生物力學(xué)因素在股骨頭壞死發(fā)生發(fā)展中的作用研究進(jìn)展

汪松，張弢，馬信龍，張弸羽(天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院，天津 30005；天津醫(yī)院)

·綜述·

生物力學(xué)因素在股骨頭壞死發(fā)生發(fā)展中的作用研究進(jìn)展

汪松1，張弢1，馬信龍2，張弸羽2(1天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院，天津 300052；2天津醫(yī)院)

摘要：股骨頭壞死是骨科常見(jiàn)疾病，其發(fā)病因素尚不完全明確。股骨近端以其特有的懸臂梁結(jié)構(gòu)在人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中承受數(shù)倍于體質(zhì)量的負(fù)荷，在傳遞外部載荷中發(fā)揮重要的生物力學(xué)作用。股骨頭壞死相關(guān)生物力學(xué)理論有骨重塑理論(股骨頭內(nèi)小梁的形態(tài)結(jié)構(gòu)和排列方式隨外部載荷可逐漸改建。若股骨頸骨折時(shí)復(fù)位不良，可導(dǎo)致松質(zhì)骨力學(xué)強(qiáng)度逐漸下降進(jìn)而壞死)和Frost力學(xué)調(diào)控假說(shuō)(股骨頭內(nèi)小梁結(jié)構(gòu)在外部載荷下可發(fā)生不同程度的變形，若變形過(guò)大可導(dǎo)致微骨折增多、力學(xué)強(qiáng)度下降，進(jìn)而進(jìn)一步增大小梁變形程度而發(fā)生惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致股骨頭壞死)。生物力學(xué)因素在股骨頭壞死發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮作用，且已通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、臨床試驗(yàn)、數(shù)字化骨科方式得到驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：股骨頭壞死；生物力學(xué)；骨重塑理論；Frost力學(xué)調(diào)控假說(shuō)

股骨頭壞死是一種可導(dǎo)致股骨頭塌陷、關(guān)節(jié)功能障礙的疾病，以往稱(chēng)之為股骨頭缺血性壞死[1]。Ueo提出的“缺血假說(shuō)”并不能有效的詮釋股骨頭壞死機(jī)制，后來(lái)臨床學(xué)者提出生物力學(xué)因素在股骨頭壞死過(guò)程中可能發(fā)揮重要作用。本文就生物力學(xué)因素在股骨頭壞死發(fā)生發(fā)展中的作用研究進(jìn)展作一綜述，以期為研究股骨頭壞死的學(xué)者提供線索。

1股骨近端解剖及其生物力學(xué)特性

根據(jù)生物進(jìn)化理論，生物體的結(jié)構(gòu)和功能相互適應(yīng)并趨于統(tǒng)一的觀點(diǎn)已成為共識(shí)。而人體骨骼作為一種兼具特殊力學(xué)結(jié)構(gòu)和各向異性、非均質(zhì)的材料，具備特殊的生物學(xué)和力學(xué)特性，使人類(lèi)直立行走成為現(xiàn)實(shí)[2]。股骨由于其特有的解剖結(jié)構(gòu)，使股骨頭、頸在各種動(dòng)作下受到不同的作用力效果。

股骨頭形態(tài)特殊、作用獨(dú)特，與髖臼、關(guān)節(jié)盂、恥骨韌帶、髂股韌帶、坐股韌帶等結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定又不失靈活的杵臼關(guān)節(jié)，對(duì)維持人體直立姿態(tài)以及保證各種運(yùn)動(dòng)的順利完成具有重要作用。電鏡下股骨頭松質(zhì)骨內(nèi)骨柱和骨板相互交織成網(wǎng)，構(gòu)成多孔骨組織。骨柱直徑為80～150 μm，呈拱形并沿各方向排列，且每?jī)蓚€(gè)拱形骨柱之間存在一定空隙。拱形骨小梁具有重要力學(xué)作用：①形態(tài)模型：拱形的骨微結(jié)構(gòu)可以降低拱形高度、減少拱形彎矩、向兩端的拱形底部產(chǎn)生水平推力，成為理想的緩沖軸向靜態(tài)力學(xué)的骨組織；②結(jié)構(gòu)模型：拱形多孔網(wǎng)狀骨組織內(nèi)的空間具有一定程度的可變潛能，從而可以借助骨柱的拱形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大位移，將外部沖擊載荷轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能貯存在股骨頭內(nèi)。待載荷消除，松質(zhì)骨內(nèi)部的微觀拱形結(jié)構(gòu)彈回原狀，將能量重新釋放，從而使得股骨成為承受沖擊載荷的重要結(jié)構(gòu)[3]。

2股骨頭壞死相關(guān)生物力學(xué)理論

2.1骨重塑理論Wolff[4]在《骨轉(zhuǎn)化的定律》中寫(xiě)道，骨骼是一種自?xún)?yōu)化的器官，可以快速適應(yīng)力學(xué)環(huán)境，按一定數(shù)學(xué)法則，以某特定的方式改變骨的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部形態(tài)，達(dá)到以最簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)承擔(dān)最大應(yīng)力的目的。股骨頸骨折后復(fù)位不良和大量使用糖皮質(zhì)激素導(dǎo)致的股骨頭壞死中，其發(fā)生機(jī)制利用Wollf定律都可以得到有效解釋?zhuān)从捎诠琴|(zhì)疏松或應(yīng)力線改變，導(dǎo)致股骨頭負(fù)重區(qū)的骨小梁難以承受原有應(yīng)力強(qiáng)度而發(fā)生微骨折。隨著有害應(yīng)力的積累，微骨折超出骨質(zhì)本身的修復(fù)作用，使得骨小梁的斷裂成為不可逆過(guò)程，進(jìn)而機(jī)體啟動(dòng)骨細(xì)胞凋亡等一系列反應(yīng)，最終造成股骨頭壞死和塌陷。

2.2Frost力學(xué)調(diào)控系統(tǒng)假說(shuō)1987年，F(xiàn)rost提出了著名的“力學(xué)調(diào)控系統(tǒng)假說(shuō)”，該系統(tǒng)是由許多相關(guān)生物機(jī)制組合而成的類(lèi)似“人體溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)”的閉環(huán)系統(tǒng)，可根據(jù)外部機(jī)械應(yīng)力的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)強(qiáng)度并作用于骨內(nèi)的生物信號(hào)，進(jìn)而調(diào)節(jié)骨微結(jié)構(gòu)。Frost的核心理論為“力學(xué)調(diào)控”，即通過(guò)外界載荷刺激應(yīng)力感受裝置，使之產(chǎn)生不同的應(yīng)變，進(jìn)而控制骨代謝活動(dòng)[5]。

力學(xué)調(diào)控假說(shuō)較好的解釋了股骨頭壞死的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程。股骨頸骨折患者愈合后，隨著下地負(fù)重，機(jī)體可感受到劇烈的應(yīng)變變化，造成局部骨小梁微骨折，從而引起明顯的骨修復(fù)、骨塑建和改建[6]。由于這種不良刺激長(zhǎng)期存在，會(huì)引起過(guò)度骨改建的發(fā)生，即松質(zhì)骨向骨形成方向過(guò)度轉(zhuǎn)化。此時(shí)骨小梁走向變得雜亂無(wú)章，形成相對(duì)各向同性的編織骨，使剛度明顯上升，即硬化帶的形成。當(dāng)骨質(zhì)增加無(wú)法補(bǔ)償這種長(zhǎng)期髙應(yīng)力刺激時(shí)，骨單位改建受阻，微骨折不能修復(fù)，出現(xiàn)創(chuàng)傷性炎癥、炎性纖維肉芽組織浸潤(rùn)和增生。如此反復(fù)過(guò)載和過(guò)度應(yīng)變可引起骨小梁發(fā)生顯微鏡下可見(jiàn)的疲勞損傷或微骨折，該微骨折可降低骨整體的力學(xué)性能。微骨折持續(xù)積累可導(dǎo)致自發(fā)應(yīng)力骨折、成人股骨頭壞死并塌陷等嚴(yán)重后果[7]。

3生物力學(xué)因素在股骨頭壞死發(fā)生發(fā)展中的作用

3.1動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證眾多學(xué)者進(jìn)行動(dòng)物股骨頭壞死造模過(guò)程中進(jìn)一步證明了力學(xué)因素在股骨頭壞死中的重要作用。Conzemius等[8]應(yīng)用兩足大型動(dòng)物鴯鹋制作股骨頭壞死模型，發(fā)現(xiàn)同樣是將旋股內(nèi)外側(cè)動(dòng)脈切斷、剝離關(guān)節(jié)囊周邊附著組織，并在股骨頭內(nèi)注射液氮的情況下，雙足負(fù)重動(dòng)物鴯鹋形成股骨頭壞死成功率遠(yuǎn)大于四足動(dòng)物。經(jīng)組織學(xué)檢查，壞死股骨頭多處可見(jiàn)骨小梁骨折和塌陷，骨髓腔中充滿(mǎn)纖維和肉芽組織，軟骨面失去光滑外形，甚至有動(dòng)物模型出現(xiàn)了新月征，完美的再現(xiàn)了人股骨頭壞死進(jìn)程，證明了機(jī)械應(yīng)力在股骨頭壞死形成中的重要作用。Hirano等[9]選用自發(fā)性高血壓大鼠，通過(guò)損傷坐骨神經(jīng)的方法減少大鼠髖關(guān)節(jié)負(fù)重，結(jié)果股骨頭壞死的發(fā)生率明顯降低，因此提出股骨頭壞死與股骨頭所受機(jī)械應(yīng)力之間應(yīng)有密切關(guān)系。為了進(jìn)一步證實(shí)這一觀點(diǎn)，Mihara等[10]將自發(fā)性高血壓大鼠分別放入兩組特質(zhì)的籠子內(nèi)，第一組大鼠正常站立進(jìn)食，第二組大鼠在特制的籠子內(nèi)無(wú)法站立而俯臥進(jìn)食，結(jié)果顯示站立組大鼠股骨頭壞死發(fā)生率高達(dá)40%，而非站立組僅為5%，有力的證明了股骨頭壞死與力學(xué)因素的相關(guān)性。

3.2臨床驗(yàn)證在臨床工作中，眾多學(xué)者逐漸意識(shí)到生物力學(xué)因素在股骨頭發(fā)生發(fā)展中的作用。張義修認(rèn)為，股骨頭壞死不能單純憑借血運(yùn)不良進(jìn)行解釋?zhuān)绻晒穷i骨折導(dǎo)致的股骨頭壞死高發(fā)期在手術(shù)完成并完全負(fù)重后1～3 a，有悖于缺血性股骨頭壞死理論，即與創(chuàng)傷之始已遭受?chē)?yán)重血運(yùn)破壞，理應(yīng)短期內(nèi)發(fā)生壞死的推論有很大差距。馬信龍等[11]認(rèn)為，股骨頭壞死是由于應(yīng)力分布改變導(dǎo)致骨小梁過(guò)度改建造成，并且為驗(yàn)證這一觀點(diǎn)，對(duì)兩例股骨頸骨折患者術(shù)前和術(shù)后3、6、12個(gè)月及取釘后的兩側(cè)髖關(guān)節(jié)分別行血流相、血池相、靜態(tài)相檢查，發(fā)現(xiàn)各時(shí)間點(diǎn)患側(cè)股骨的血流灌注較健側(cè)增加，證實(shí)生物力學(xué)因素較血運(yùn)在股骨頭發(fā)生發(fā)展過(guò)程中更應(yīng)得到重視。

在股骨頭壞死的臨床治療中，股骨頭壞死與生物力學(xué)因素相關(guān)性也得以展現(xiàn)。股骨頭壞死的治療主要包括限制負(fù)重的保守療法[12]和手術(shù)治療[13]，其中限制負(fù)重作為非手術(shù)治療的首要手段，對(duì)控制疾病惡化具有重要意義。Mont等[14]發(fā)現(xiàn)，限制負(fù)重后，35%的Ⅰ期股骨頭壞死患者、31%的Ⅱ期患者、13%的Ⅲ期患者未出現(xiàn)塌陷，患者功能得到了極大的改善。Koo對(duì)采用非手術(shù)手段治療股骨頭壞死的患者進(jìn)行隨訪，指出限制負(fù)重后有超過(guò)22%的患者在2 a內(nèi)可達(dá)到滿(mǎn)意療效。究其原因可能是股骨頭壞死患者限制負(fù)重后進(jìn)行康復(fù)活動(dòng)可以產(chǎn)生適度的變形。根據(jù)Frost“力學(xué)調(diào)控”理論，適度的變形可以促進(jìn)成骨及骨的改建，在股骨頭內(nèi)重新塑造力線，以增強(qiáng)股骨頭抵抗外部載荷能力，避免股骨頭塌陷，使疾病自限甚至逐步逆轉(zhuǎn)病情。

手術(shù)治療是股骨頭壞死晚期不可避免的治療手段，在整體治療過(guò)程中具有重要地位，常見(jiàn)方法包括髓芯減壓術(shù)。髓芯減壓術(shù)是根據(jù)股骨頭內(nèi)壓力升高導(dǎo)致股骨頭缺血壞死的理論發(fā)展而來(lái)。Koo對(duì)早期股骨頭壞死患者采用髓芯減壓和保守療法進(jìn)行隨機(jī)對(duì)照研究后發(fā)現(xiàn)，兩組患者塌陷率卻無(wú)明顯差別，分別為78%、79%。甚至有學(xué)者認(rèn)為，此術(shù)式下軟骨下骨的機(jī)械支撐減弱，反而導(dǎo)致整體力學(xué)結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)一步下降，惡化了壞死程度，加速了股骨頭的塌陷。近年來(lái)，髓芯減壓術(shù)在生物力學(xué)思想指導(dǎo)下，與鉭棒、植骨材料相結(jié)合，通過(guò)人為改變股骨頭內(nèi)力線、加強(qiáng)股骨頭整體力學(xué)性能對(duì)股骨頭壞死早期患者進(jìn)行治療[15]。Veillette等[16]認(rèn)為，髓芯減壓結(jié)合鉭棒植入較單純減壓術(shù)短期內(nèi)在保護(hù)股骨頭形態(tài)方面效果較好，證實(shí)了力學(xué)因素在治療股骨頭壞死中的指導(dǎo)價(jià)值。

3.3數(shù)字化骨科方式驗(yàn)證近年來(lái)，數(shù)字化骨科在微觀或半微觀水平迅猛發(fā)展，使得壞死股骨頭的骨小梁空間形態(tài)變化、內(nèi)部力學(xué)性能、手術(shù)方法選擇和療效預(yù)測(cè)方面得以穩(wěn)步展開(kāi)。

楊彬等利用多模態(tài)圖像融合技術(shù)將CT、MRI、X線等醫(yī)學(xué)圖像經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)后有機(jī)整合，構(gòu)建了包括皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、關(guān)節(jié)軟骨、股骨頭壞死區(qū)、斷裂骨小梁六部分的骨盆和股骨近端的三維模型，將壞死區(qū)域的空間結(jié)構(gòu)和體積精確展現(xiàn)。Fraitzl等[17]納入339例患者通過(guò)數(shù)字化手段測(cè)量偏心距，與健康者偏心距進(jìn)行對(duì)比后，推測(cè)偏心距的大小與股骨頭壞死有密切關(guān)系。杜長(zhǎng)嶺等[18]利用虛擬數(shù)字技術(shù)測(cè)量了股骨頸骨折后股骨頭的三維空間移位程度，發(fā)現(xiàn)Garden Ⅰ型股骨頸無(wú)移位型骨折的股骨頭尚存在明顯移位，與傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為的“無(wú)移位”有極大出入，解釋了無(wú)移位型股骨頸骨折同樣具有股骨頭高壞死率的現(xiàn)象。Volokh等[19]更是利用數(shù)字化場(chǎng)景虛擬技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)行了股骨頭壞死塌陷的預(yù)測(cè)，突破了臨床醫(yī)生僅憑經(jīng)驗(yàn)和二維圖像進(jìn)行疾病預(yù)測(cè)的不足，為探討生物力學(xué)因素導(dǎo)致股骨頸骨折后的股骨頭壞死提供了又一有力證據(jù)。

綜上所述，股骨頭壞死的機(jī)制探索和治療仍是骨科研究中熱點(diǎn)問(wèn)題，“缺血”、“力學(xué)因素”和“凋亡”三大致病假說(shuō)占據(jù)著主要地位。“力學(xué)因素致病假說(shuō)”以其較為完備、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摶A(chǔ)和實(shí)驗(yàn)支持越來(lái)越受到臨床醫(yī)師的認(rèn)可。深入研究力學(xué)因素和股骨頭壞死之間的作用機(jī)制，可以有效的施加干預(yù)措施，預(yù)防壞死發(fā)生、終止股骨頭壞死進(jìn)程，從而以科學(xué)、完備的理論和方法指導(dǎo)臨床工作。

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(收稿日期:2014-11-04)

通信作者：張弢

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11072021)；天津市科技支撐重點(diǎn)項(xiàng)目(13ZCZDSY01700) 。

中圖分類(lèi)號(hào)：R61

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-266X(2015)11-0089-03

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2015.11.037