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应力环境与骨折愈合

来源:国外医学生物医学工程分册 作者:王序全综述 吴梅英李起鸿审 2004-9-23
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摘要: 摘要骨组织对应力刺激有良好的适应性,骨折愈合的好坏与其力学环境密切相关。接骨板固定、骨外固定的力学性能不同,构成的力学环境有异,因而对骨折愈合的影响亦不相同。应力刺激骨折愈合的机制仍不清楚,骨细胞具有感受力学信号的功能,第二信使cAMP、PGE2可能参与了信号传递,但详细机制有待进一步探讨。1 引言骨折愈合......


 摘要 骨组织对应力刺激有良好的适应性,骨折愈合的好坏与其力学环境密切相关。接骨板固定、骨外固定的力学性能不同,构成的力学环境有异,因而对骨折愈合的影响亦不相同。应力刺激骨折愈合的机制仍不清楚,骨细胞具有感受力学信号的功能,第二信使cAMP、PGE2可能参与了信号传递,但详细机制有待进一步探讨。

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  引言

  骨折愈合是由众多物质参与的复杂的机体结缔组织再生修复过程,受众多因素影响。近年来,随着生物力学的飞速发展,力学环境因素影响骨创伤修复的重要性已逐渐为人们重视,不少学者致力于骨愈合最佳应力环境的研究并取得了很大进展,为骨折治疗提供了诸多理论依据。

  2

  骨的力学特性及其功能对应力刺激的适应性

  骨组织是一种粘弹性固体材料,具有各向异性,力学特性复杂,在不同种类、湿度、温度、年龄、性别等状态下其力学性能不同。皮质骨质密,能承受较大载荷,但抗张力能力较小,当其变形超过原长2%时即会断裂;海绵状骨为多孔形结构,储能能力强,变形可超过原长的7%。新鲜湿润骨最大形变可达1.2%,而干燥骨较脆,应变能力仅0.4%[1]。在进行骨的机械性能测定时应尽量模拟骨骼在机体内的生理状态,减少实验误差。由于骨组织结构及功能与其力学特性及力学环境状态密切相关,决定了不同的应力刺激对骨代谢和骨愈合有不同的影响作用。

  (1)应力种类的影响:骨折愈合早期,纵向载荷产生的压应力能驱动成骨细胞及成纤维细胞向分化成骨方向发展,对骨愈合有利;而剪切和扭转载荷产生剪应力,易造成骨断端动态摩擦,对形成的毛细血管和骨痂有很大伤害作用,并可驱动成纤维细胞增殖,产生纤维组织而不利于骨折愈合。但在骨折愈合中后期,各种应力对骨痂形成或改建均有一定促进作用[2]。

  (2)应力大小的影响:骨折愈合需适当的生物力学环境或最佳应力水平,即固定后的骨断端有适宜的应力刺激,能促进对骨折愈合起决定作用的成骨细胞、成软骨细胞和成纤维细胞增殖分化。不同的愈合阶段,骨折所需的应力大小不同,愈合早期,骨愈合区组织刚度低,承受外力能力差,所需应力水平亦低;随着愈合区组织刚度增加,其承受负荷的能力加大,所需刺激的应力水平也随之增加。只有当骨断端应力水平与愈合区组织刚度互相平衡和协调时,组织才能良好分化和愈合。否则,应力过大,超过组织承受能力,会损伤形成的骨痂,使骨组织坏死吸收,导致骨萎缩;反之,不足以引起弹性变形,组织分化难于产生,可能导致骨迟缓愈合或骨不连[3]。

  (3)应力刺激方式的影响:有研究发现[4,5],间歇性应力刺激较连续性应力刺激更能激发骨组织细胞活性,表现为表达葡糖-6-硫酸-胱氨酸(G6PD)的骨细胞数及活力均明显增加,对3H-尿嘧啶核苷酸的摄取量增强,并与应力刺激的强弱相关联。提示骨组织对间歇性或循环性应力刺激有更敏感的感受特性。

  3

  接骨板固定的力学环境状态及其对骨愈合的影响

  骨折切开复位接骨板固定是采用螺丝钉将接骨板固定于骨折段的张力侧,用自身的强度和张力带原理维持骨结构的连续性和稳定性。普通接骨板强度低,仅能发挥简单的固定作用,难于承受肢体功能活动而使间歇性应力刺激作用减弱或丧失。加压接骨板内固定在早期可消除剪应力等不利于骨折愈合的因素,保证骨折固定与早期肢体功能锻练,但在骨折愈合后期却常因应力遮挡效应导致骨折愈合延缓、固定段骨质疏松及再骨折[6]。

  有学者用有限元方法分析接骨板固定段骨的应力分布情况,发现固定段的应力大小与接骨板的刚度成反比[7]。因此,刚度不同的接骨板固定骨折时的应力刺激水平不同,骨折愈合情况亦不同。刚度较低的钛合金接骨板固定骨折时具有不锈钢钢板同样的固定强度,但其应力遮挡、骨折愈合强度更优[8]。低刚度碳纤维复合材料接骨板所致的骨质疏松亦明显轻于不锈钢接骨板[9]。高刚度接骨板固定后骨折愈合延缓、骨质疏松及再骨折的原因主要是接骨板的高应力遮挡作用导致骨质吸收—成骨代谢动态平衡丧失,使骨吸收快于成骨所致。在坚硬固定状态下,骨哈佛氏管逐渐增大,管道内大量破骨细胞堆集,胶原纤维束趋向紊乱,接骨板下及对侧皮质骨吸收变薄,骨钙含量减低,髓腔增大[10]。如接骨板同骨结合得越好,固定时间越长,其应力遮挡作用越强,骨钙含量丧失越严重。不过上述这些变化是可逆转的,解除应力遮挡作用后,给骨或骨断端予正常应力刺激,骨密度和骨的强度都将逐渐恢复正常[11]。


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