.05），弹性模量有非常显著的增加（P<0.01），其余参数有显著的增加（P<0.05）。高频组与低频组相比，最大载荷和弹性模量有非常显著的差异（P<0.01），最大应力有显著的差异（P<0.05），其余参数无显著的差异（P>0.05）。结论：25 Hz的振动训练能显著地提高大鼠跟腱的生物力学性能，产生功能适应性变化。

关键词：振动训练；生物力学性能；跟腱；大鼠；动物实验

中图分类号：804.6文献标识码：A文章编号：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

基金项目：国家自然科学基金项目（11272068）。

作者简介：古福明（1963-），男，四川简阳人，工学硕士，副教授，研究方向运动生物力学。

作者单位：成都体育学院运动医学系，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

振动训练是利用外加机械振动对肌肉力量进行的辅助练习。振动训练最初用于对肌肉萎缩、肌无力等患者进行的康复训练，后来拓展应用到其他领域。近年来，振动训练作为一种新兴的训练方法，在康复治疗、竞技体育、大众健身、航天医学等领域有着广泛的应用。目前，国内外有关振动训练的研究工作主要集中在振动训练对肌肉力量的作用效果方面[1-5]，而很少关注甚至忽略了振动训练对与肌肉组织密切相关的肌腱组织机能特性的影响。肌腱是将肌肉收缩力传递给骨骼的功能部件，要求其具有较高的承载能力，肌腱的生物力学性能对肌肉—肌腱复合体的特性和功能有着重要的作用。为了全面了解振动训练对生物组织作用效应的影响，更好地指导振动训练实践，避免振动造成的伤害和振动训练的进一步发展提供理论依据，本研究通过动物实验探讨振动训练对跟腱生物力学性能的影响和功能适应性变化。

山东体育学院学报第30卷第6期2014年12月 古福明振动训练对大鼠跟腱生物力学性能影响的实验研究No.6 20141研究方法

1.1实验动物及饲养方法

选用四川大学华西医学实验动物中心培育的3月龄健康雄性SD大鼠60只，体重为180～210 g。采用架式笼养，每笼5只，按国家标准啮齿类动物颗粒饲料喂养，自由摄食和饮水。运动与饲养环境温度维持在18 ℃～24℃，相对湿度为45%～55%，自然光照。

1.2动物分组与振动训练方案

大鼠适应性饲养1周后，随机分成4组，即对照组、低频组、中频组和高频组，每组15只。对照组的大鼠笼内自由活动，不施加任何干预饲养。采用美国Power Plate振动训练台对低频组、中频组和高频组的大鼠进行振动训练，振动频率分别是25 Hz、35 Hz和45 Hz。训练时将同一振动频率实验组的15只大鼠放置在振动台上，每只大鼠分别放置在自制的有机玻璃器皿中，该器皿能限制大鼠直立姿势，保证大鼠下肢在抗自身重力的状态下接受振动刺激[6]。每天振动训练2次，每次训练时间为15 min，两次训练间歇时间为5 min。各组的振幅均为3 mm，纵向振动。每周训练5天，休息2天，共训练8周。

1.3实验动物取材

各组大鼠在最后一次振动训练后24小时内进行取材。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，去除腱围，保留部分肌肉和跟骨。所取实验用料用浸泡过生理盐水的纱布包裹后，立即装于液氮预冷的冻存管，然后放置在-80℃冰箱冷冻待测。

1.4力学指标检测

在四川大学生物力学省重点实验室，将解冻的待测大鼠跟腱夹于夹具中，采用日本岛津公司的AGIS-MS型电子万能试验机，在恒温恒湿的实验室中进行跟腱生物力学性能测试。正式测试前进行跟腱的预调处理，预调次数为10次循环拉伸，循环拉伸时的载荷范围为0～8 N，加载速率为3 mm/min。预调实验之后立即进行正式测试，以3 mm/min加载速率进行拉伸破坏试验，以受试材料不在夹具处断裂为实验成功的标准，并记录其载荷-变形曲线。测试期间用注满生理盐水的针头不间断地滴浴保湿。之后，使用AGIS-MS型电子万能试验机自带的TRAPEZIUM2软件处理数据，并输出最大载荷和到最大载荷时的能量吸收等跟腱结构力学参数，以及弹性模量、最大应力、到最大载荷时的应变等跟腱的材料力学参数。

1.5统计学处理

使用SPSS19.0统计软件处理实验数据，数据采用平均数和标准差（±SD）表示，采用单因素方差分析和差异显著性检验对不同组别的数据进行比较，显著水平为P<0.05，非常显著水平为P<0.01。

2结果

在AGIS-MS型电子万能实验机下，由跟腱的载荷-变形曲线，可得到典型的肌腱应力-应变曲线。各组大鼠跟腱的力学性能参数见表1。经单因素方差分析和差异显著性检验，训练8周后，与对照组相比，低频组（25 Hz）大鼠跟腱的最大载荷、到最大载荷时的能量吸收、弹性模量、最大应力均有非常显著的增加（P<0.01），到最大载荷时的应变有显著的减小（P<0.05）；中频组（35 Hz）大鼠跟腱的最大载荷、到最大载荷时的能量吸收、弹性模量、最大应力均有所增加，到最大载荷时的应变有所减小，但均无统计学意义上的差异（P>0.05）；高频组（45 Hz）大鼠跟腱的弹性模量有非常显著的增加（P<0.01），最大载荷、到最大载荷时的能量吸收、最大应力均有显著增加（P<0.05），但是，到最大载荷时的应变无显著性的减小（P>0.05）。

高频组与低频组相比，最大载荷和弹性模量有非常显著性的差异（P<0.01），最大应力有显著性的差异（P<0.05），到最大载荷时的能量吸收和到最大载荷时的应变无显著性的差异（P>0.05）。表1大鼠跟腱的生物力学性能参数

组别n最大载荷（N）能量吸收（mJ）弹性模量（MPa）最大应力（MPa）应变（%）对照组1549.49±3.95162.35±9.5647.54±3.678.87±0.5745.27±2.92低频组1559.67±5.12▲▲178.31±10.81▲▲60.05±2.68▲▲10.56±1.11▲▲41.31±3.99▲中频组1550.71±4.03170.42±11.3848.59±3.789.00±1.1042.527±6.67高频组1553.55±4.28▲■■172.32±9.74▲54.87±1.97▲▲■■9.56±0.97▲■43.46±4.58注：与对照组相比，▲：P<0.05，▲▲：P<0.01；高频组与低频组相比，■：P<0.05，■■：P<0.01。

3分析与讨论

3.1不同频率的振动训练对大鼠跟腱力学性能的影响

国内外关于运动训练对肌腱力学性能影响的研究较多，但是由于实验采用的动物种类、年龄、运动模式和运动负荷的不同，文献报道的一些研究结果不完全相同[7-10]。通过文献检索，未检索到有关振动训练模式对大鼠跟腱力学特性影响的研究报道，因此，为了排除生长发育过程本身对肌腱力学性能的影响，本实验选用3月龄大鼠为研究对象。实验结果表明：低频组和高频组大鼠跟腱的最大载荷、能量吸收、弹性模量、最大应力等力学参数均显著高于安静对照组，而中频组大鼠跟腱的各项生物力学参数与对照组相比无显著性差异，即低频组（25 Hz）和高频组（45 Hz）的振动训练均能提高大鼠跟腱的生物力学指标，而中频组（35 Hz）的训练效果不明显，其原因可能是由于35 Hz的振动频率等于或非常接近于大鼠下肢的固有频率（大鼠器官的固有频率缺少相关文献资料），引起大鼠下肢的共振现象，从而使得作受迫振动的大鼠下肢的载荷量过大，超出了跟腱胶原纤维的允许载荷上限，导致大鼠跟腱的胶原纤维受到微损伤，而微损伤的跟腱胶原纤维在振动训练后的休整时间内得到修复，即跟腱的胶原纤维在整个振动训练周期内重复进行着损伤-修复的过程，从而使35 Hz训练组的大鼠跟腱的生物力学性能无显著的变化。

根据振动理论，简谐振动的加速度幅值与振动频率的平方成正比，因此作简谐振动质点的受力幅值与振动频率的平方成正比。振动训练时，被训练动物的生物组织作受迫振动，所以振动频率越高，施加于生物组织的载荷越大，且与振动频率的平方成正比。因此，45 Hz的振动训练施加于跟腱的载荷要比25 Hz的振动训练施加于跟腱的载荷大得多。从表1可知，低频组的最大载荷和弹性模量均非常显著地高于高频组的（P<0.01），低频组的最大应力显著地高于高频组的（P<0.05），这表明从振动训练改善大鼠跟腱的生物力学性能来看，25 Hz频率的振动训练对大鼠跟腱力学性能的改善优于45 Hz频率的振动训练。因此，25 Hz是比45 Hz更适宜的大鼠跟腱振动训练频率。

3.2振动训练对大鼠跟腱功能适应性的影响

与对照组相比，25 Hz和45 Hz两组大鼠跟腱的最大载荷、最大应力、弹性模量都显著增加，在最大载荷时的应变显著的减小。而可能引起共振的35 Hz振动训练施加于跟腱的载荷过大，大鼠跟腱的生物力学参数无显著性的变化。这说明载荷增大对跟腱适应性的影响是有一定限度的，超过这个限度，跟腱的适应性就会停止，甚至有害。

由表1可知，25 Hz组与45 Hz组间的最大载荷、弹性模量和最大应力等生物力学参数存在着显著性差异，这表明在一定的载荷限度内，大鼠跟腱对载荷大小的功能适应性是不同的，在适当载荷作用下大鼠跟腱的适应性更好。因此，大鼠跟腱的功能适应性对应存在着一个最佳载荷值。

与其他有生命的组织一样，在载荷作用下，肌腱组织发生形态与结构上的变化，以适应所承受的载荷环境[11]。但是，跟腱的功能适应性是存在一个载荷范围的，且有最佳载荷值。在该范围内的载荷量可以显著地提升肌腱的生物力学性能，而超出该范围的载荷不会使跟腱产生功能适应性，过大的载荷值甚至可能会使跟腱受到伤害。

3.3训练后大鼠跟腱力学性能改变的意义

适宜频率的振动训练后，大鼠跟腱的最大载荷、最大应力、弹性模量都显著增加，在最大载荷时的应变显著的减小。最大载荷的增加可以提高机体运动时肌腱承受最大负荷的能力，最大应力的增加提高了肌腱的强度。跟腱弹性模量的增加，使得在一定的变形的情况下，跟腱弹性力增大，即在其他条件相同时肌腱能传递的肌力更大；由于肌腱的损伤及断裂通常是在一定应变下肌腱内部的胶原纤维部分或全部遭到破坏，所以跟腱弹性模量的增加及应变的减小，可使肌腱受力损伤的几率降低。

肌腱不仅将肌肉产生的力传递到骨，而且还能在肌肉的退让式收缩中储存弹性能。振动训练后大鼠跟腱到最大载荷时的能量吸收显著增加，即跟腱储存弹性势能的能力显著增加。由生物力学可知，肌腱储存弹性能量及随后的能量释放可以增大肌肉克制性收缩时末端的力量，因此能量吸收的增加可以节省能量消耗，提高运动动作的经济性。

振动训练后大鼠跟腱生物力学性能的改善，可以提高机体运动动作的经济性和肌腱工作的安全系数，降低机体大强度运动时肌腱损伤的几率。

4结论

25 Hz是大鼠跟腱振动训练的适宜频率，采用适宜频率的振动训练能显著地提高大鼠跟腱的生物力学性能，产生功能适应性变化，从而在一定程度上减少肌肉—肌腱复合体的损伤几率和提高运动的效率。同时，为了达到良好的振动训练效果，实施振动训练时振动频率的选择要避开待训练部位系统的固有频率及其附近区域。

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