动力化与反向动力化在骨折愈合过程中的作用

贾 鹏

作者单位：中国人民武装警察部队特色医学中心 骨科 300162

为了实现一致和可预测的骨折愈合，需要一系列的生长因子以高度组织化的反应相互作用。骨折部位周围的力学环境将显著影响骨愈合的方式，或者直接影响骨折能否愈合。各种生物因子的作用，它们引入的时间和空间关系，以及力学环境如何协调这种活动，都是需要考虑的关键因素。解剖位置获得骨愈合是骨折治疗的目的，并且尽可能地恢复患肢的最大功能。20世纪初骨折的治疗主要以石膏、夹板或者牵引固定等方法。患者制动时间长并且效果不理想，因此促使医生对骨折尤其是移位明显骨折的治疗逐步向切开复位内固定转变，但术后骨折延迟愈合与骨不连的发生率仍比较高。因此了解骨折愈合过程及影响骨折愈合因素，并采取积极措施促进骨折愈合过程尤为重要。

1.应力与骨折愈合了

1.1 应力下骨折愈合的生物力学特性 骨折断端的骨质和周围组织的稳定重建和功能恢复是治疗骨折前提条件。通过骨组织的增加或减少以适应施加在骨组织上的应力。骨组织对应力可以产生功能适应性，因为应力的变化会引起局部电场的相应变化，这使得骨组织在应力的影响或作用下能朝一定方向生长。然而电场的变化又会对骨组织的生长有一定的刺激作用。骨组织对应力载荷的反应性或者功能适应性是由骨细胞、骨胶原及骨细胞外液对载荷所形成的应变形成的体内自身反馈性调节系统的结果。从而表现为在应力作用下，“压应力”侧骨形成增加，而“张应力”侧骨吸收加速[1，2]。

1.2 应力载荷与骨生长的关系 骨骼所处的力学环境影响了骨骼的结构。大量的研究表明，骨组织对外界载荷具有顺应反应的能力[3，4]，微观力信号向生物化学信号的转变，传感细胞对效应细胞的作用。骨是动力黏弹性体，当力作用于骨组织后在其局部产生与外力相适应的力学微环境，即宏观力转化为微观力信号。那么，这个过程在更大的意义上就是力敏感组织将力载荷转变为细胞可以接受并且能够产生顺应的过程。比如骨组织发生形变，出现微损伤，产生压电电位等[5，6]。对应力敏感的骨细胞受到微环境的力学变化刺激后，将力信号转化为一系列细胞内生化信号，致基因表达发生变化，这一过程即为微观应力刺激向生物化学信号转变的过程[7]。然后通过参与损伤骨再生修复的所有细胞即效应细胞，如骨祖细胞，以及有其增殖、分化产生的骨母细胞和软骨母前细胞，还有最后形成的骨细胞这些原始细胞在骨诱导的作用下来到骨损伤区域，并且进一步增殖、分化，最终完成骨修复。

2.动力化

动力化是指通过使骨折由稳定固定转变为弹性固定以后使骨折断端移动增加。当植入物通过固定装置中的伸缩机制允许骨骼轴向缩短时，完成动力化过程[15]。动力化的理论依据来源于Wolf定律。这种治疗方法是在认识到骨折两端之间的骨折块移动对愈合过程有益之后实施的，并且这一过程是可控的。过去认为骨折端的静力固定转变为动力固定并配合负重锻炼后，可使骨折端受到轴向应力刺激，并且动力化能避免应力遮挡效应，促进骨痂形成，并缩短骨折的愈合时间[16,17]。外固定装置可以很容易地从一个稳定形态改变为一个动态配置，从而允许骨折断端之间更多的轴向运动。在骨折的临床治疗中，并没有许多专门开发的骨折固定装置能积极完成向动态治疗的转变。许多研究认为，随着治疗的进展动力化可能会促进骨折更快的愈合[18,19]，但这一观点仍有争议[20～22]。目前，尚不确定在愈合过程中何时开始动力化合适，有一些临床研究试图确定骨折修复不同阶段的最佳轴向骨折块的移动或者动力化时机，目前还不清楚这是否能有效和及时加速骨骼修复[23～25]。

2.1 动力化在临床中的应用

2.1.1 髓内钉动力化：临床应用交锁髓内钉治疗股骨干骨折及胫骨骨折病例中对于动力化的研究较多。髓内钉动力化是股骨和胫骨骨折延迟愈合和不愈合的治疗方法之一。髓内钉动力化对骨折愈合有很多优点：在力学方面，动力化后改变了原来静力锁定方式在骨折愈合过程中的应力遮挡效应，增加了骨折断端的接触面积，改善负重力的传导，同时断端之间的微动可刺激骨痂生成[26,27]；在生物学方面，动力化可以刺激间质细胞的潜在成骨能力，改善细胞功能，增加局部血供，增强成骨细胞的活性[28]。有文献报道早期动力化能有效促进骨折愈合，因此髓内钉动力化是促进骨折愈合的常规治疗方案[29～31]，一般认为最佳动力化时间是内固定术后6周。王立等[32]认为动力化的时机为动态观察骨折愈合情况，影像学上连续3个月拍片提示骨痂无明显增加，骨不连风险较高即可实施动力化治疗。张帆等[33]研究发现，采用闭合复位交锁髓内钉内固定治疗胫骨干骨折，当主要骨折间隙小于2mm时，髓内钉动力化并不比未动力化更有优势，骨折不动力化也能获得愈合，而且动力化后骨折有短缩的风险，尤其是螺旋形和长斜形骨折。WU[34]分析了24例髓内钉动力化治疗股骨延迟愈合和不愈合的疗效，骨折愈合率为58.00%，但有大于20%的病例出现了2cm以上短缩，而且骨折短缩的患者在动力化后也未能愈合，因此建议不要常规动力化治疗。其他学者也报道了动力化后骨折短缩的风险，认为骨折类型是决定动力化骨折是否会短缩的决定性因素，螺旋形、长斜形和粉碎性骨折是短缩的最大危险因素[27]。除此之外，旋转不稳定型骨折在取出锁定钉后有导致旋转畸形愈合的风险。锁定钉可以维持长度和旋转的稳定性，取出后会导致骨折断端加压从而获得愈合，但同样也会导致骨折断端的旋转。因此，在动力化前要充分评估骨折的稳定性，相对稳定的横行、短斜行骨折可适当提前动力化；螺旋线或长斜行等不稳定骨折，动力化前需慎重。

2.1.2 “LCP”动力化研究：得益于髓内钉“动力化”的临床疗效启示，徐振东[35]对14例下肢长骨骨折LCP术后延迟愈合的患者行动力化处理，结果有12例患者得到痊愈，愈合率为85.71%，明显高于对照组(保守治疗)的51.85%。LCP“动力化”指术中对骨折断端行解剖复位，使用LCP对断端加压，早期使用锁定螺钉进行角稳定固定，若术后4～6个月未正常愈合，并且出现延迟愈合表现，将骨折较稳定一端的锁定螺钉全部更换为普通螺钉。根据适宜的轴向压应力促进骨折愈合的原理从而加速骨折愈合。Cui等[36]认为对骨折近端普通螺钉进行固定，远端锁定螺钉固定时，在轴向应力载荷下，骨折断端可产生轴向微动，同时兼顾了AO与BO原则。据报道，LCP治疗下肢长骨骨折术后延迟愈合及骨不连发病率高达10%～30%[37,38]。LCP“动力化”为LCP术后骨折延迟愈合提供了一个新的治疗方案，但目前相关临床资料比较少。

2.2 “动力化”的动物实验研究 动物实验研究中，动力化对骨折愈合的影响也不尽相同。Larsson[39]的一项犬的胫骨骨折治疗模型中，骨折内固定术后1周行动力化观察。他们将犬的双侧胫骨截骨制作2mm的骨缺损模型，截骨术后行坚强的外固定稳定骨折，双侧胫骨对照研究。他们发现早期动力化可加速骨痂的形成和成熟，并可增加骨内膜和骨外膜骨痂组织。而且，经过5周的治疗，动力化侧的扭转强度明显高于对照组。Aro和Chao[40]的一项研究中还测试了犬截骨术模型中由载荷、骨折碎片稳定性、骨折类型和骨折端加压所导致的骨愈合模式。这项研究分为三组：横行和斜骨折用坚强的单侧外固定器固定，制作骨端分离1mm、2mm及骨折端接触三种模型。在2周或4周内进行了具有均匀轴向加载和运动的动力化。他们发现，在一定的外部固定强度下，生理压力和明显的间隙被证明是确定骨折修复模式的最重要因素。运动与负荷往往促进外部骨痂组织成熟和二次骨愈合。

相反，有两项应用鼠模型的实验发现无论是早期还是晚期动力化对骨折的愈合都是有益的。这两项研究应用不同的固定器械，包括坚强的髓内钉[41]和外固定器。两项研究发现动力化可以增加骨痂的形成，但是会减少骨痂组织的骨质量。文献中的证据表明，弹性固定装置导致的骨折断端移动增加会使骨痂组织形成更大，软骨期延长，并通过中断骨组织修复和重塑所需的血管供应而导致延迟愈合[42,43]。Cullinane[44]的一项研究试图通过精确控制骨折块位移来影响细胞的命运，使用一种定制的外部固定器调节骨折块移动弯曲应变。研究结果表明，这与坚强固定相对比，在骨折修复过程中，通过诱导控制运动，可以直接形成软骨和骨，新形成的组织中胶原纤维结构的空间组织结构受局部机械环境的影响，当骨折块移动过高时骨不会形成。

这些临床和实验研究结果虽然不尽相同，并且未能令人信服地证明动力化对骨愈合的任何好处。但有一点可以确定，围绕骨折间隙的机械环境发挥着非常重要的作用，并在很大程度上决定了骨折如何愈合以及是否能够愈合。虽然原则上动力化是一种良好的策略，试图加速愈合过程，但它的主要临床缺点是框架稳定性的早期丧失，可能导致骨折延迟愈合、再骨折或发展为二次畸形。不管怎样，桥接骨痂组织形成后，早期的动力化已经显示出良好的愈合效果[45,46]。

3.反向动力化

根据骨折愈合和亚临界大小的骨切除的数据，大的节段性骨缺损临床上建议进行坚强内固定。然而，很少有证据证明这种行为是合理的，并且很少有研究发现机械环境对治疗较大节段骨缺损的影响。有实验研究应用鼠模型通过BMP-2诱导，来研究固定强度在大块骨缺损中的影响。他们假设随着治疗的进展，通过操纵机械环境可以增强大型骨缺损的愈合，建议首先在低强度固定的条件下稳定骨缺损，如果骨折开始愈合时施加高强度固定来加速治疗，即他们称之为反向动力化的策略。这项研究的结果是显著的，证实了大骨缺损的愈合对周围的机械环境有很高的反应，使得愈合的速度和质量可以通过改变固定稳定性来操纵[47]。此外，此项研究首次引入了反向动力化的概念，并证明了其作为加速骨愈合和成熟手段的优越性。根据这些观察，随后的一项研究确定，在使用这种增强的机械环境时，是否可以在不影响愈合过程的情况下减少bmp-2的剂量[48]。这项研究表明，虽然最初的愈合稍微延迟，在整个愈合期间形成较小的骨痂组织，但愈合骨的质量与高剂量BMP-2治疗的结果相似或略优于前者。有趣的是，同一项研究还表明，如果BMP-2的剂量不高，无论我们是哪种固定装置，都不会出现愈合。

Boerckel[49]的一项研究实验，制作鼠股骨8mm缺损模型，应用两种不同剂量的BMP-2(0.2μg和2.5μg)相比较，早期机械载荷的应用能显著抑制血管侵袭和骨形成。另一方面，将机械载荷延迟3周可显著增强骨形成。在另一项研究中，他们用6mm骨缺损的大鼠模型证明了在4周时通过调整固定钢板轴向载荷，能显著增强BMP介导的较大骨缺损的修复[50]。Claes的研究小组报告了类似的结果，在手术后3周和4周进行机械调节时[51]，与术后第1周相比显示出优越的效果。这些研究的结果与文献中的结论一致，即极端坚强的固定对骨愈合有害，在愈合的后期允许弹性固定是有益的。此外，Gardner和Glatt研究证明，占据骨折间隙的组织可能是导致此种现象的原因[52,53]。如果骨折间隙中没有组织存在，这就模拟了手术后立即发生的情况，那么固定架在骨折部位提供了稳定性，而间隙本身不能支持骨折部位。相反，当他们插入低强度的材料(相当于早期愈合阶段)时，他们发现固定器的力学性能与骨折材料的力学性能在固定后2～4周左右轴向骨折块移动时同样重要。相比之下，骨折内固定材料模拟愈合后的重建阶段，轴向运动只受固定材料的坚强程度影响，而固定材料的作用不大。骨折运动是固定装置的柔韧性和组织材料在骨折间隙的顺应性共同作用的结果，是负重和任何载荷的结果。对于在愈合的后期进行动力化治疗，加速骨愈合更可能是根据wolff定律而不是固定器本身进行动力化治疗的结果。事实上，这一假设是在Claes小组使用相同的1mm截骨大鼠模型中，用反向动力化疗法证实的。在此研究中，当反向动力化时，在3周内由弹性固定转变为坚强内固定，治疗期结束时的治疗效果与动力化方案相同[54]。然而，当在1周内进行反向动力化治疗时，其治疗效果明显优于动力化组，与坚强固定组和弹性固定组结果相似。相反，与其他测试组相比，在1周时动力化治疗对骨愈合有害。

目前文献报道只有一项人体反向动力化的研究。Howard[55]的一项研究发现，手术后2～4周允许初始轴向宏观运动，然后更严格地稳定骨折会加速骨折愈合。与治疗孤立的闭合或开放的胫骨Ⅰ型骨折的护理标准相比(22周)，动力化组中固定器的平均取出时间缩短(11周)，考虑与愈合速度加快有关。

这些研究才刚刚开始提供关于调节力学环境的影响及其对骨骼修复影响的知识。这些研究的数据似乎表明，没有一套单一的机械环境适合骨折修复的所有阶段，并且可以通过系统地改变固定的稳定性来促进愈合。选择特定的机械条件，以及确定调节这种环境的最适时机，对于实现骨修复的最佳条件至关重要。这对于反向动力化来说尤其如此，因为这一新概念需要进一步研究，以更好地定义其临床作用[56]。