비수축성 연부조직의 역학적 특성

비수축성 연부조직은 신체 구조물을 지지하기 위해 신체 전반에 분포하고 있고, 다양한 결합조직의 형태로 구성되어 있다. 근육내의 비수축성 조직인 인대, 힘줄, 관절주머니, 근막 및 피부는 유착(adhesion)과 구축(contracture)을 쉽게 일으킬 수 있는 결합조직의 특성을 지니고 있기 때문에 관절을 지나가는 조직들의 유연성(flexibility)에 영향을 주게 된다. 이 조직들이 ROM를 제한하여 신장을 필요로 할 때, 신장력의 크기와 적용기간에 따라 조직 반응이 어떻게 일어나는지, 그리고 결합조직의 신장성을 증가시키는 유일한 방법이 기본적인 구조적 배열을 리모델링하는 것임을 아는 것이 중요하다.

 결합조직의 구성. 결합조직은 3종류의 섬유(콜라겐 섬유, 엘라스틴과 그물섬유)와 비섬유성 바탕 물질(프로테오글라이칸과 당단백)로 구성되어 있다.

 콜라겐 섬유(collagen fibers). 콜라겜 섬유는 조직의 강도(strength)와 강직성(stiffness)을 담당하고, 장력변형에 저항한다. 트로포콜라겐 결정체는 콜라겐 원섬유의 블록을 형성하고 있다. 각 섬유는 조직적으로 잘 배열되어 있다. 19종의 콜라겐은 크게 6가지로 분류되는데 힘줄과 인대의 섬유들은 대부분 콜라겐 I형으로서 장력에 강하다. 콜라겐 섬유가 성장할 초기에는 불안정한 수소결합 형태이지만, 점차 안정된 공유결합 형태로 전환된다. 결합력이 강할수록, 조직의 역학적 안정성이 커진다. 콜라겐 섬유의 비율이 높을수록, 조직에 더 큰 안정성을 제공한다.

 엘라스틴 섬유(elastin fibers). 엘라스틴 섬유들은 신장성(extensibility)을 제공한다. 엘라스틴 섬유들은 작은 하중으로도 크게 늘어나지만, 큰 하중이 걸리면 변형되지 않고 파열된다. 엘라스틴 섬유를 많이 가진 조직일수록 유연성이 더 크다.

 그물섬유(recticulin fibers). 그물섬유들은 조직의 용적(bulk)을 담당한다.

 바탕 물질(ground substance). 바탕 물질은 프로테오글라이칸과 당단백으로 구성되어 있다. 프로테오글라이칸은 기질(matrix)에 수소를 부착하게 하여 콜라겐 네트워크를 안정시키고, 압박에 저항하게 하는 기능을 가진다(이런 기능은 연골과 척추사이원반에서 매우 중요하다). 프로테오글라이칸의 유형과 양은 조직에 가해지는 압박스트레스와 장력스트레스의 유형에 비례한다. 당단백은 기질 구성요소 사이와 세포와 기질 사이를 연결하는 역할을 수행한다. 본질적으로, 바탕 물질은 수분을 함유한 유기적 겔로서, 섬유 사이의 마찰을 줄이고, 영양물질과 대사산물을 운반하며, 섬유 사이의 공간을 어느 정도 적절히 유지시킴으로써 과도한 섬유간 교차연결(cross-linking)을 방지하는데 기여한다.

 비수축성 조직의 역학적 작용. 비수축성 조직의 역학적 작용은 콜라겐 섬유와 엘라스틴 섬유의 비율 및 그 섬유들의 구조적 방향성에 의해 결정된다. 프로테오글라이칸(PGs)의 비율도 결합조직의 역학적 특성에 영향을 미친다. 높은 장력 하중을 이겨내는 조직들은 높은 콜라겐 섬유 비율을 가지고 있고, 큰 압박 하중을 이겨내는 조직들은 PGs의 비율이 높다. 하중이 변할 때, 이 조직들의 성분도 변한다. 콜라겐은 대부분의 장력 스트레스를 흡수하는 구조적 요소이다. 콜라겐 섬유의 역학적 양상은 스트레스-스트레인 곡선에서 자세히 설명될 것이다. 콜라겐은 약간의 하중에도 빠르게 신장된다. 하중이 증가 할수록, 섬유들은 더 큰 강직성을 갖는다. 콜라겐이 장력에 강하게 저항하지만, 하중이 계속 되면, 콜라겐 섬유간의 결합들이 해체되기 시작한다. 결합된 섬유가 분리될 때, 섬유들이 파열된다. 장력 하중이 적용될 때, 콜라겐의 최대 신장은 원래 길이의 10% 이하인 반면, 엘라스틴 섬유는 150%까지 늘어났다가 원래 형태로 되돌아온다. 콜라겐의 강도는 엘라스틴 강도보다 5배나 더 크다. 다양한 조직에서의 콜라겐 배열의 형태는 그 조직에 작용하는 장력을 반영한다.

힘줄의 콜라겐 섬유들은 평행하게 배열되어 있어, 큰 장력 하중에 저항할 수 있다. 힘줄은 근육에 의한 발생된 힘을 뼈로 전달시킨다.

피부의 콜라겐 섬유들은 어지럽게 배열되어 있어, 장력의 저항에 매우 취약하다.

인대, 관절주머니, 근막에 있는 콜라겐 섬유들은 양쪽 끝단 사이에 다양하게 배열되어서, 다양한 방향의 힘에 잘 저항하도록 배열되어 있다. 주요 관절 스트레스에 저항하는 인대들은 평행한 콜라겐 배열과 커다란 단면적을 가지고 있다.

 스트레스-스트레인 곡선. 스트레스-스트레인 곡선은 구조들에 가해지는 역학적인 힘을 그림으로 보여줄 뿐만 아니라, 스트레스 하중 아래에서 결합조직들이 어떤 변화를 가지는지를 분석하는데 주로 사용된다. 장력이 구조물에 가해질 때, 신장이 발생한다. 스트레스-스트레인 곡선을 통해, 우리는 물질의 강도, 강직성, 그리고 파괴 직전까지 물질이 저항 할 수 있는 에너지의 양을 알 수 있다.

스트레스(stress)는 단위면적당 받는 힘이다. 역학적 스트레스는 외적 하중에 저항하는 내적반응이나 저항이다.

스트레인(strain)은 하중이 적용되었을 때 일어나는 변형이나 늘어날 수 있는 양이다.