振動訓練對大鼠跟腱生物力學性能影響的實驗研究

摘要：目的：探討不同頻率的振動訓練對大鼠跟腱生物力學性能的影響和功能適應性。方法：60只3月齡健康雄性SD大鼠隨機分成對照組、低頻組、中頻組和高頻組，每組15只。訓練組的大鼠每天接受縱向振動訓練2次，每次訓練時間為15 min，兩次訓練間歇5 min，振動頻率分別為25 Hz、35 Hz、45 Hz，振幅均為3 mm，每周訓練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型電子萬能試驗機測試其生物力學性能參數。結果：與對照組相比，低頻組的應變有顯著的減小（P<0.05） ，其余參數均有非常顯著的增加（P<0.01）；中頻組的各參數均無顯著性差異（P>0.05）；高頻組的應變無顯著性差異（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），最大應力有顯著的差異（P<0.05），其余參數無顯著的差異（P>0.05）。結論：25 Hz的振動訓練能顯著地提高大鼠跟腱的生物力學性能，產生功能適應性變化。

關鍵詞：振動訓練；生物力學性能；跟腱；大鼠；動物實驗

中圖分類號：804.6文獻標識碼：A文章編號：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

基金項目：國家自然科學基金項目（11272068）。

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

作者單位：成都體育學院運動醫學系，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

振動訓練是利用外加機械振動對肌肉力量進行的輔助練習。振動訓練最初用于對肌肉萎縮、肌無力等患者進行的康復訓練，后來拓展應用到其他領域。近年來，振動訓練作為一種新興的訓練方法，在康復治療、競技體育、大眾健身、航天醫學等領域有著廣泛的應用。目前，國內外有關振動訓練的研究工作主要集中在振動訓練對肌肉力量的作用效果方面[1-5]，而很少關注甚至忽略了振動訓練對與肌肉組織密切相關的肌腱組織機能特性的影響。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，肌腱的生物力學性能對肌肉—肌腱復合體的特性和功能有著重要的作用。為了全面了解振動訓練對生物組織作用效應的影響，更好地指導振動訓練實踐，避免振動造成的傷害和振動訓練的進一步發展提供理論依據，本研究通過動物實驗探討振動訓練對跟腱生物力學性能的影響和功能適應性變化。

山東體育學院學報第30卷第6期2014年12月 古福明振動訓練對大鼠跟腱生物力學性能影響的實驗研究No.6 20141研究方法

1.1實驗動物及飼養方法

選用四川大學華西醫學實驗動物中心培育的3月齡健康雄性SD大鼠60只，體重為180～210 g。采用架式籠養，每籠5只，按國家標準嚙齒類動物顆粒飼料喂養，自由攝食和飲水。運動與飼養環境溫度維持在18 ℃～24℃，相對濕度為45%～55%，自然光照。

1.2動物分組與振動訓練方案

大鼠適應性飼養1周后，隨機分成4組，即對照組、低頻組、中頻組和高頻組，每組15只。對照組的大鼠籠內自由活動，不施加任何干預飼養。采用美國Power Plate振動訓練臺對低頻組、中頻組和高頻組的大鼠進行振動訓練，振動頻率分別是25 Hz、35 Hz和45 Hz。訓練時將同一振動頻率實驗組的15只大鼠放置在振動臺上，每只大鼠分別放置在自制的有機玻璃器皿中，該器皿能限制大鼠直立姿勢，保證大鼠下肢在抗自身重力的狀態下接受振動刺激[6]。每天振動訓練2次，每次訓練時間為15 min，兩次訓練間歇時間為5 min。各組的振幅均為3 mm，縱向振動。每周訓練5天，休息2天，共訓練8周。

1.3實驗動物取材

各組大鼠在最后一次振動訓練后24小時內進行取材。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。所取實驗用料用浸泡過生理鹽水的紗布包裹后，立即裝于液氮預冷的凍存管，然后放置在-80℃冰箱冷凍待測。

1.4力學指標檢測

在四川大學生物力學省重點實驗室，將解凍的待測大鼠跟腱夾于夾具中，采用日本島津公司的AGIS-MS型電子萬能試驗機，在恒溫恒濕的實驗室中進行跟腱生物力學性能測試。正式測試前進行跟腱的預調處理，預調次數為10次循環拉伸，循環拉伸時的載荷范圍為0～8 N，加載速率為3 mm/min。預調實驗之后立即進行正式測試，以3 mm/min加載速率進行拉伸破壞試驗，以受試材料不在夾具處斷裂為實驗成功的標準，并記錄其載荷-變形曲線。測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型電子萬能試驗機自帶的TRAPEZIUM2軟件處理數據，并輸出最大載荷和到最大載荷時的能量吸收等跟腱結構力學參數，以及彈性模量、最大應力、到最大載荷時的應變等跟腱的材料力學參數。

1.5統計學處理

使用SPSS19.0統計軟件處理實驗數據，數據采用平均數和標準差（±SD）表示，采用單因素方差分析和差異顯著性檢驗對不同組別的數據進行比較，顯著水平為P<0.05，非常顯著水平為P<0.01。

2結果

在AGIS-MS型電子萬能實驗機下，由跟腱的載荷-變形曲線，可得到典型的肌腱應力-應變曲線。各組大鼠跟腱的力學性能參數見表1。經單因素方差分析和差異顯著性檢驗，訓練8周后，與對照組相比，低頻組（25 Hz）大鼠跟腱的最大載荷、到最大載荷時的能量吸收、彈性模量、最大應力均有非常顯著的增加（P<0.01），到最大載荷時的應變有顯著的減小（P<0.05）；中頻組（35 Hz）大鼠跟腱的最大載荷、到最大載荷時的能量吸收、彈性模量、最大應力均有所增加，到最大載荷時的應變有所減小，但均無統計學意義上的差異（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、到最大載荷時的能量吸收、最大應力均有顯著增加（P<0.05），但是，到最大載荷時的應變無顯著性的減小（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性的差異（P<0.01），最大應力有顯著性的差異（P<0.05），到最大載荷時的能量吸收和到最大載荷時的應變無顯著性的差異（P>0.05）。表1大鼠跟腱的生物力學性能參數

組別n最大載荷（N）能量吸收（mJ）彈性模量（MPa）最大應力（MPa）應變（%）對照組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不同頻率的振動訓練對大鼠跟腱力學性能的影響

國內外關于運動訓練對肌腱力學性能影響的研究較多，但是由于實驗采用的動物種類、年齡、運動模式和運動負荷的不同，文獻報道的一些研究結果不完全相同[7-10]。通過文獻檢索，未檢索到有關振動訓練模式對大鼠跟腱力學特性影響的研究報道，因此，為了排除生長發育過程本身對肌腱力學性能的影響，本實驗選用3月齡大鼠為研究對象。實驗結果表明：低頻組和高頻組大鼠跟腱的最大載荷、能量吸收、彈性模量、最大應力等力學參數均顯著高于安靜對照組，而中頻組大鼠跟腱的各項生物力學參數與對照組相比無顯著性差異，即低頻組（25 Hz）和高頻組（45 Hz）的振動訓練均能提高大鼠跟腱的生物力學指標，而中頻組（35 Hz）的訓練效果不明顯，其原因可能是由于35 Hz的振動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文獻資料），引起大鼠下肢的共振現象，從而使得作受迫振動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訓練后的休整時間內得到修復，即跟腱的膠原纖維在整個振動訓練周期內重復進行著損傷-修復的過程，從而使35 Hz訓練組的大鼠跟腱的生物力學性能無顯著的變化。

根據振動理論，簡諧振動的加速度幅值與振動頻率的平方成正比，因此作簡諧振動質點的受力幅值與振動頻率的平方成正比。振動訓練時，被訓練動物的生物組織作受迫振動，所以振動頻率越高，施加于生物組織的載荷越大，且與振動頻率的平方成正比。因此，45 Hz的振動訓練施加于跟腱的載荷要比25 Hz的振動訓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），低頻組的最大應力顯著地高于高頻組的（P<0.05），這表明從振動訓練改善大鼠跟腱的生物力學性能來看，25 Hz頻率的振動訓練對大鼠跟腱力學性能的改善優于45 Hz頻率的振動訓練。因此，25 Hz是比45 Hz更適宜的大鼠跟腱振動訓練頻率。

3.2振動訓練對大鼠跟腱功能適應性的影響

與對照組相比，25 Hz和45 Hz兩組大鼠跟腱的最大載荷、最大應力、彈性模量都顯著增加，在最大載荷時的應變顯著的減小。而可能引起共振的35 Hz振動訓練施加于跟腱的載荷過大，大鼠跟腱的生物力學參數無顯著性的變化。這說明載荷增大對跟腱適應性的影響是有一定限度的，超過這個限度，跟腱的適應性就會停止，甚至有害。

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

與其他有生命的組織一樣，在載荷作用下，肌腱組織發生形態與結構上的變化，以適應所承受的載荷環境[11]。但是，跟腱的功能適應性是存在一個載荷范圍的，且有最佳載荷值。在該范圍內的載荷量可以顯著地提升肌腱的生物力學性能，而超出該范圍的載荷不會使跟腱產生功能適應性，過大的載荷值甚至可能會使跟腱受到傷害。

3.3訓練后大鼠跟腱力學性能改變的意義

適宜頻率的振動訓練后，大鼠跟腱的最大載荷、最大應力、彈性模量都顯著增加，在最大載荷時的應變顯著的減小。最大載荷的增加可以提高機體運動時肌腱承受最大負荷的能力，最大應力的增加提高了肌腱的強度。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變下肌腱內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。

肌腱不僅將肌肉產生的力傳遞到骨，而且還能在肌肉的退讓式收縮中儲存彈性能。振動訓練后大鼠跟腱到最大載荷時的能量吸收顯著增加，即跟腱儲存彈性勢能的能力顯著增加。由生物力學可知，肌腱儲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末端的力量，因此能量吸收的增加可以節省能量消耗，提高運動動作的經濟性。

振動訓練后大鼠跟腱生物力學性能的改善，可以提高機體運動動作的經濟性和肌腱工作的安全系數，降低機體大強度運動時肌腱損傷的幾率。

4結論

25 Hz是大鼠跟腱振動訓練的適宜頻率，采用適宜頻率的振動訓練能顯著地提高大鼠跟腱的生物力學性能，產生功能適應性變化，從而在一定程度上減少肌肉—肌腱復合體的損傷幾率和提高運動的效率。同時，為了達到良好的振動訓練效果，實施振動訓練時振動頻率的選擇要避開待訓練部位系統的固有頻率及其附近區域。

參考文獻：

[1] 魏安奎，危小焰，史仍飛，等. 振動訓練對大鼠骨骼肌最大力量和肌纖維形態結構的影響[J]. 中國運動醫學雜志，2009，28（1）：83-84.

[2] 曾紀榮，王興澤. 振動訓練時發展肌肉力量效果影響的實驗研究[J]. 北京體育大學學報，2007，30（10）：1439-1441.

[3] 任滿迎，潘磊，魏永旺. 不同頻率振動刺激力量訓練對膝關節肌群肌力影響的實驗研究[J]. 首都體育學院學報，2008，20（3）：72-75.

[4] 宋佩成，李玉章. 振動訓練法研究進展[J]. 體育科研，2010，31（2）：78-82.

[5] Giorgos Paradisis， Elias Zacharogiannis. Effects of whole-body vibration training on sprint running kinematics and explosive strength performance[J]. Journal of Sports Science and Medicine， 2007， 6（1）： 44-49.

[6] 古福明，蔣麗. 振動訓練對大鼠腓腸肌生物力學性能的影響[J]. 成都體育學院學報，2014，40（7）：63-66.

[7] Buchanan CI， Marsh RL. Effects of long-term exercise on the biomechanical properties of the Achilles tendon of guinea fowl[J]. Journal of Applied Physiology， 2001， 90（1）： 164-171.

[8] 任洪峰，黃昌林，薛剛. 不同訓練方式對大鼠跟腱適應性變化影響的實驗研究[J]. 中國現代醫學雜志，2005，15（22）：3386-3390.

[9] 郭振海，黃昌林. 高強度耐力運動過程中肌腱結構及力學性質的變化[J]. 中國組織工程研究與臨床康復， 2007， 11（2）： 294-296.

[10] 李敏，張林. 跑臺運動對大鼠跟腱形態結構和生物力學性能的影響[J]. 體育科學，2009，29（1）：72-76.

[11]孟和，顧志華. 骨傷科生物力學（第二版）[M]. 北京：人民衛生出版社，2000： 250-260.第30卷第6期2014年12月山東體育學院學報Journal of Shandong Institute of Physical Education and SportsVol.30 No.6December 2014