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肌腱、韧带及关节囊是覆盖、连接、制动及保护关节的三个主要组织，他们虽然不像肌肉那样能主动收缩，但是对关节运动都起着重要的作用。关节囊与韧带主要提供骨与骨之间的连接，以增强连接的稳定性、引导正常活动并防止关节过度屈伸。它们对关节主要提供的是静态限制。肌腱连接肌肉和骨骼，将肌肉收缩的力传递到骨骼上，从而引起关节运动或使其保持姿势。它与肌肉共同组成动态限制。肌腱还能够确保肌肉在其两端的附着点之间维持最佳的收缩长度。肌腱和韧带损伤很常见，对它们的生物力学特征及自身恢复的潜能有适当的了解是正确处理这些损伤的基础，本节将对这些方面进行主要讲解。
肌腱和韧带都属于高密度的结缔组织，由大量平行排列的纤维胶原组织组成。那些血流量少的组织含有很多胶原，而胶原本质是一种纤维蛋白质，它占全身总蛋白质的1/3。胶原是骨和软骨内有机部分的主要成分，也对其他器官如血管、皮肤、心脏、子宫、肾脏和肝脏等提供了主要的机械支架作用。对肌腱和韧带的强度和韧性而言，胶原的机械稳定性显得尤为重要。同其他结缔组织一样，肌腱和韧带都仅含有少数的细胞和大量的细胞外基质，细胞外基质约占整个结构的80%，这些细胞外基质约由70%的水分及30%的固体物质组成，固体物质包括胶原、基质和少量的弹力蛋白，其中胶原占至少75%，肌腱比韧带含有更多的胶原，四肢肌腱中，固体物质中的胶原或可高达干重的99%。
1. 胶原分子的组成 胶原分子是由成纤维细胞在细胞中先制造较大的基本前体，即前胶原，之后再分泌到细胞外成为胶原。同骨一样，肌腱和韧带都是由最普遍的Ⅰ类胶原所组成。这种分子含有三条多肽链 （α链），每条都是通过左向螺旋结构由大约一百个氨基酸组成，分子重量约为340000。其中两条α链 （α-1链）的结构是完全相同的，而第三条α链 （α-2链）的结构稍又不同。这三条α链排列在一起，经右向螺旋结构成为一条三螺旋结构，使胶原分子具有绳索形态，分子的长度约为280nm，直径约为1.5nm。
约2/3的胶原分子含有三种氨基酸：甘氨酸 （glycine）、脯氨酸 （proline）和羟脯氨酸（hydroxyproline）。每条α链中，每三个氨基酸便有一个甘氨酸，这种重复的序列是构成三螺旋结构的基本要素。甘氨酸体积小，可使整条三螺旋更加紧密结合。同时，甘氨酸可促使整条三螺旋互相形成氢键来加强结构的稳定性。其他的两个氨基酸在α链中建立氢键或氢键水桥。在α链中或链与链之间还有其他的相互交联，这对增强整个胶原分子的稳定性有着积极的意义。
胶原分子交联，聚合成胶原纤维，这些分子之间的互联能为胶原纤维提供必要的稳定性，也使纤维组织更为强韧以抵受外来的张力。在新生胶原中，仅有少数交联，而且可以被还原，胶原溶于中性盐水或酸性液体中，交联也很容易被热力降解。胶原老化时，那些能被还原的交联会减少，取而代之是稳定和不能被还原的交联，成熟的胶原不能溶于中性盐水及酸性液体中，而且它们有更高的耐热能力，不容易被热力降解。
每条原纤维都是由多个胶原分子通过独特的四合一分子重叠序列结合而成。这种组合方法使每个分子都能与其他分子有重叠的机会，也是在电子显微镜下胶原纤维呈现间带的原因。这种四合一胶原分子重叠组合法可增强胶原的稳定性，同时这种排列可使酸性和碱性的氨基酸均衡共处，令整个结构可持续处于低生物能量状态。这种结构亦使带相反电荷的氨基酸相互作用，故如果将聚合的分子分开需要很大能量。每五个胶原分子结合成一条微纤维，之后再结合成为次级纤维及原纤维，最后原纤维经过聚合成为纤维束及肌腱 （图1-21）。
图1-21 肌腱的纤维结构
2. 胶原纤维的排列 肌腱的胶原纤维排列与韧带的不同，主要是为了适应各自的功能要求，肌腱所受的外力多是单一方向的张力，所以其胶原纤维是比较有规律地与肌腱的主轴平行。虽然韧带所受的张力多数也是单一方向，但也经常会受其他方向的张力影响，所以它们的胶原纤维不一定成单一方向排列，有时纤维间会互相形成网状交叉排列。并且这种排列会视不同韧带的功能而有所区别 （图1-22）。
图1-22 肌腱与韧带的纤维排列
A：肌腱的纤维排列；B：韧带的纤维排列。
除了胶原的结构特质影响外，肌腱和韧带所拥有的弹力蛋白比例也能从很大程度上对它们的机械特征有所影响。不同部位弹力蛋白含量不同，在肌腱与四肢的韧带中含量很少，但在弹性强的韧带如黄韧带中含量较高，以提供较高的弹性。
肌腱和韧带的基质主要成分是蛋白聚糖、结构糖蛋白、离子蛋白和其他小分子。蛋白聚糖单元的大分子含硫化聚糖链，它们依附在一个中心蛋白并与长长的透明质酸链结合成为一个大分子。
这些蛋白聚糖同肌腱和韧带细胞外的水分相结合，形成有高度结构组织的半固体而非液态的物质。它们在肌腱和韧带内的作用是将微纤维粘合，以增强合成结构的稳定性和韧度。
肌腱和韧带仅有少量的血管，这影响了它们的代谢及受伤后的康复速度。肌腱的血管来自它们所连接着的肌束膜、骨膜和围绕着它们的腱旁组织及腱系膜。被腱旁组织所包围的肌腱称为含血管腱，而被腱鞘包围的肌腱则称为无血管腱，在含血管腱中的血管从外围多个途径进入肌腱，之后又会与纵向的毛细血管系统相通。
被腱鞘包围的肌腱血管分布形式不同，这种肌腱的系膜退化为纽带样，缺血部分被认为由两个途径获得养分：一是由血液吸取；二是经关节液渗透到肌腱。养分渗透概念有很重要的临床意义，即肌腱复原可在没有血液供应下进行。韧带较其周围组织的血循环少，但研究显示韧带内其实是有多源及相当平均的血液分布，这些血液多数来自韧带与骨的接点，虽然韧带的供血系统血流量不多，但这些血液对维持它的功能起着很重要的作用，尤其是韧带组织在受伤后的修复，在没有血液供应到这些组织的情况下，韧带疲劳时，微创伤不断累积，最终容易导致韧带断裂。
1. 韧带和肌腱的外围结构 韧带和肌腱的外围结构有一定的相似之处，但它们之间也存在不同，所以它们的功能不同。两者都被疏松的结缔组织包裹着，疏松结缔组织在韧带中没有专有名称，但在肌腱中被称为腱旁组织，腱旁组织比包着韧带的结缔组织更具结构性，它形成一层腱鞘以保护肌腱及使其在内部滑动。
2. 腱外膜 在摩擦力大的部位，例如手腕和手掌，腱旁组织下有一层滑膜，称为腱外膜，它包围着几组纤维束，腱外膜上滑膜细胞所分泌的滑液有助肌腱滑动，在没有太大摩擦力的部位，肌腱只有腱旁组织而没有腱外膜。
肌腱和韧带都是黏弹性组织并具黏弹性特质，肌腱能承受很强的张力将肌肉的收缩力传至关节并带动关节运动，但它也是柔软的组织，能绕着骨骼的外缘改变肌肉拉力方向。韧带更为柔软，可容许骨与骨之间的活动，但它们也能承受很大的张力及对抗外力以避免过度伸展。分析肌腱和韧带的机械性能对了解它们受伤的原理有重要的意义，两种组织在正常或过度负荷情况下都受到张力影响，当张力过大导致受伤时，受伤的程度便视其张力的速率和力度的大小决定。
在研究肌腱和韧带机械特性的方法中，最常用的是对这些组织做匀速伸展的拉伸测试，组织在断裂之前不断被拉长，它们所受的张力和它们伸长的长度可以用负荷-伸长曲线图来表示（图1-23）。
图1-23 肌腱受到拉伸载荷的负荷-伸长曲线图
1. 伸长曲线 伸长曲线上区域1为足趾区。这个区所显示的延长度是由原本在松弛状态下呈波浪形态的胶原纤维发生变化而来的。这时不需要太大张力便可将整个结构组织的胶原纤维伸展直至负荷继续增加时波浪形态被拉直。另外一些数据表明，此区的伸长主要是因为半液态胶原纤维之间相互滑行所致。
2. 线性区域 当负荷持续时，肌腱和韧带组织的刚度会增加，因此渐渐需要较大的拉力才能产生相同的伸长。在足趾区之后，出现一线性区域 （区域2），这个区比足趾区的倾斜度大，表示了这些组织的刚度在这个区中因继续伸长而有明显的增加。线性区之后，在大应变的情况下应力-应变曲线可能会突然停止或有向下倾的趋势，这是因为测试物已受到不可逆的损伤。此点为组织的屈服点。整个测试物所能承受的最大能量便以图表内的曲线与横轴所成的面积来代表，直至线性区完结处。
3. 断裂 当超越线性区域时，组织内已有大量的纤维束不规律地断裂 （区域3）。这时负荷可能会增大至拉伸应力的极限，随之样本很快完全断裂，而韧带和肌腱的负荷能力也明显降低 （区域4）。
4. 特殊拉伸载荷变形曲线图 图1-23显示的是一般肌腱和四肢韧带的力学特征，但对于特殊韧带如黄韧带来说，因其含有大量的弹力蛋白，所以它的拉伸载荷变形曲线图便有很大不同 （图1-24），在拉伸测试人的黄韧带时，样本延长50%后才出现较明显的刚度增加。当超越这点时，它的刚度便会随着所受的负荷而显著增加，直至韧带突然断裂。
图1-24
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图1-25
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韧带和关节囊的弹性蛋白比例对于这些组织的弹性延长能力极为重要，这使它们能够承受拉伸应力、储存和消解能量。当肌腱在其伸长极限范围内负载及卸载时，在这些组织内的弹性纤维会使它们在变形后回复到原本的长度及形状，同时，部分能量会被储存起来，所剩的便会在重复负载及卸载的测试图表中表现，在显示张力增减的环形曲线中的面积便代表能量消解（图1-25）。
从实际应用角度看，肌腱和韧带的极限拉伸应力并没有太大意义，因为在正常活体生理情况下，这些组织所承受的应力很小，它们一般的应变度为2%～5%。研究表明，正常的日常活动中，肌腱所受应力远远小于它们的极限应力，最多只相当于它们极限的1/3左右。
肌腱和韧带都有黏弹性或受应力速率依赖性，它们的机械性会随着不同负荷速率而改变。
1. 快速负荷 当韧带和肌腱承受的应变速率增加时，应力-应变曲线的线性部分的倾斜度增加，这也表明组织在较高的应变速率时有较大的刚度，而在承受高速应力时韧带和肌腱可储存较高能量，在断裂前会有较大的应变值，因此需要较强的应力才会将这些组织拉断。
2. 慢速重复负荷 当肌腱和韧带在进行重复拉伸测试时，应力-应变曲线会沿伸长轴向右移，表明这些组织含有塑性的变形特性，这些塑性的变形会随着每一次的重复负载而增加，当负载重复继续时，这些组织样本由于塑性变形，会表现更大的弹性刚度。如果重复负载持续加于已受伤及刚度减弱的组织，即使在正常的生理负荷范围内，这些组织也会出现微断裂。
3. 应力松弛和蠕变反应 是两个用来测试肌腱和韧带黏弹性的指标。
（1）应力松弛 在应力松弛测试中，负荷会在应力-应变曲线的线性部分下安全地制停，而应变会长时间保持一个不变的数值。在韧带或肌腱中的应力可由最初的数值很快地消减，之后消减的速度会放缓。若这个应力松弛测试以循环方式重复进行，应力减少的现象便渐渐没有那么明显了。
（2）蠕变反应 在蠕变反应测试中，负荷会在应力-应变曲线的线性部分之下安全地制停，但应力会长时间保持一个不变的数值。受测试的韧带或肌腱的应变在最初的一段时间会明显增加，之后便慢慢放缓。若这个蠕变反应测试以循环方式重复进行，应变增加的现象则逐渐变缓。临床上，可将一个均匀的低负荷加于软组织上利用蠕变反应治疗变形，例如患有马蹄内翻足的患儿以脚托固定患足就是利用蠕变反应来矫正脚形的方法，而应力松弛则多用于软组织的挛缩。
韧带断裂和肌腱受伤的机制基本相同，因此以下对韧带断裂的讨论也可用于肌腱。当韧带在活体内受到一个超过它的极限负荷时，达致屈服点前会出现微断裂。当负荷超出极限时，整条韧带会有明显的断裂，而它所连接的关节亦会有不正常的活动，这种活动会导致在韧带周边的组织包括关节囊、韧带和供养这些组织的血管也同时受伤。
1. 韧带损伤 韧带受伤在临床上按严重程度可分为三级。一级：临床表征最轻，患者只感觉少许疼痛，虽然韧带内的胶原纤维可能有些断裂，但无关节不稳的临床症状。二级：损伤时，患者感觉剧痛并出现关节不稳定，韧带内胶原纤维相继断裂，导致整条韧带处于半撕裂状态，韧带的强度和刚度会减少50%或以上，但在临床检查时关节不稳定可能被肌肉过度收缩而遮盖。所以，检查受伤关节的稳定性可以考虑在病人麻醉情况下进行。三级：韧带损伤患者在受伤瞬间会感到剧痛但痛感会随即减小，临床检查会发现关节十分不稳定，大多数在韧带内的胶原纤维都已断裂，但有少数仍连续，所以即使韧带已完全失去负荷的功能，但在外表看来有可能它还没有完全断裂。
2. 软骨的改变 若使韧带或肌腱受伤的关节负重，这些不正常应力多数会落在关节的软骨之上，会增加软骨的负荷。因此，在人类或其他动物的膝关节上，软骨超载与关节提早退化有关。
3. 肌腱损伤 虽然韧带与肌腱受伤的机制十分相似，但因肌腱附着肌肉，故要多考虑两个重要的因素，分别是连接着肌腱的肌肉所发挥的收缩力和肌腱相对于肌肉的横切面积比例。当肌肉收缩时，连接的肌腱便会承受应力。在肌肉发挥最大收缩力时，肌腱的拉伸应力也达最高点，在肌肉进行离心收缩时，肌腱所承受的应力会更大。
肌肉的收缩强度与其横切面积密切相关，因此，理论上较大肌肉能输出较大的收缩力，在连接它的肌腱之上产生较大的拉伸负荷，同样，粗大的肌腱也能承受较大负荷。虽然肌肉断裂时的应力是很难准确测算的，但从各种数据可知正常肌腱的最高应力是它所连接着的肌肉的两倍，因此临床上，肌肉拉伤比肌腱断裂的例子更常见。大肌肉一般与较粗壮的肌腱连接，如股四头肌连接着很粗壮的髌腱、小腿三头肌连接着很粗壮的跟腱。而一些个别的小肌肉也可能会有很粗的肌腱，跖肌便是这样的例子。
影响肌腱和韧带生物力学特质的因素很多，主要包括老化、妊娠、活动及制动、糖尿病、类固醇及非类固醇消炎药的应用或血液透析等。
1. 成长及老化 结缔组织及其胶原的力学特性受它的分子内部及分子间存在的交联的质和量的影响很大。在成长期 （20岁以前），交联的质和量都在增加，这会提升肌腱和韧带的拉伸强度，这时胶原纤维的直径也会增加，不同大小的纤维可同时出现。在成年人 （20～60岁）或在超过60岁的老年人中，胶原纤维的直径显著缩小，但它们分布较平均。成长期过后便会步入衰老期，胶原的生物力学特性会有一段时间横向发展，之后组织的拉伸强度和刚度便会减退，这可能是因为细小的胶原纤维增加所导致的结果。
2. 妊娠 女性怀孕后及产后肌腱和韧带会有一定改变，常见的是表现在耻骨部位肌腱和韧带会较为松弛，并且关节的刚度在产后也会下降，但后来会逐渐复原。
3. 活动及制动 韧带和肌腱组织具有活性，它的机械特性会随它所承受的应力而改变，导致它能适应不同的功能要求且能发挥最佳的表现。韧带和肌腱都像骨一样会受应力影响而产生重新塑造。若应力下降，它们的刚度会降低；若应力加大，它们会变得更坚韧。运动训练能增加韧带和肌腱与骨连接点的拉伸强度，研究表明经过运动训练的测试，动物内侧韧带的刚度和强度都比未做运动的动物高，且韧带内也含有较粗的胶原纤维束。制动会减弱韧带和肌腱的强度，导致韧带和肌腱伸长而刚度下降。
4. 糖尿病 糖尿病的特征之一是排尿过量，这是由于不正常的新陈代谢导致身体丧失氧化糖类的能力。糖尿病会影响肌肉骨骼系统的正常运行，因此，糖尿病患者出现肌腱挛缩、腱膜炎、关节强直和关节囊炎的概率高于正常人，同时糖尿病也会导致骨质疏松，使肌腱和韧带在骨结合处更容易出现拉伸骨折。
5. 移植物 韧带受伤后整形 （重建）术已十分普遍，尤其是膝关节前、后交叉韧带。是否采用整形术视其年龄、运动量和合并伤等情况而定。从同一物种其他身体获取的移植物称为同种异体移植物；从同一个体自身获取的移植物称为自身移植物，同种异体移植物组织的储藏需经冷冻脱水及低剂量辐射处理以减轻受体的异体排斥和感染，以免会影响手术后韧带的机械特性。自体移植由于原有位置及功能的不同也会对其机械特性造成影响。
