应力环境与骨折愈合
关键字： 骨折愈合摘要 骨组织对应力刺激有良好的适应性，骨折愈合的好坏与其力学环境密切相关。接骨板固定、骨外固定的力学性能不同，构成的力学环境有异，因而对骨折愈合的影响亦不相同。应力刺激骨折愈合的机制仍不清楚，骨细胞具有感受力学信号的功能，第二信使cAMP、PGE2可能参与了信号传递，但详细机制有待进一步探讨。
1 引言
骨折愈合是由众多物质参与的复杂的机体结缔组织再生修复过程，受众多因素影响。近年来，随着生物力学的飞速发展，力学环境因素影响骨创伤修复的重要性已逐渐为人们重视，不少学者致力于骨愈合最佳应力环境的研究并取得了很大进展，为骨折治疗提供了诸多理论依据。
2 骨的力学特性及其功能对应力刺激的适应性
骨组织是一种粘弹性固体材料，具有各向异性，力学特性复杂，在不同种类、湿度、温度、年龄、性别等状态下其力学性能不同。皮质骨质密，能承受较大载荷，但抗张力能力较小，当其变形超过原长2％时即会断裂；海绵状骨为多孔形结构，储能能力强，变形可超过原长的7％。新鲜湿润骨最大形变可达1.2％，而干燥骨较脆，应变能力仅0.4％［1］。在进行骨的机械性能测定时应尽量模拟骨骼在机体内的生理状态，减少实验误差。由于骨组织结构及功能与其力学特性及力学环境状态密切相关，决定了不同的应力刺激对骨代谢和骨愈合有不同的影响作用。
(1)应力种类的影响：骨折愈合早期，纵向载荷产生的压应力能驱动成骨细胞及成纤维细胞向分化成骨方向发展，对骨愈合有利；而剪切和扭转载荷产生剪应力，易造成骨断端动态摩擦，对形成的毛细血管和骨痂有很大伤害作用，并可驱动成纤维细胞增殖，产生纤维组织而不利于骨折愈合。但在骨折愈合中后期，各种应力对骨痂形成或改建均有一定促进作用［2］。
(2)应力大小的影响：骨折愈合需适当的生物力学环境或最佳应力水平，即固定后的骨断端有适宜的应力刺激，能促进对骨折愈合起决定作用的成骨细胞、成软骨细胞和成纤维细胞增殖分化。不同的愈合阶段，骨折所需的应力大小不同，愈合早期，骨愈合区组织刚度低，承受外力能力差，所需应力水平亦低；随着愈合区组织刚度增加，其承受负荷的能力加大，所需刺激的应力水平也随之增加。只有当骨断端应力水平与愈合区组织刚度互相平衡和协调时，组织才能良好分化和愈合。否则，应力过大，超过组织承受能力，会损伤形成的骨痂，使骨组织坏死吸收，导致骨萎缩；反之，不足以引起弹性变形，组织分化难于产生，可能导致骨迟缓愈合或骨不连［3］。
（3）应力刺激方式的影响：有研究发现［4，5］，间歇性应力刺激较连续性应力刺激更能激发骨组织细胞活性，表现为表达葡糖-6-硫酸-胱氨酸（G6PD）的骨细胞数及活力均明显增加，对3H-尿嘧啶核苷酸的摄取量增强，并与应力刺激的强弱相关联。提示骨组织对间歇性或循环性应力刺激有更敏感的感受特性。
3 接骨板固定的力学环境状态及其对骨愈合的影响
骨折切开复位接骨板固定是采用螺丝钉将接骨板固定于骨折段的张力侧，用自身的强度和张力带原理维持骨结构的连续性和稳定性。普通接骨板强度低，仅能发挥简单的固定作用，难于承受肢体功能活动而使间歇性应力刺激作用减弱或丧失。加压接骨板内固定在早期可消除剪应力等不利于骨折愈合的因素，保证骨折固定与早期肢体功能锻练，但在骨折愈合后期却常因应力遮挡效应导致骨折愈合延缓、固定段骨质疏松及再骨折［6］。
有学者用有限元方法分析接骨板固定段骨的应力分布情况，发现固定段的应力大小与接骨板的刚度成反比［7］。因此，刚度不同的接骨板固定骨折时的应力刺激水平不同，骨折愈合情况亦不同。刚度较低的钛合金接骨板固定骨折时具有不锈钢钢板同样的固定强度，但其应力遮挡、骨折愈合强度更优［8］。低刚度碳纤维复合材料接骨板所致的骨质疏松亦明显轻于不锈钢接骨板［9］。高刚度接骨板固定后骨折愈合延缓、骨质疏松及再骨折的原因主要是接骨板的高应力遮挡作用导致骨质吸收―成骨代谢动态平衡丧失，使骨吸收快于成骨所致。在坚硬固定状态下，骨哈佛氏管逐渐增大，管道内大量破骨细胞堆集，胶原纤维束趋向紊乱，接骨板下及对侧皮质骨吸收变薄，骨钙含量减低，髓腔增大［10］。如接骨板同骨结合得越好，固定时间越长，其应力遮挡作用越强，骨钙含量丧失越严重。不过上述这些变化是可逆转的，解除应力遮挡作用后，给骨或骨断端予正常应力刺激，骨密度和骨的强度都将逐渐恢复正常［11］。
为解决坚硬接骨板之不足，目前在研究和应用接骨板方面出现如下趋势：①用塑料、石墨纤维、甲基丙烯酸甲脂（GFMM）及韧性钛合金等低刚度材料为原料制作接骨板。这类接骨板具有良好的强度而刚度不高，应力遮挡作用小，有利于骨愈合及改建［8，9］；②应用可降解材料制作可吸收性接骨板，最适宜的可降解材料主要是聚乙交酯（PGA）、聚丙交酯（PLA）及两者的均聚体和共聚体［12］，此类可降解材料在体内随着骨折愈合能逐步降解吸收，刚度逐渐衰减，在骨折愈合中后期有利于骨折部获得有效的应力刺激［13］，有些材料本身还有成骨诱导作用［14］，如能有效解决迟发性炎症反应等不足之处，其发展前景广阔；③改进传统金属接骨板的构型，使其力学分布优化，应力遮挡效应减弱。4 骨外固定状态下骨折愈合的特点
骨外固定主要是利用固定支架的稳定性，通过钢针产生作用力而使骨折稳定。其最大优点在于治疗骨折时既能为骨折端提供稳定的固定，又不进一步破坏局部血液循环，从力学和生物学两方面为骨愈合创造了有利条件。骨外固定的稳定性主要由固定器的结构刚度决定，即固定器维持其几何结构不变的能力。大量的生物力学研究证实，增加钢针数目及钢针直径、增大针组间距、减小侧杆间距、增加侧杆数目及骨折端预加压固定均能增大固定器的刚度［2，15］。
骨外固定对骨折愈合的影响主要表现为固定骨段的应力遮挡效应及骨断端应力场作用。高刚度的外固定器可产生较强的应力遮挡作用，早期可稳定骨折，但后期则阻碍骨折端应力的有效传导和刺激，干扰骨折的修复与重建。固定器刚度越大，其影响越明显，如同接骨板一样，可致骨质疏松和骨折延迟愈合［16］。这主要是具有成骨活性的细胞未能获得有效的应力刺激而处于“功能性休眠”状态，破骨细胞则相对功能活跃，使骨组织成骨―吸收活动处于负平衡状态，骨质不能有效地骨化所致［17］。固此，在骨折治疗时既要提高固定器刚度以增加固定的稳定性，又要降低其应力遮挡率，让更多的载荷传到骨断端。目前，通常于骨折愈合中后期减少固定器连接杆及钢针数来解决这一矛盾。另外，可采用加压固定方法，骨折端接触加压能减少骨断端间间隙，增加断面间静态摩擦而提高固定的稳定性，利于骨痂形成及爬行替代作用，同时可显著降低固定器应力遮挡率，有利于应力刺激和传导。有研究证实，加压固定时外固定器的应力遮挡率可降至3％左右的最低水平［18］。骨断端应力分布特征依赖于固定方式。单平面固定将致偏心性应力分布和应力集中现象，不利于骨折愈合；而多平面固定使骨断端应力分布均匀，对骨正常应力分布影响小，对骨折愈合有利［19］。
5 应力影响骨折愈合的机理
目前的研究业已表明，骨组织的形态结构、密度分布对应力刺激具有充分的功能适应性。骨骼对外加载荷的反应性或功能适应性主要是由骨细胞、骨胶原和骨细胞外液对载荷所形成的应力或应变刺激产生感受，形成复杂的体内自身反馈性调节系统而作用的结果。表现在应力作用的压力侧骨形成增强，而张力侧骨吸收加速。有关这种功能适应性的确切机制尚不清楚。
有观点认为，骨细胞膜与基质相连，基质受应变刺激时会牵拉细胞膜并激发细胞反应，即骨细胞能直接感受应变［20］。另一种观点认为，机械应力刺激产生的应变引起细胞间液体流动，进而形成流动电势而引起细胞反应［21］。但无论骨组织以何种方式感受力学刺激，最终均以骨生物电方式实现力学刺激信号的转换。有学者利用生物电原理，对实验性骨折行电刺激，可见局部成骨细胞分化率明显提高［22］。目前，尚不清楚力学刺激信号转换为生物信号后是如何进一步传递而最终影响细胞活动的。有研究发现［23］，在压力环境下鸡胚胎胫骨中骨组织细胞内cAMP含量明显下降，成骨细胞合成和分泌胶原蛋白的能力增加。也有学者观察到骨细胞受载荷刺激后，DNA含量增加，而细胞内cAMP含量变化不显著，但前列腺素E2（PGE2）却显著增高。由此可以推测，骨组织受载荷后形成的生物电信号可能是通过cAMP、PGE2等第二信使传递，激活成骨细胞、破骨细胞等而加速骨愈合或改建的。
6 展望
力学环境因素是影响骨折愈合的重要因素之一，这已被广泛认同，用生物力学理论指导临床骨折的治疗已经取得了引人瞩目的成就。适合人体力学的固定器材的研制和改进，以及固定方式的改进已使得临床骨折愈合率显著提高，愈合时间缩短，骨延迟愈合或骨不连、骨质疏松等并发症减少。目前，应力环境影响骨折愈合的机制是这一领域的研究热点，通过对力学信号的感受、传递及其调控的分子机理研究，必将使骨愈合理论获得重大突破。
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