Wpływ anatomicznie podzielnej struktury ścięgna i wieku dawców na relaksację naprężeń

Wpływ anatomicznie podzielnej struktury ścięgna Achillesa na jego właściwości lepkosprężyste, poza analizą histerezy, oceniono także poprzez analizę relaksacji tkanki zachodzącej dla wartości 3% i 6% odkształcenia. W celu ustalenia różnic w relaksacji naprężeń pęczków głównych, przeprowadzono jednoczynnikową analizę wariancji. W obu przypadkach Test Levene’a wykazał homogeniczność wariancji. Analiza wykazała, że brak istotnie statystycznych różnic pomiędzy grupami zarówno dla relaksacji w 3% (F(2,147) = 0,68; p = 0,506) jak i 6% odkształcenia (F(2,147) = 0,26; p =0,769). Z uwagi na homogeniczność wariancji, we wszystkich przypadkach dla testów post hoc wykorzystano test NIR, który dodatkowo potwierdził brak istotności statystycznej pomiędzy poszczególnymi grupami (dla relaksacji 3%: SOL i GL (p = 0,412), SOL i GM (p = 0,759), GL i GM (p = 0,260); dla relaksacji 6%: SOL i GL (p = 0,586), SOL i GM (p = 0,493), GL i GM (p = 0,887)). Kolejno dokonano analizy wariancji w celu porównania średnich spadków naprężeń pomiędzy relaksacją zachodzącą przy 3% i 6% odkształcenia, osobno dla każdego z pęczków (Rys. 16).

Rys. 16. Średnie znormalizowane spadki naprężeń przy odkształceniu 3% i 6%

dla pęczków głównych ścięgna Achillesa. (*) oznacza istotność statystyczną na poziomie α=0.05, (**) oznacza istotność statystyczną na poziomie α=0.001.

SOL GL GM 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Względ ny znormalizo wan y spadek naprężeń ( %) Relaksacja 3% Relaksacja 6% ** * *

69

Analiza ANOVA wykazała, że względny znormalizowany spadek naprężeń w 6% odkształcenia jest istotnie większy niż w 3% odkształcenia dla wszystkich testowanych grup – SOL (p < 0,001), GL (p = 0,005) oraz GM (p = 0,003). Uzyskane wartości spadku naprężeń dla poszczególnych grup pęczków głównych w 5 na 6 przypadkach nie są zależne od wyboru kończyny. Jak przedstawiono w Tab. 11, średnie spadków naprężeń dla poszczególnych pęczków w nodze prawej i lewej nie wykazują istotnie statystycznych różnic dla pęczka SOL (relaksacja 3%), pęczka GL (relaksacja 3% i 6%) oraz pęczka GM (relaksacja 3% i 6%).

Tab. 11. Różnice średnich wraz z poziomem istotności p dla wartości spadku naprężeń pomiędzy nogą prawą, a lewą dla pęczków głównych ścięgna Achillesa. (*) oznacza istotność statystyczną na poziomie α = 0.05.

Różnica pomiędzy kończynami dla pęczka: relaksacja 3% relaksacja 6% różnica średnich ^p różnica średnich ^p SOL 0,004 0,996 1,591 0,042* GL 0,305 0,695 -0,249 0,748 GM -0,123 0,874 0,117 0,881

Za pomocą analizy korelacji r Pearsona sprawdzono także czy wartość spadku naprężeń zarejestrowana dla poszczególnych pęczków podczas relaksacji w 3% i 6% odkształcenia jest istotnieskorelowanazwiekiemiwymiarem próbek.WynikiprzedstawionewTab. 12 potwierdzają brak istotnie statystycznej korelacji wieku dawców z relaksacją w obu badanych punktach odkształcenia.

Tab. 12. Korelacje między wiekiem, a wartością spadku naprężeń podczas relaksacji w 3% i 6% odkształcenia w pęczkach głównych ścięgna Achillesa.

Wartość spadku naprężeń w grupie: Relaksacja 3% Relaksacja 6% r p r p SOL 0,001 0,994 0,112 0,439 GL -0,100 0,492 0,064 0,660 GM -0,090 0,532 0,332 0,018

70

Wyniki przedstawione w Tab. 13 sugerują, że żaden z parametrów geometrycznych nie ma wpływu na uzyskiwane wartości spadków naprężeń dla pęczka SOL.

Tab. 13. Korelacje między wymiarami geometrycznym, a wartością spadku naprężeń podczas relaksacji w 3% i 6% odkształcenia w pęczkach głównych ścięgna Achillesa.

Relaksacja 3% Relaksacja 6% r p r p SOL szerokość -0,081 0,578 -0,045 0,759 SOL grubość 0,225 0,115 0,211 0,142 SOL CSA 0,117 0,418 0,144 0,320 GL szerokość 0,402 0,004* 0,420 0,002* GL grubość 0,225 0,116 0,230 0,108 GL CSA 0,419 0,002* 0,436 0,002* GM szerokość -0,155 0,281 0,179 0,213 GM grubość 0,355 0,011 0,398 0,004* GM CSA 0,199 0,165 0,420 0,002*

Dla pęczka GL obserwowana jest dodatnia korelacja o umiarkowanie słabej sile pomiędzy wartością spadku naprężeń rejestrowanym w 3% i 6% odkształcenia, a szerokością i przekrojem poprzecznym ścięgna. Dla tego pęczka nie istnieje natomiast istotnie statystyczna korelacja z wymiarem grubości pęczka. W przypadku pęczka GM istnieje dodatnia i umiarkowanie słaba korelacja grubości pęczka i jego przekroju poprzecznego ze spadkiem naprężeń, ale wyłącznie dla relaksacji w 6% odkształcenia.

Inkrementalne testy relaksacji są powszechnie wykorzystywaną procedurą testowania właściwości lepkosprężystych tkanek miękkich [142]–[146]. Wyniki opublikowanych w tym zakresie badań nie dają jednak jednoznacznej odpowiedzi na pytanie o zależność pomiędzy tempem relaksacji tkanek, a wartością ich odkształcenia. Część prac dowodzi, że relaksacja naprężeń jest niezależna od wartości odkształcenia [147], a część, że poziom relaksacji maleje wraz ze wzrostem odkształcenia [148]. Istnieją także publikacje dowodzące, że tempo relaksacji wzrasta wraz ze wzrostem odkształceń ale tylko w przypadku ścięgien – w przypadku więzadeł relacja ta jest dokładnie odwrotna [146]. Wyniki Autorki wspierają jednak stanowisko podzielane przez większość publikacji tj. że tempo relaksacji ścięgien wzrasta wraz ze wzrostem odkształcenia

71

co świadczy o nieliniowej lepkosprężystości materiału. Co więcej zależność ta jest istotna statystycznie dla wszystkich testowanych pęczków głównych (SOL: p < 0,001; GL: p = 0,005; GM: p = 0,003). Pomimo faktu, iż badania Autorki jako pierwsze analizują proces relaksacji pęczków głównych ludzkiego ścięgna Achillesa, uzyskane wyniki pozostają w zgodzie z obserwacjami zgłoszonymi przez Screen et al. i Duenwald et al. dla ścięgien świńskich [143] [146], Elliott et al. i Screen dla ścięgien mysich ogonów [145] [142], Sverdlik et al. dla ścięgien owczych [149] oraz Lochner et al. dla ścięgien końskich [150].

Pomimo istotnie statystycznych różnic pomiędzy poziomem relaksacji dla 3% i 6% odkształcenia dla każdego z trzech pęczków głównych, badania Autorki dowodzą braku istotnie statystycznych różnic pomiędzy relaksacją pęczka głównego SOL, GL i GM zarówno dla 3% jak i 6% ich odkształceń. Zgodnie z badaniami opublikowanymi przez Screen et al. [143], odmienne funkcjonalnie ścięgna mogą wykazywać różnice w poziomie relaksacji naprężeń, choć różnice te uwidaczniają się dopiero powyżej 6% odkształcenia. „Odmienna funkcjonalność” w badaniach Screen et al. dotyczy jednak podziału ścięgien na jednostki magazynujące energie (z ang. energy storing tendons) oraz ścięgna pozycyjne (z ang. positional tendons). Pęczki główne SOL, GL i GM pochodzą z tego samego ścięgna tj. ścięgna Achillesa, które jest najbardziej reprezentatywnym przykładem ścięgna magazynującego energię. W rozumieniu „odmiennej funkcjonalności” opisanej przez Screen et al., wszystkie pęczki główne ścięgna Achillesa będą zatem reprezentowały identyczną funkcjonalność jak ścięgno macierzyste tj. magazynowanie energii. Z drugiej strony, jak udowodniono w rozdziałach 5.2.1. i 5.2.3. anatomiczny podział struktury ścięgna Achillesa na trzy pęczki główne oraz ich zróżnicowane pochodzenie mięśniowe, ma istotnie statystyczny związek z ich właściwościami lepkosprężystymi. Odmienny poziom aktywacji mięśnia płaszczkowatego i brzuchatego łydki oraz zróżnicowane właściwości materiałowe pęczków głównych mogą być zarówno przyczyną jak i konsekwencją niejednorodności pola naprężeń i odkształceń ścięgna Achillesa generowanego podczas ruchu człowieka [119]. Pomimo zatem, że wszystkie pęczki główne są częścią tego samego ścięgna, dochodzi między nimi do zróżnicowania funkcjonalności, która być może, analogicznie do badań Screen et al., może zostać uwidoczniona przy odkształceniach przekraczających fizjologiczny, liniowy zakres odkształceń tkanki. Dla odkształceń testowanych w badaniach Autorki, tj. nieprzekraczających zakresu 6%, różnice z poziomie relaksacji poszczególnych pęczków nie zostały jednak zaobserwowane. Ich brak może być również uzasadniony brakiem istotnych

72

różnic wartości ich przekrojów poprzecznych. Jak udowodniono w badaniach Atkinson et al. [151] wartość przekroju poprzecznego ścięgna rzepki dodatnio koreluje z poziomem jego relaksacji, a zależność ta została również potwierdzona w badaniach Autorki ( Tab. 13), dla pęczków głównych GM i GL ścięgna Achillesa.

Uzyskane przez Autorkę znormalizowane procentowe spadki naprężeń, w zależności od badanego pęczka i wartości odkształcenia, oscylują pomiędzy 9,93 ± 3,10 % a 12,23 ± 2,89 %, co jest wartością zauważalnie niższą od tych zgłaszanych dla porównywalnych zakresów odkształceń m.in. w publikacjach Screen et al. (40 – 50%) [143] czy Johnson et at. (46 ± 9% i 50 ± 6 %) [152]. Mniejsze spadki naprężeń, zaobserwowane przez Autorkę, mogą wynikać ze znacznie krótszego czasu relaksacji tkanki (30 sekund dla każdego inkrementu odkształcenia w porównaniu do 10 minut u Screen et al. czy 15 minut u Johnson et at.). Wybór tak krótkiego czasu obserwacji relaksacji dokonany był przez Autorkę świadomie, aby uniknąć nadmiernej dehydracji tkanki, która zgodnie z najnowszymi badaniami znacząco wypływa na właściwości biomechaniczne ścięgien rejestrowane podczas testów [153]. Drugim czynnikiem, który mógł wpłynąć na różnicę w wartości otrzymanych spadków naprężeń jest pochodzenie próbek oraz reprezentowany przez nie poziom hierarchii ścięgna – w przypadku Autorki był to poziom pęczków głównych ludzkiego ścięgna Achillesa, w badaniach Screen et al. poziom pęczków ścięgien świńskich, natomiast w badaniu Johnson et at. poziom pęczków ludzkiego ścięgna rzepki. Jak dowiedziono w literaturze, na różnych poziomach hierarchii ścięgien dla różnych wartości odkształcenia mogą wystąpić odmienne mechanizmy (reorganizacja i/lub ślizganie się struktur wewnętrznych tkanki) prowadzące do relaksacji naprężeń [142].

Różnice pomiędzy mechanizmami relaksacji na poszczególnych poziomach ścięgien zostały w literaturze opisane wyłącznie do poziomu pęczków, a żadna z opublikowanych wcześniej prac nie podjęła próby rozszerzenia tego opisu do poziomu pęczków głównych czy poziomu całego ścięgna Achillesa. Poziomy te charakteryzują się natomiast znacznie wyższą zawartością macierzy międzypęczkowej, która umożliwia ślizgania się wewnętrznych struktur ścięgna, co jest kluczowym zjawiskiem umożliwiającym ich relaksację [125]. Macierz międzypęczkowa nie tylko pozwala na względne przemieszczenie się pęczków między sobą, ale jest także w stanie przenieść część obciążeń, którym poddawane jest ścięgno. Chociaż macierz charakteryzuje się około dwukrotnie niższą sztywnością niż pęczki kolagenowe, to wartość ta jest wystarczająca,

73

aby odpowiednio rozłożyć siły wewnątrz ścięgna lub posłużyć jako alternatywna droga dystrybucji naprężeń po uszkodzeniu pęczków [123]. Jak opisano w badaniach Obuchowicz et al. [51], złożony stan naprężeń w macierzy ścięgna może spowodować delaminację jego struktury, przy czym wg Franchi et al. proces zmiany morfologii struktury kolagenowej ścięgna może zajść dopiero po przekroczeniu 6% jego odkształcenia [154]. Delaminacja ścięgna, do której odnosi się Obuchowicz et al., została również zaobserwowana przez Autorkę podczas badań nad relaksacją pęczków głównych ścięgna Achillesa. Podczas relaksacji przy 3% i 6% odkształcenia, dla żadnej z próbek nie zaobserwowano procesu rozwarstwienia struktury. Po przekroczeniu granicy 6%, opisywanej przez Franchi et al., niektóre z próbek uległy widocznej delaminacji, widocznej jako wzdłużne przerwanie ciągłości macierzy pomiędzy wiązkami pęczkowymi. Przykłady obserwowanych przez Autorkę przypadków delaminacji pęczków głównych ścięgna Achillesa przestawiono na Rys. 17. Badania Autorki potwierdzają zatem hipotezę Finni et al., że hierarchiczna budowa ścięgna Achillesa, zapewnia mu pierwotny mechanizm ochronny przed urazami powstałymi jako skutek nierównomierności naprężeń wynikających ze zróżnicowanej aktywacji jego pęczków głównych.

74

Rys .

75

Na podstawie obliczeń korelacji r Pearsona, wyniki Autorki dowodzą również braku istotnie statystycznej korelacji wieku dawców z wartością relaksacji naprężeń i obserwacja ta jest niezależna od wartości odkształcenia, w którym ta relaksacja zachodzi. Wyniki te pozostają w zgodzie z obserwacjami Johnson et al. [152], który w badaniu relaksacji naprężeń ludzkiego ścięgna rzepki stwierdził brak istotnie statystycznych różnic pomiędzy spadkiem naprężeń w grupie dawców młodych (29 – 50 lat) i starych (64 – 93 lata). Wyniki Autorki zgodne są także z publikacją Hubbard et al. [141] opisującą badania nad właściwościami lepkosprężystymi ścięgien długich dłoni i prostownika palucha stopy, gdzie stwierdzono brak istotnie statystycznej korelacji pomiędzy wiekiem dawców, a relaksacją naprężeń zachodzącą przy stałym odkształceniu.

5.3. Wnioski

Badania opisane w niniejszym rozdziale potwierdziły wpływ anatomicznego podziału ludzkiego ścięgna Achillesa na właściwości biomechaniczne jego trzech pęczków głównych SOL, GL i GM. Najważniejsze wnioski dotyczące wpływu tego podziału na właściwości lepkosprężyste pęczków głównych dotyczą w szczególności:

I. Modułu sprężystości, który jest istotnie statystycznie mniejszy dla pęczka SOL w porównaniu do pęczków GL i GM oraz niezróżnicowany pomiędzy pęczkami GL i GM, które pochodzą od dwóch głów tego samego mięśnia. Różnica pomiędzy modułem pęczka SOL i kompleksem GM+GL wiąże się z doniesieniami literaturowymi nt. niejednorodnego i asymetrycznego pola naprężeń i odkształceń generowanych w ścięgnie Achillesa, choć na chwilę obecną brak jest jednoznacznej odpowiedzi czy niejednorodności te są przyczyną czy konsekwencją zróżnicowanych właściwości materiałowych i strukturalnych pęczków głównych. Otrzymane wartości modułów sprężystości poszczególnych pęczków nie były skorelowane z wyborem kończyny, natomiast pozostają ujemnie skorelowane z wartością ich przekroju poprzecznego. Dodatkowo, dla pęczków SOL i GM potwierdzono ujemnie umiarkowaną korelację z wiekiem, a zależność ta pozostaje w zgodzie z aktualnymi publikacjami w tym zakresie.

76

II. Pętli histerezy mechanicznej, której analiza dowodzi istotnie statystycznie większych start energii dla pęczka SOL niż pęczka GL oraz większych start dla pęczka SOL niż pęczka GM. Podobnie jak w przypadku modułu sprężystości, nie stwierdzono różnic pomiędzy pęczkami GL i GM, pochodzącymi od dwóch głów tego samego mięśnia. Przeprowadzona korelacja wartości pola pętli histerezy pęczków z wiekiem dawców potwierdziła brak istotnie statystycznego związku pomiędzy tymi zmiennymi i wniosek ten znajduje potwierdzenie w aktualnej literaturze.

III. Poziomu relaksacji naprężeń, który nie różni się istotnie pomiędzy pęczkami głównymi ścięgna Achillesa, zarówno w obszarze małych odkształceń nieliniowych jak i fizjologicznym obszarze odkształceń liniowych. Jednocześnie dla wszystkich badanych pęczków potwierdzono istotnie statystyczny wzrost poziomu relaksacji wraz ze wzrostem poziomu odkształcenia, a zależność ta jest zgodna z licznymi badaniami prowadzonymi zarówno na ścięgnach ludzkich jak i zwierzęcych. Przeprowadzone badania potwierdziły także brak istotnie statystycznej korelacji wieku dawców z poziomem relaksacji pęczków (niezależnie od wartości ich odkształcenia), a także częściową korelację ich wymiarów geometrycznych z poziomem relaksacji.

Opisane badania posiadają kilka ograniczeń wynikających głównie ze specyfiki zdefiniowanego algorytmu testowania próbek i podziału testu na trzy zakresy odpowiadające charakterystycznym zakresom odkształcenia tkanek kolagenowych m.in. częściowe zniszczenie makroskopowe niektórych próbek skutkujące brakiem możliwości obliczeń modułu sprężystości z zakresu 6 – 9% odkształcenia oraz relaksacji zachodzącej dla 9% odkształcenia. Niezależnie od powyższych czynników, powyższe badania jako pierwsze w literaturze analizują szczegółowo właściwości lepkosprężyste indywidualnie wypreparowanych pęczków głównych ludzkiego ścięgna Achillesa w warunkach ex vivo. Wyniki badań wskazują, na częściowo istotne zróżnicowanie tych właściwości zwłaszcza pomiędzy pęczkiem SOL pochodzącym od mięśnia płaszczkowatego, a pęczkami GL i GM przyczepiających się do mięśnia brzuchatego łydki. Obserwacja ta potwierdza, że dalsze badania nad mechaniką ścięgna Achillesa powinny uwzględniać różnice właściwości strukturalnych i materiałowych wynikające z anatomicznego podziału struktury tego ścięgna.

77

6. Wpływ wielokrotnego mrożenia na stabilność właściwości