馬信龍

前 言

現(xiàn)代骨折治療的目標(biāo)是重建骨及其附屬結(jié)構(gòu)，恢復(fù)肢體功能。目前絕大多數(shù)骨折（90%～95%）通過(guò)恰當(dāng)?shù)闹委煼椒ǘ寄艿玫綕M(mǎn)意的臨床療效；但仍然有相當(dāng)數(shù)量的骨折患者在遭受骨折延遲愈合、不愈合帶來(lái)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(xì)胞因子等，營(yíng)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(xué)作用、超聲及電刺激干預(yù)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(dú)立發(fā)揮作用，相互關(guān)聯(lián)、影響、制約。近年來(lái)隨著生物力學(xué)學(xué)科的迅猛發(fā)展，力學(xué)環(huán)境因素影響骨折修復(fù)的重要性已逐漸凸顯，大量對(duì)骨折愈合應(yīng)力環(huán)境的研究取得了很大進(jìn)展，為骨折治療提供了諸多理論依據(jù)。

1 骨折愈合的生物力學(xué)

骨折的一期愈合是AO 理論體系的目標(biāo)，可通過(guò)解剖復(fù)位后堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定如加壓鋼板、螺釘及張力帶來(lái)實(shí)現(xiàn)，消除骨折局部的微動(dòng)，無(wú)骨痂形成。而經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期大量的隨訪，應(yīng)力遮擋、犧牲骨周?chē)\(yùn)換取解剖復(fù)位等影響預(yù)后的因素推動(dòng)了BO（Biological Osteosynthesis）理念的發(fā)展和成熟。BO不強(qiáng)求解剖復(fù)位，注重保護(hù)骨折部位血運(yùn)，通過(guò)改良的器械和內(nèi)固定來(lái)達(dá)到二期愈合。

通常情況下的骨折愈合（二期愈合）包括4個(gè)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(nèi)植物固定、牽引等治療都屬于此類(lèi)愈合。骨折二期愈合中堅(jiān)固、完整延續(xù)的骨痂是愈合的關(guān)鍵因素。恰當(dāng)?shù)牧W(xué)刺激促進(jìn)骨痂的形成和生長(zhǎng)，而骨折端過(guò)大的移位會(huì)影響血管生成，促進(jìn)纖維結(jié)締組織化生，不利于骨膜內(nèi)和軟骨內(nèi)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(shí)30%應(yīng)變的微動(dòng)促進(jìn)骨痂形成效果最明顯，而間隙大于2 mm時(shí)微動(dòng)反而減少骨痂形成。

斷端微動(dòng)的方向和大小同樣影響骨折愈合過(guò)程。眾所周知，適度軸向微動(dòng)可以刺激骨痂生長(zhǎng)，從而加速骨折修復(fù)。Augat P 等人認(rèn)為，在骨折早期，與軸向微動(dòng)相比，骨折片之間的剪切微動(dòng)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(jī)械穩(wěn)定性。這可能是因?yàn)榧羟休d荷誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞增殖、分化為纖維組織，造成骨痂應(yīng)力重分布，使斷端板層界面應(yīng)力過(guò)于集中，不利于骨折愈合，同時(shí)其破壞毛細(xì)血管和骨痂形成。而Sarmiento A 等人臨床中的發(fā)現(xiàn)卻與之相反。隨后Park 和Bishop 等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)再次證實(shí)，剪切微動(dòng)比軸向微動(dòng)會(huì)帶來(lái)更好的臨床結(jié)果。這可能是因?yàn)樵谟现泻笃诟鞣N應(yīng)力均有一定的骨痂改建作用，增加切應(yīng)力可促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，使更多的類(lèi)骨質(zhì)沉淀并使骨礦化。低應(yīng)力對(duì)組織分化的力學(xué)誘導(dǎo)降低，往往導(dǎo)致延遲愈合或骨不連，應(yīng)力過(guò)高會(huì)使活體骨在骨-骨界面或骨-內(nèi)固定物界面發(fā)生反應(yīng)性表面吸收，造成骨萎縮。

2 骨折部位的生物力學(xué)環(huán)境

通過(guò)FEM (Finite Element Method，有限元方法)可以觀察到骨折愈合部位的應(yīng)力分布與骨折愈合的關(guān)系。量化的力學(xué)調(diào)節(jié)理論，根據(jù)組織靜水壓的大小可以推測(cè)不同細(xì)胞反映和組織分化過(guò)程。他們發(fā)現(xiàn)較小的組織應(yīng)變（約＜0.5 %）和靜水壓（＜- 0.15 MPa）可導(dǎo)致成骨細(xì)胞的直接膜內(nèi)骨化，更大的數(shù)值（1.5%<組織形變15.0 %，靜水壓>- 0.15 MPa）可導(dǎo)致軟骨內(nèi)骨化；而高于15 %的組織形變將導(dǎo)致纖維軟骨和結(jié)締組織的形成，妨礙骨折愈合。

3 生物力學(xué)對(duì)骨折愈合的微觀調(diào)控

3.1 骨折愈合的生理過(guò)程 骨折二期愈合時(shí)，傷后即刻啟動(dòng)炎性反應(yīng)，24 h到達(dá)頂峰，7 d后結(jié)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(xì)胞，啟動(dòng)血管化進(jìn)程。隨后來(lái)源于骨折周?chē)浗M織、骨髓以及近期發(fā)現(xiàn)循環(huán)中的特異性MSCs（間充質(zhì)干細(xì)胞）聚集于傷處，目前對(duì)于何種細(xì)胞因子介導(dǎo)此反應(yīng)尚有爭(zhēng)議。通常骨折二期愈合時(shí)同時(shí)存在膜內(nèi)成骨和軟骨內(nèi)成骨，但主要以軟骨內(nèi)成骨為主。血腫形成后，其內(nèi)部開(kāi)始形成富含纖維蛋白的肉芽組織，隨后在其內(nèi)出現(xiàn)軟骨內(nèi)成骨。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)（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(biāo)記物Ⅱ型膠原和蛋白多糖呈高表達(dá)。與此同時(shí)，骨膜內(nèi)成骨反應(yīng)啟動(dòng)，生成硬骨痂，為功能鍛煉提供半堅(jiān)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。TGF-β2，-β3和GDF-5參與介導(dǎo)軟骨內(nèi)成骨，而B(niǎo)MP-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(xiàn)骨折部位的再血管化和血管異生，軟骨下成骨時(shí)同時(shí)出現(xiàn)軟骨的凋亡，退變，為血管張入提供通道。隨后在Wnt 家族細(xì)胞因子的作用下，多能MSCs 向成骨細(xì)胞分化，在軟骨骨痂不斷增多的同時(shí)，軟骨細(xì)胞增生，細(xì)胞外基質(zhì)開(kāi)始鈣化，動(dòng)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(jìn)一步變硬，生物力學(xué)性能增加。

3.2 生物力學(xué)對(duì)生物因子的調(diào)控 在骨折愈合過(guò)程中，生物力學(xué)環(huán)境影響許多細(xì)胞因子的關(guān)鍵活動(dòng)。成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞在力學(xué)環(huán)境下會(huì)分泌特殊生長(zhǎng)因子，刺激、維持骨折愈合進(jìn)程。在利用牽張成骨原理進(jìn)行肢體延長(zhǎng)治療的患者中，持續(xù)的力學(xué)刺激促進(jìn)骨折愈合,促進(jìn)骨細(xì)胞增殖，刺激細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的高表達(dá)。BMP家族同樣受到影響，有文獻(xiàn)報(bào)道在機(jī)械性牽拉下IGF-1、BMP-2 和BMP-4 的表達(dá)增高，BMP-7的表達(dá)不變。在一項(xiàng)生物力學(xué)細(xì)胞傳導(dǎo)研究中發(fā)現(xiàn)，生物力學(xué)信號(hào)由細(xì)胞膜的形變被感知和傳導(dǎo)。細(xì)胞膜的變形改變了膜蛋白的構(gòu)造，如牽張活化陽(yáng)離子通道蛋白和整合蛋白。這些膜蛋白依次和細(xì)胞骨架通道相連，釋放傳遞生物力學(xué)信息的蛋白復(fù)合物，這些蛋白復(fù)合物被稱(chēng)之為力學(xué)小體，它們進(jìn)入細(xì)胞核，通過(guò)改變靶基因調(diào)控區(qū)的形狀來(lái)完成轉(zhuǎn)錄。人類(lèi)骨細(xì)胞的生長(zhǎng)能力隨年齡增加而減小，但對(duì)機(jī)械刺激轉(zhuǎn)導(dǎo)的能力并未因之下降。老年患者的骨細(xì)胞和新生大鼠顱蓋細(xì)胞在被施加機(jī)械刺激時(shí)反應(yīng)相差不大。我們通過(guò)對(duì)大鼠成骨細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)：周期性牽張應(yīng)力特異性促進(jìn)大鼠成骨樣細(xì)胞PKCζ的磷酸化，同時(shí)2%的周期性牽張應(yīng)力作用有明顯促進(jìn)了成骨細(xì)胞的增殖作用。

此外BMSCs(骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞bone mesenchymal stem Cells)的研究也是近些年的的熱點(diǎn)之一。不同強(qiáng)度和作用時(shí)間的牽張力對(duì)BMSCs 的影響不同。有學(xué)者模擬體內(nèi)牽張成骨的環(huán)境，對(duì)人BMSCs 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表明：適當(dāng)?shù)臓繌垜?yīng)力能夠刺激人BMSCs 的增殖。機(jī)械牽張力還可以激活或促進(jìn)BMSCs 向成骨細(xì)胞分化，力學(xué)研究表明較低拉伸應(yīng)力下（> 5%）活化蛋白-1（AP，activator protein-1）活性增強(qiáng)，核心結(jié)合因子α1（core-binding factor 1）的mRNA 表達(dá)量增加，然而較高應(yīng)變量（10% 15%）降低AP 活性和其他一些促骨生成因子的表達(dá).在2%～10%的應(yīng)變量下一些關(guān)鍵成骨轉(zhuǎn)換因子和基因(Runx2、Ets-1、etc.)表達(dá)增強(qiáng)。

4 展望

影響骨折愈合的因素多種多樣，作用機(jī)制復(fù)雜，作用時(shí)間相互交錯(cuò)、關(guān)聯(lián)，生物力學(xué)因素是眾多因素之一并與其他因素偶聯(lián)，wolff 定律指出形態(tài)是適應(yīng)功能的，隨著對(duì)生物力學(xué)及骨折愈合研究的不斷深入，以生物力學(xué)原理為指導(dǎo)，利用更先進(jìn)、更完善的分子生物學(xué)、免疫學(xué)和遺傳學(xué)條件，開(kāi)展更深層次的研究將是未來(lái)骨折愈合科研工作的重點(diǎn)。在骨折治療方面，深刻理解骨折及治療的生物力學(xué)基礎(chǔ)，吸取總結(jié)AO、BO 學(xué)說(shuō)的精髓，開(kāi)展有中國(guó)特色的CO（Chinese Osteosynthesis）治療。