生物力学在骨折愈合过程中的作用

马信龙

前 言

现代骨折治疗的目标是重建骨及其附属结构，恢复肢体功能。目前绝大多数骨折（90%～95%）通过恰当的治疗方法都能得到满意的临床疗效；但仍然有相当数量的骨折患者在遭受骨折延迟愈合、不愈合带来的身心痛苦。影响骨折愈合的因素很多，生理因素包括骨折部位血管化程度、激素水平以及细胞因子等，营养因素包括维生素及钙的摄入及吸烟情况，物理因素如生物力学作用、超声及电刺激干预等，基因差异也在很大程度上影响骨折愈合，这些因素很少独立发挥作用，相互关联、影响、制约。近年来随着生物力学学科的迅猛发展，力学环境因素影响骨折修复的重要性已逐渐凸显，大量对骨折愈合应力环境的研究取得了很大进展，为骨折治疗提供了诸多理论依据。

1 骨折愈合的生物力学

骨折的一期愈合是AO 理论体系的目标，可通过解剖复位后坚强内固定如加压钢板、螺钉及张力带来实现，消除骨折局部的微动，无骨痂形成。而经过长期大量的随访，应力遮挡、牺牲骨周围血运换取解剖复位等影响预后的因素推动了BO（Biological Osteosynthesis）理念的发展和成熟。BO不强求解剖复位，注重保护骨折部位血运，通过改良的器械和内固定来达到二期愈合。

通常情况下的骨折愈合（二期愈合）包括4个阶段：炎性期、软骨痂形成期、硬骨痂形成期、重塑期。骨折在夹板、普通内植物固定、牵引等治疗都属于此类愈合。骨折二期愈合中坚固、完整延续的骨痂是愈合的关键因素。恰当的力学刺激促进骨痂的形成和生长，而骨折端过大的移位会影响血管生成，促进纤维结缔组织化生，不利于骨膜内和软骨内骨化，从而影响骨痂的形成。不同组织承受的形变量是不同的，肉芽组织可以承受100%的形变量，软骨为10%，而骨组织仅为2%。 因骨折片间隙小于2 mm 时30%应变的微动促进骨痂形成效果最明显，而间隙大于2 mm时微动反而减少骨痂形成。

断端微动的方向和大小同样影响骨折愈合过程。众所周知，适度轴向微动可以刺激骨痂生长，从而加速骨折修复。Augat P 等人认为，在骨折早期，与轴向微动相比，骨折片之间的剪切微动减少外周骨痂形成，减缓断端间隙的骨填充，从而降低骨痂的机械稳定性。这可能是因为剪切载荷诱导成纤维细胞增殖、分化为纤维组织，造成骨痂应力重分布，使断端板层界面应力过于集中，不利于骨折愈合，同时其破坏毛细血管和骨痂形成。而Sarmiento A 等人临床中的发现却与之相反。随后Park 和Bishop 等人通过实验再次证实，剪切微动比轴向微动会带来更好的临床结果。这可能是因为在愈合中后期各种应力均有一定的骨痂改建作用，增加切应力可促进成骨细胞分化，使更多的类骨质沉淀并使骨矿化。低应力对组织分化的力学诱导降低，往往导致延迟愈合或骨不连，应力过高会使活体骨在骨-骨界面或骨-内固定物界面发生反应性表面吸收，造成骨萎缩。

2 骨折部位的生物力学环境

通过FEM (Finite Element Method，有限元方法)可以观察到骨折愈合部位的应力分布与骨折愈合的关系。量化的力学调节理论，根据组织静水压的大小可以推测不同细胞反映和组织分化过程。他们发现较小的组织应变（约＜0.5 %）和静水压（＜- 0.15 MPa）可导致成骨细胞的直接膜内骨化，更大的数值（1.5%<组织形变15.0 %，静水压>- 0.15 MPa）可导致软骨内骨化；而高于15 %的组织形变将导致纤维软骨和结缔组织的形成，妨碍骨折愈合。

3 生物力学对骨折愈合的微观调控

3.1 骨折愈合的生理过程 骨折二期愈合时，伤后即刻启动炎性反应，24 h到达顶峰，7 d后结束，期间在骨折部位的出血凝固性增加，形成血肿。TNF-α (肿瘤坏死因子α)、IL-1 (白介素-1，interleukin-1), IL-6, IL-11 and IL-18 募集炎细胞，启动血管化进程。随后来源于骨折周围软组织、骨髓以及近期发现循环中的特异性MSCs（间充质干细胞）聚集于伤处，目前对于何种细胞因子介导此反应尚有争议。通常骨折二期愈合时同时存在膜内成骨和软骨内成骨，但主要以软骨内成骨为主。血肿形成后，其内部开始形成富含纤维蛋白的肉芽组织，随后在其内出现软骨内成骨。在动物实验（大鼠、小鼠、兔）中观察到伤后7～9 d 代表软骨痂形成高峰的主要标记物Ⅱ型胶原和蛋白多糖呈高表达。与此同时，骨膜内成骨反应启动，生成硬骨痂，为功能锻炼提供半坚强结构。TGF-β2，-β3和GDF-5参与介导软骨内成骨，而BMP-5(骨形态发生蛋白-5，Bone morphogenetic protein-5)和BMP-6 参与骨膜下成骨。随后出现骨折部位的再血管化和血管异生，软骨下成骨时同时出现软骨的凋亡，退变，为血管张入提供通道。随后在Wnt 家族细胞因子的作用下，多能MSCs 向成骨细胞分化，在软骨骨痂不断增多的同时，软骨细胞增生，细胞外基质开始钙化，动物模型中硬骨痂形成的峰值在伤后第14 d，随着硬骨痂的形成，钙化的软骨逐渐被编织骨所代替，骨痂进一步变硬，生物力学性能增加。

3.2 生物力学对生物因子的调控 在骨折愈合过程中，生物力学环境影响许多细胞因子的关键活动。成骨细胞和破骨细胞在力学环境下会分泌特殊生长因子，刺激、维持骨折愈合进程。在利用牵张成骨原理进行肢体延长治疗的患者中，持续的力学刺激促进骨折愈合,促进骨细胞增殖，刺激细胞外基质蛋白的高表达。BMP家族同样受到影响，有文献报道在机械性牵拉下IGF-1、BMP-2 和BMP-4 的表达增高，BMP-7的表达不变。在一项生物力学细胞传导研究中发现，生物力学信号由细胞膜的形变被感知和传导。细胞膜的变形改变了膜蛋白的构造，如牵张活化阳离子通道蛋白和整合蛋白。这些膜蛋白依次和细胞骨架通道相连，释放传递生物力学信息的蛋白复合物，这些蛋白复合物被称之为力学小体，它们进入细胞核，通过改变靶基因调控区的形状来完成转录。人类骨细胞的生长能力随年龄增加而减小，但对机械刺激转导的能力并未因之下降。老年患者的骨细胞和新生大鼠颅盖细胞在被施加机械刺激时反应相差不大。我们通过对大鼠成骨细胞的研究发现：周期性牵张应力特异性促进大鼠成骨样细胞PKCζ的磷酸化，同时2%的周期性牵张应力作用有明显促进了成骨细胞的增殖作用。

此外BMSCs(骨髓间充质干细胞bone mesenchymal stem Cells)的研究也是近些年的的热点之一。不同强度和作用时间的牵张力对BMSCs 的影响不同。有学者模拟体内牵张成骨的环境，对人BMSCs 进行实验表明：适当的牵张应力能够刺激人BMSCs 的增殖。机械牵张力还可以激活或促进BMSCs 向成骨细胞分化，力学研究表明较低拉伸应力下（> 5%）活化蛋白-1（AP，activator protein-1）活性增强，核心结合因子α1（core-binding factor 1）的mRNA 表达量增加，然而较高应变量（10% 15%）降低AP 活性和其他一些促骨生成因子的表达.在2%～10%的应变量下一些关键成骨转换因子和基因(Runx2、Ets-1、etc.)表达增强。

4 展望

影响骨折愈合的因素多种多样，作用机制复杂，作用时间相互交错、关联，生物力学因素是众多因素之一并与其他因素偶联，wolff 定律指出形态是适应功能的，随着对生物力学及骨折愈合研究的不断深入，以生物力学原理为指导，利用更先进、更完善的分子生物学、免疫学和遗传学条件，开展更深层次的研究将是未来骨折愈合科研工作的重点。在骨折治疗方面，深刻理解骨折及治疗的生物力学基础，吸取总结AO、BO 学说的精髓，开展有中国特色的CO（Chinese Osteosynthesis）治疗。