生物力學在骨折愈合過程中的作用

馬信龍

前 言

現代骨折治療的目標是重建骨及其附屬結構，恢復肢體功能。目前絕大多數骨折（90%～95%）通過恰當的治療方法都能得到滿意的臨床療效；但仍然有相當數量的骨折患者在遭受骨折延遲愈合、不愈合帶來的身心痛苦。影響骨折愈合的因素很多，生理因素包括骨折部位血管化程度、激素水平以及細胞因子等，營養(yǎng)因素包括維生素及鈣的攝入及吸煙情況，物理因素如生物力學作用、超聲及電刺激干預等，基因差異也在很大程度上影響骨折愈合，這些因素很少獨立發(fā)揮作用，相互關聯、影響、制約。近年來隨著生物力學學科的迅猛發(fā)展，力學環(huán)境因素影響骨折修復的重要性已逐漸凸顯，大量對骨折愈合應力環(huán)境的研究取得了很大進展，為骨折治療提供了諸多理論依據。

1 骨折愈合的生物力學

骨折的一期愈合是AO 理論體系的目標，可通過解剖復位后堅強內固定如加壓鋼板、螺釘及張力帶來實現，消除骨折局部的微動，無骨痂形成。而經過長期大量的隨訪，應力遮擋、犧牲骨周圍血運換取解剖復位等影響預后的因素推動了BO（Biological Osteosynthesis）理念的發(fā)展和成熟。BO不強求解剖復位，注重保護骨折部位血運，通過改良的器械和內固定來達到二期愈合。

通常情況下的骨折愈合（二期愈合）包括4個階段：炎性期、軟骨痂形成期、硬骨痂形成期、重塑期。骨折在夾板、普通內植物固定、牽引等治療都屬于此類愈合。骨折二期愈合中堅固、完整延續(xù)的骨痂是愈合的關鍵因素。恰當的力學刺激促進骨痂的形成和生長，而骨折端過大的移位會影響血管生成，促進纖維結締組織化生，不利于骨膜內和軟骨內骨化，從而影響骨痂的形成。不同組織承受的形變量是不同的，肉芽組織可以承受100%的形變量，軟骨為10%，而骨組織僅為2%。 因骨折片間隙小于2 mm 時30%應變的微動促進骨痂形成效果最明顯，而間隙大于2 mm時微動反而減少骨痂形成。

斷端微動的方向和大小同樣影響骨折愈合過程。眾所周知，適度軸向微動可以刺激骨痂生長，從而加速骨折修復。Augat P 等人認為，在骨折早期，與軸向微動相比，骨折片之間的剪切微動減少外周骨痂形成，減緩斷端間隙的骨填充，從而降低骨痂的機械穩(wěn)定性。這可能是因為剪切載荷誘導成纖維細胞增殖、分化為纖維組織，造成骨痂應力重分布，使斷端板層界面應力過于集中，不利于骨折愈合，同時其破壞毛細血管和骨痂形成。而Sarmiento A 等人臨床中的發(fā)現卻與之相反。隨后Park 和Bishop 等人通過實驗再次證實，剪切微動比軸向微動會帶來更好的臨床結果。這可能是因為在愈合中后期各種應力均有一定的骨痂改建作用，增加切應力可促進成骨細胞分化，使更多的類骨質沉淀并使骨礦化。低應力對組織分化的力學誘導降低，往往導致延遲愈合或骨不連，應力過高會使活體骨在骨-骨界面或骨-內固定物界面發(fā)生反應性表面吸收，造成骨萎縮。

2 骨折部位的生物力學環(huán)境

通過FEM (Finite Element Method，有限元方法)可以觀察到骨折愈合部位的應力分布與骨折愈合的關系。量化的力學調節(jié)理論，根據組織靜水壓的大小可以推測不同細胞反映和組織分化過程。他們發(fā)現較小的組織應變（約＜0.5 %）和靜水壓（＜- 0.15 MPa）可導致成骨細胞的直接膜內骨化，更大的數值（1.5%<組織形變15.0 %，靜水壓>- 0.15 MPa）可導致軟骨內骨化；而高于15 %的組織形變將導致纖維軟骨和結締組織的形成，妨礙骨折愈合。

3 生物力學對骨折愈合的微觀調控

3.1 骨折愈合的生理過程 骨折二期愈合時，傷后即刻啟動炎性反應，24 h到達頂峰，7 d后結束，期間在骨折部位的出血凝固性增加，形成血腫。TNF-α (腫瘤壞死因子α)、IL-1 (白介素-1，interleukin-1), IL-6, IL-11 and IL-18 募集炎細胞，啟動血管化進程。隨后來源于骨折周圍軟組織、骨髓以及近期發(fā)現循環(huán)中的特異性MSCs（間充質干細胞）聚集于傷處，目前對于何種細胞因子介導此反應尚有爭議。通常骨折二期愈合時同時存在膜內成骨和軟骨內成骨，但主要以軟骨內成骨為主。血腫形成后，其內部開始形成富含纖維蛋白的肉芽組織，隨后在其內出現軟骨內成骨。在動物實驗（大鼠、小鼠、兔）中觀察到傷后7～9 d 代表軟骨痂形成高峰的主要標記物Ⅱ型膠原和蛋白多糖呈高表達。與此同時，骨膜內成骨反應啟動，生成硬骨痂，為功能鍛煉提供半堅強結構。TGF-β2，-β3和GDF-5參與介導軟骨內成骨，而BMP-5(骨形態(tài)發(fā)生蛋白-5，Bone morphogenetic protein-5)和BMP-6 參與骨膜下成骨。隨后出現骨折部位的再血管化和血管異生，軟骨下成骨時同時出現軟骨的凋亡，退變，為血管張入提供通道。隨后在Wnt 家族細胞因子的作用下，多能MSCs 向成骨細胞分化，在軟骨骨痂不斷增多的同時，軟骨細胞增生，細胞外基質開始鈣化，動物模型中硬骨痂形成的峰值在傷后第14 d，隨著硬骨痂的形成，鈣化的軟骨逐漸被編織骨所代替，骨痂進一步變硬，生物力學性能增加。

3.2 生物力學對生物因子的調控 在骨折愈合過程中，生物力學環(huán)境影響許多細胞因子的關鍵活動。成骨細胞和破骨細胞在力學環(huán)境下會分泌特殊生長因子，刺激、維持骨折愈合進程。在利用牽張成骨原理進行肢體延長治療的患者中，持續(xù)的力學刺激促進骨折愈合,促進骨細胞增殖，刺激細胞外基質蛋白的高表達。BMP家族同樣受到影響，有文獻報道在機械性牽拉下IGF-1、BMP-2 和BMP-4 的表達增高，BMP-7的表達不變。在一項生物力學細胞傳導研究中發(fā)現，生物力學信號由細胞膜的形變被感知和傳導。細胞膜的變形改變了膜蛋白的構造，如牽張活化陽離子通道蛋白和整合蛋白。這些膜蛋白依次和細胞骨架通道相連，釋放傳遞生物力學信息的蛋白復合物，這些蛋白復合物被稱之為力學小體，它們進入細胞核，通過改變靶基因調控區(qū)的形狀來完成轉錄。人類骨細胞的生長能力隨年齡增加而減小，但對機械刺激轉導的能力并未因之下降。老年患者的骨細胞和新生大鼠顱蓋細胞在被施加機械刺激時反應相差不大。我們通過對大鼠成骨細胞的研究發(fā)現：周期性牽張應力特異性促進大鼠成骨樣細胞PKCζ的磷酸化，同時2%的周期性牽張應力作用有明顯促進了成骨細胞的增殖作用。

此外BMSCs(骨髓間充質干細胞bone mesenchymal stem Cells)的研究也是近些年的的熱點之一。不同強度和作用時間的牽張力對BMSCs 的影響不同。有學者模擬體內牽張成骨的環(huán)境，對人BMSCs 進行實驗表明：適當的牽張應力能夠刺激人BMSCs 的增殖。機械牽張力還可以激活或促進BMSCs 向成骨細胞分化，力學研究表明較低拉伸應力下（> 5%）活化蛋白-1（AP，activator protein-1）活性增強，核心結合因子α1（core-binding factor 1）的mRNA 表達量增加，然而較高應變量（10% 15%）降低AP 活性和其他一些促骨生成因子的表達.在2%～10%的應變量下一些關鍵成骨轉換因子和基因(Runx2、Ets-1、etc.)表達增強。

4 展望

影響骨折愈合的因素多種多樣，作用機制復雜，作用時間相互交錯、關聯，生物力學因素是眾多因素之一并與其他因素偶聯，wolff 定律指出形態(tài)是適應功能的，隨著對生物力學及骨折愈合研究的不斷深入，以生物力學原理為指導，利用更先進、更完善的分子生物學、免疫學和遺傳學條件，開展更深層次的研究將是未來骨折愈合科研工作的重點。在骨折治療方面，深刻理解骨折及治療的生物力學基礎，吸取總結AO、BO 學說的精髓，開展有中國特色的CO（Chinese Osteosynthesis）治療。