多能干細胞分化與骨組織重構(gòu)

多能干細胞分化與骨組織重構(gòu)

骨折愈合作為一個過程系統(tǒng)的描述始于20世紀(jì)初。1969年，ilizarov提出了張力誘導(dǎo)法，這對骨折愈合的研究和臨床治療產(chǎn)生了重大影響。研究表明,骨組織有關(guān)連接組織的材料形態(tài)和結(jié)構(gòu)強度均受力學(xué)環(huán)境的影響,連接組織的維持、修復(fù)和再生幾個環(huán)節(jié)會影響到結(jié)構(gòu)強度。這個特別復(fù)雜的再生過程受到患者年齡、力學(xué)環(huán)境、內(nèi)分泌、局部血液供應(yīng)等諸多因素的影響,而應(yīng)力是主要因素之一。目前對于應(yīng)力刺激能夠促進骨折愈合的影響機理仍不清楚,但已證明骨組織對應(yīng)力刺激有良好的適應(yīng)性,骨細胞能夠感受力學(xué)信號。最佳的應(yīng)力狀態(tài)能夠促進骨折愈合到理想狀態(tài),通過促進骨痂形成,為骨折局部提供機械強度和剛度,恢復(fù)骨的力學(xué)特性。因此,研究持續(xù)動態(tài)壓應(yīng)力對骨折愈合的影響具有非常重要的意義。1成人濕足試件骨組織是一種粘彈性、各向異性的固體材料,力學(xué)特性復(fù)雜,不同種類、濕度、溫度、年齡、性別的力學(xué)性能不同。載荷-變形曲線中可測得6項反映骨結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的指標(biāo):(1)骨結(jié)構(gòu)韌性(2)骨結(jié)構(gòu)硬度(3)最大載荷(4)彈性載荷(5)最大撓度(6)彈性撓度。圖1為成人濕潤腓骨試件的σ-ε圖,如圖1所示。通常,皮質(zhì)骨應(yīng)變超過2%即可發(fā)生骨折,而松質(zhì)骨應(yīng)變有時超過7%也不發(fā)生骨折,其抗應(yīng)變能力更強。在外力的作用下,骨的應(yīng)變隨應(yīng)力變化而變化。應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為彈性階段和塑性階段。由圖1可見,當(dāng)應(yīng)變小于0.5%時,骨具有線彈性特性。骨組織是一種非勻質(zhì)材料,并不具備完好的彈性,因此精確測得的骨骼應(yīng)力-應(yīng)變曲線的彈性部分不是直線,但曲度很小。當(dāng)骨骼在彈性區(qū)受載時,可發(fā)生一些屈服變形,是由于骨單位的分離和微細骨折。其中A為骨的屈服點,B為斷裂點。2應(yīng)力對骨折愈合的影響骨折是指骨的完整性和連續(xù)性中斷,通常情況下,骨折是骨骼受到能產(chǎn)生超過正常限度的拉、壓應(yīng)變的應(yīng)力引起的。骨折的精確位置、性質(zhì)、骨折線方向和最終愈合速率與年齡和骨骼的精確損傷機制有關(guān)。骨折主要包括應(yīng)力性骨折和病理性骨折。骨折愈合是一個復(fù)雜的生物學(xué)過程,目前骨折愈合的機制尚不清楚,但目前有多種骨折愈合過程的理論,而公認(rèn)的骨折愈合過程有兩種形式,分為一期愈合(直接愈合)和二期愈合(間接愈合)。研究表明骨折發(fā)生后短期內(nèi)局部組織已釋放多種生長因子。至修復(fù)后期,骨與軟骨細胞仍產(chǎn)生多種生長因子,這些生長因子相互作用,共同促進骨折愈合。應(yīng)力的種類、大小、刺激方式均能影響骨折愈合。研究表明,應(yīng)力刺激能夠影響骨組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)、密度分布,骨骼對外加載荷的反應(yīng)性或功能適應(yīng)性主要是由骨細胞、骨膠原和骨細胞外液對載荷所形成的應(yīng)力或應(yīng)變刺激產(chǎn)生感受,形成復(fù)雜的體內(nèi)自身反饋性調(diào)節(jié)系統(tǒng)而作用的結(jié)果。表現(xiàn)在應(yīng)力作用的壓力側(cè)骨形成增強,而張力側(cè)骨吸收加速。3骨折模型加力分析骨組織對應(yīng)力具有特殊的適應(yīng)性,有學(xué)者在探索持續(xù)動態(tài)壓應(yīng)力對實驗性骨折愈合的影響的試驗中,用形狀記憶接骨器固定與加壓鋼板固定作對比發(fā)現(xiàn),持續(xù)動態(tài)壓應(yīng)力可以促進骨折愈合。本文采用人體脛骨為研究對象,骨材料的彈性模量取2.0×104N/mm2,骨的密度取1.2×10-6kg/mm3,骨的泊松比取0.35。鋼釘?shù)膹椥阅Ａ咳?.0×105N/mm2,鋼釘?shù)拿芏热?.8×10-6kg/mm3,鋼釘?shù)牟此杀热?.3。骨骼和鋼釘模型單元均采用了ANSYS的SOLIDE45單元。成年人體重取65kg,由于模型是半剖面體,所以模型受力大小為159.25N。對模型采用兩種不同的加力方式:一種是在骨骼模型頂部的節(jié)點上加載均布力,均布力大小為2.7N;另一種是在模型對稱中心處加載集中力,大小為159.25N。在模型底部加載固定約束,使其在X、Y、Z三個方向上均不發(fā)生位移。在模型的對稱平面上施加Z方向上的位移約束,使其在Z方向上不發(fā)生位移。模型是對稱結(jié)構(gòu),模型所加的約束也是對稱約束,所以其應(yīng)力云圖也應(yīng)是對稱的,從實驗結(jié)果來看,雖然加力方式不同,但所得到的應(yīng)力云圖也是基本上完全對稱的,這與推斷是一致的。通過觀察實驗結(jié)果,可發(fā)現(xiàn)在不加鋼釘時(圖2)骨骼模型的最大等效應(yīng)力通常發(fā)生在模型截面最窄處,這既與人體骨折的實際情況相符,也與推斷一致。在加入鋼釘后(圖3),骨骼模型的等效應(yīng)力明顯減小。此時,最大等效應(yīng)力通常發(fā)生在骨骼模型的頂端和底部,這是因為模型頂端和底部易發(fā)生應(yīng)力集中效應(yīng)。通過對比未加釘和加釘時不同受力方式的等效應(yīng)力云圖,可發(fā)現(xiàn)受均布力的模型的最小等效應(yīng)力和受集中力的模型的最小等效應(yīng)力大小差別很小,但最大等效應(yīng)力相差卻很大。在未加釘?shù)那闆r下,受均布力的模型的最小等效應(yīng)力為0.007658MPa,最大等效應(yīng)力為1.033MPa,而受集中力的模型的最小等效應(yīng)力為0.007743MPa,最大等效應(yīng)力為4.809MPa。在加釘情況下,受均布力的模型的最小等效應(yīng)力為0.001195MPa,最大等效應(yīng)力為0.63MPa,而受集中力的模型的最小等效應(yīng)力為0.00251MPa,最大等效應(yīng)力為4.603MPa。這說明,在均布力作用下,模型的等效應(yīng)力更小,這也與實際受力情況更加接近。而受力方式的不同主要影響模型的最大等效應(yīng)力。通過對比骨骼的第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力和等效應(yīng)力的極值可知,骨骼模型的應(yīng)力主要為壓應(yīng)力,這與實際情況是一致的。4持續(xù)動態(tài)壓應(yīng)力對骨折愈合的影響本文介紹了骨的力學(xué)特性、骨折的愈合過程和骨折愈合機制的研究進展,分析了應(yīng)力對骨折愈合的影響,并著重分析了持續(xù)動態(tài)壓應(yīng)力對骨折愈合的影響。應(yīng)力影響骨細胞的代謝、分泌、分裂、傳代,從而影響骨折處的生物學(xué)環(huán)境,適宜范圍內(nèi)的應(yīng)力可以促進骨骼的愈合,過大或過小的應(yīng)力都會對骨折愈合造成不利的影響,導(dǎo)致骨愈合延遲甚至骨不連。不同種類骨折固定原則和固定方式不同,任何固定方式都會引起不同程度的應(yīng)力遮擋效應(yīng),應(yīng)力遮擋效應(yīng)影響骨折愈合的質(zhì)量,造成不同程度的骨質(zhì)疏松,骨折固定時需考慮盡量降低應(yīng)力遮擋率,骨骼愈合拆除固定物之后仍需要進行一定的恢復(fù)鍛煉。持續(xù)動態(tài)壓應(yīng)力對骨折愈合的促進作用十分明顯,隨著愈合組織