1、骨组织生长重建的力学生物学机制研究进展第 37 卷第 4 期2007 年 11 月 25 日力学进展ADVANCESINMECHANICS,1.37No.4NOV.25,2007骨组织生长重建的力学生物学机制研究进展陈旭义张西正军事医学科学院卫生装备研究所,天津 300161摘要生物力学已被证实是骨组织生长,重建及成形当中一个十分重要的因素.骨组织的损伤修复过程本质上是细胞的生物学过程和应力作用下的生长过程.这虽然肯定了生物力学在骨组织生长,重建过程中的重要地位,但是,人们对生物力学因素如何诱导骨生长,重建的力学生物学机制仍不甚了解.而骨组织工程需要更为科学完善的细胞生物学机制来研究和探索骨组
2、织的构建过程.本文概述了国内外生物力学与骨组织生长重建的宏微观理论,主要讨论了骨组织结构及功能形成过程中的力学生物学相关问题.关键词生物力学,骨组织,力学生物学1 引言骨组织作为一种复合性材料,形成与生长是一个由分子,细胞以及生化代谢变化形成的复杂过程;但同时,相比生物体内其它组织,骨组织是具有致密规则的组织结构,包括分子水平上磷灰石晶体的排列到器官水平上骨网络的应变结构模式,其结构和功能在很大程度上是依赖于其所处的力学环境和生物学环境,.长期以来,许多学者对骨生长重建中力学因素与生物化学因素所起的作用进行了深入研究.部分学者认为在骨组织生长构建过程中,生物化学因素如:生长因子,激素,细胞素,
3、钙磷,维生素 D 等,起着决定性作用,并且这些学者还认为这些非生物力学因素可直接通过控制效应细胞,如成骨细胞,破骨细胞等,从而控制和调节骨组织的功能构建及结构形成引.但是,随着研究的深入和人们对骨组织构建及代谢机理的深入理解,越来越多的证据表明骨组织的结构与所受应力之间存在确切的对应关系8j;甚至部分学者还认为,在骨组织的生长发育过程中,其形状,内部结构,本身的质量,数量,分布和微结构的完整性变化最主要的影响因素是生物力学作用,而其它因素则是起辅助作用911J.进入 21 世纪以来,关于生物力学与生化因素在收稿日期:2006_O3-08,修回日期:20070816国家自然基金(30470438
4、) 资助项目fEmail:骨组织生长适应中地位的争论仍是十分激烈,而其中Frost在 1987 年提出的“力学稳态理论“ 虽然在组织水平给予一定合理地解释,能较好地诠释 V:olff 定律_l3.,但要更为深入地了解生物力学在骨组织生长发育中的权重采用现代细胞生物学,分子生物学的方法与手段,从组织,细胞,分子,基因水平给予较为全面地阐述其机制,是科学认识骨生长重建所需要的14.1 引.2 力学载荷与骨生物学响应2.1 静态载荷与骨力学特性静态载荷是指随着作用时间的变化,而大小及方向都不发生变化的力.最早提出骨骼的大小和形状与载荷存在一定关系的是伽里略,从那时起,人们开始探索机械外力与骨骼的生长
5、发展之间的关系.而后,该方面的科学理论不断地加以补充和完善.特别是 WolffJ 提出的骨对外界载荷具有顺应反应能力的理论奠定了骨的功能适应性学说的基础.骨是力学敏感性组织,它根据载荷不同调节其骨量,结构及力学特征_l.最初的的研究显示:皮质骨的适应性反应与载荷或应力有关,超过一定阈值的载荷可触发骨形成;随着应力的增加,骨形成活性也相应增加1720.骨组织具有较为特殊的力学特性,在匀质性材料601的力学试验中,随着载荷值的增加,在屈服点前骨标本的变形呈线性增加,但是由于骨组织是一种非匀质性材料,因此并不具有完好的弹性21,22】.超过屈服点,则骨组织发生永久性损害.在屈服点处可将该曲线分为弹性
6、变形区和塑性变形区(图 1).屈服点前的载荷为弹性载荷,曲线最高点的载荷为最大载荷,断裂处载荷为断裂载荷,上述载荷对应的区域分别为弹性变形,最大变形和断裂变形.根据载荷的类型不同,骨组织生物活性也相应有所不同.目前认为,不论力的形式如何,骨骼在载荷作用下启动功能适应性反应的刺激不是应力,而是其所导致的相应应变23】160140120lOO乏 80豁 6O4O2O0200.一,:/,t 断裂点一一一一一一 !:!/i/!/朔牡;蒋 旬/i 趟牲亦形 tlH10.00.10.20.30.40.50.60.7位移 ram图 1 大鼠胫骨载荷位移示意图2.1.1 压载情况下的骨生物学响应由于载荷和新陈
7、代谢需求的不同,不同骨组织甚至是同一骨组织中,骨组织的生理特征和长度存在较大差异241.由于人及动物行走运动时的特点,骨组织特别是做为人体支撑的骨组织它在受力过程中的很大部分力是轴向压缩的,而且,由于在体时肌肉一肌腱系统及韧带的预张力使骨骼在正常情况下处于受压状态 L8jI 通过 Frost 力学稳定性理论,我们可发现应力所致的应变反应所引起的骨适应性反应可分为 4 个窗:废用窗,生理窗,过度负荷窗及病理超负荷窗.在低于 50#e200的废用窗范围的应变将导致骨组织的吸收;而当最小为 1o500一 2500范围时,骨骼的结构可以得到维持;当应变范围是4000一 5000,是导致骨骼内微小损伤的
8、最小值应变域限.超过该域限将导致骨骼重塑的增加,并诱导编织骨的形成;当产生的力大于 25000 时,将导致骨折.另外,通过研究发现,骨组织内皮质骨及网状骨对应变的适应范围是不同的25,26.通过在体压缩载荷研究小鼠对机械压载的功能性适应时发现,在最大应变为 2000时,可刺激板层骨膜的骨形成,但是对骨内膜无效;而当应变为 3000 时,可诱导一种混合的编织骨/板层骨的骨膜反应和板层骨的内膜骨形成.这种不同是由于骨反应速度及大小的不同所导致的.板层骨的力学响应要高于编织骨,但编织骨?602?形成更快.因此,当一个快速的,大的骨强度的增加时,编织骨的反应是首先的,最初的编织骨反应如果在长期状态下会
9、被板层骨所替代271.2.1.2 拉伸载荷与骨生物学响应拉伸载荷在骨内部产生拉应力和拉应变.最大拉应力出现在垂直于施加载荷的平面上.骨在受拉伸情况下的反应很大程度上取决于组成骨组织的材料特性,即皮质骨和松质骨.骨的应力一应变特征与负荷及应变率相关,皮质骨的应力.应变曲线在塑性变形前接近直线;拉力负荷下的松质骨应力一应变特性,与压力负荷下的应力一应变特性有显着的差异,屈服之后,骨小粱进行性断裂,造成拉力负荷很快减低,低于应变水平.与压缩相比,拉应力较压应力具有更大的破坏性【28j.当然,当拉应力一应变在适当范围内时,可能会活化刺激骨内成骨细胞,促进骨组织的生长,但这方面的实验研究相对较少.2.1
10、.3 弯曲载荷与骨生物学响应测量骨弯曲的实验主要包括 3 点弯曲试验和 4点弯曲试验,当骨组织发生弯曲变形时,骨的凸侧受张力,而凹侧受压,其中性轴上没有应力和应变,应力的大小与距骨中性轴的距离成正比,最大的应力位于骨的凸侧或凹侧的最外表面.而且,由于骨骼的不对称性,最大张应力与最大压应力可以是不相等的,任何偏心的载荷都会引起弯曲变形,采用 4 点弯曲装置来测量弯曲力,通过有限元分析结果表明:4点弯曲可以在两个上位加压点之间产生纯弯曲力,而剪切力在长轴位置上要低于 10%【19】.在同样的实验中发现,当频率一定时,加载的力大于 40N 时,可在骨外膜表面观察到编织骨反应,而在骨内膜表面只发现有板
11、层骨的生长 l2 引,这也证明了骨组织力学响应的不均一性.2.1.4 扭转,剪切载荷与骨生物学响应骨在受扭转时,剪应力分布于整个受扭的骨,最大剪应力作用于骨中性轴平行和垂直的平面,同时,最大张应力和压应力作用于中性轴的对角线平面内.由于骨是类似管状空心的圆柱体,可以用 r=Tr/2At 来计算骨在扭转状态下的剪切应力.式中 A是管状圆柱体内圆面积和外圆面积的平均值,t 是管壁的厚度,但该公式在计算大鼠股骨剪切应力时值会造成 19%的误差【29J.由于临床扭转所致的力常导致骨折,且多见于长骨干,故骨干首先受到剪切应力作用,产生一平行于骨中性轴的裂纹,随后裂纹沿最大张应力平面扩展,导致骨折呈螺旋形
12、.骨受到大小相等,方向相反而又相距很近的一对力的作用,就会产生剪切变形,在剪切面上则产生剪应力和剪应变.骨组织的应力一应变特征很大程度上取决于与负荷方向有关的骨微小结构的排列.已有不少学者证实,皮质骨在纵向比横向强度较大,硬度也较高.由于骨材料特性的不同,临床上因剪切载荷导致骨组织损伤最常见的是松质骨骨折.活体骨组织承受的载荷是复杂的,主要原因是骨骼的几何形状不规则和外在环境的变化,且始终受到多种不定的载荷的作用.但是我们通过对在体骨的力学分析知道,其主要所受力表现为压缩,拉伸,弯曲,扭转及剪切 5 种类型.载荷所至的骨内响应也是一种复合的响应.但是随着人们对骨生长机理认识的进一步深入,交替的
13、压载被证明比持续的压载更能促进骨的适应性响应,认为适应性响应的饱和和/或最近压载事件的记忆效应导致了以上结果_30J.另有学者研究认为:稳态压载在力学传导过程中不起作用,骨形成是阈值驱使的并依赖于应变率,幅值及压载时间23,31,32】.这促使我们不仅要思考在体所受力的类型所致影响,而且引发更深入地研究力的特征与骨组织生长重建之间的关系.2.2 交变载荷交变载荷即随时间作周期性变化的载荷,载荷作用于物体产生交变应力,从而导致应变.通过动态应变研究发现体内骨组织的生长是被连续的振幅较宽但频率大小范围一致的载荷所驱使引.离体情况下,成骨细胞对低幅宽频的力更为敏感,在这种力作用下可促使成骨细胞对高幅
14、低频的力更为敏感,表明低幅宽频载荷对成骨细胞力学敏感性的潜在增强作用_34J.动物实验证实:生理活动可增加骨骼对抗骨折,提高了骨矿密度和神经肌肉的能力,因此减少了骨脆性,骨沉积下降及因此而引起的相应连锁反应20J.同时被动地给予一定频率和振幅的载荷也可明显增加骨小梁的宽度和数量,并且增强松质骨的硬度和强度1,24J.但是如果频率低于 0.5Hz 则骨形成增加无效.同时体外休克波(shockwave)也促进骨基质细胞生长,并促进转化生长因子(transformgrownfactor,TGF)诱导向骨原细胞分化.体外体克波是体外产生的一种快速增加并迅速消失的载荷,它可导致生物细胞出现短暂的休克状态
15、,即缺血缺氧并对外界无响应的状态.人体实验也得出了相应结果,通过对 20 位青春期前的残疾小孩进行对照实验,结果发现在给予0.3g,90Hz 的低幅高频率的力作用 6 个月后,其脊椎骨小梁骨密度(bonemineraldensity,BMD)增加了 6.3%,而空白对照组的(未实施动态加载)骨小梁BMD 却降低了 11.9%,这个结果证实了低幅高频的应力刺激可刺激小孩松质骨的合成代谢36.而对 70位绝经期后的妇女进行分组研究,通过观察及检测发现,每天给予实验组20rain,0.2g,30Hz 的振动作用 612 个月,发现可明显地减少脊椎及股骨的骨量丢失,同时可显着增加骨的顺应性,而且这种作
16、用在体重较轻的绝经期妇女中更为有效,因此他们认为体重较轻的绝经期女性更需要这种振动治疗_37J.Kaspara等则检测了压载频率与压载次数对骨组织及细胞的作用,结果表明,频率对骨组织及细胞的作用不能脱离压载次数的效应,认为在生物体骨内,压载的频率与压载次数都是骨组织生长发育的不可或缺的因素,且应变一定的情况下,压载频率与骨的适应性存在非线性的关系 L38j.另有研究证明多个短期的压载要较长期的压载效果更为明显引,在低幅高频情况下的压载也可明显增加骨组织的力学性能,这为长期太空失重情况下导致骨量丢失提供了一种有效治疗方法.通过比较低频及高频组在应变情况下的骨量增加情况,发现随着时间的延长,低高频
17、组的骨量都发生增长情况,但相比较两组,高频率组的成骨反应要高于低频率组,且显示两组近侧端骨膜扩充率降低,远端则新骨形成增加.分析认为远端的增加是由于外侧即张力皮质骨的骨膜形成增强,并转变为中段即压力侧表面的骨形成.说明模型对轴向压载的反应包括复杂的与位置相关的骨形成及吸收的增加与降低,也说明在骨生长成形当中应力分布所起的重要作用.当然,交变载荷也存在一个不应期或不敏感期,这与细胞的生理结构及生化因素相关42,43.力的这种交变载荷容易导致骨中裂纹的出现和扩展,并最终引起断裂破坏.一方面是因为交变载荷中主要是拉,剪应力部分会造成裂纹的扩展;另外骨骼是机体内的活性物质,它有自动修复微裂纹的功能.但
18、是如果骨组织长时期处于交变载荷下,肌肉因持续工作而收缩能力明显降低,骨内压应力明显减少,加之因血液大量流向肌组织而使骨内修复物质补充不足,骨的修复能力可能低于裂纹扩张能力,裂纹即有扩大趋势,则最终可能造成骨骼的损坏.2.3 冲击载荷冲击载荷是一种作用时间很短的力.当骨骼受到物体撞击时,撞击物的动量(MV)的数值对骨骼的影响程度起主要作用.动量较小一般只会出现裂纹,动量较大则会引起骨折.另外,如果撞击速度很高,即加载速度很快,则骨骼呈现脆性,此时多出现粉碎性骨折.3 骨生长重建调控骨生长重建调控系统包括:生物力学调控,生物化学调控,神经营养调控.骨组织对其所存在的力学环境及生化环境做出适应性反应,并且能够调节自身性质不断地实时地去适应新的力学环境和生物学?603?环境,说明了骨组织中存在生物化学调控的系统以外,同时也存在着一种与之相似的生物力学调控系统.该系统与生物体内的“温度调控系统 “具有相似之处,包括力学感受器,力学效应器和反馈回路机制,如图 2 所示.目前认为,在骨组织中骨细胞陷窝一骨小管系统是骨组织的力学感受器 L44J,而其中,骨细胞,成骨细胞及破骨细胞被认为是应力感受细胞,成骨细胞的力学敏感性要高于不成熟的骨细胞 L45;骨细胞是主要的应力感受细胞,它与成骨细胞,前成骨样细胞,破骨细胞,破骨样细胞及细胞外基质构成了应力感受
