微动促进骨折愈合的机制及临床应用研究现状

徐振东,刘曦明

·综 述·

微动促进骨折愈合的机制及临床应用研究现状

徐振东,刘曦明

骨折愈合是一个极其复杂的生物学过程，受微动、血供和应力等诸多因素的影响。近年来，微动在骨折愈合机制及应用方面取得了一系列的进展；临床及科研人员对微动可促进骨折愈合的认识不断深入，并对其进行一系列临床及基础研究，其作用机制逐渐明朗。本文对近年来国内外有关微动促进骨折愈合的机制及应用相关研究现状作一综述。

骨折； 微动； 愈合

骨折愈合是一个极其复杂的生物学过程，受微动、血供和应力诸多因素的影响，其中应力、微动是主要的因素，两者独立且相互联系;应力能产生微动,同时微动又能改变应力[1]。在骨折正常愈合过程中，可分为一期愈合和二期愈合。在对骨折进行坚强内固定与外固定时,骨折可发生一期愈合；一期愈合过程中，一般无内外骨痂的生成。而在对骨折进行非坚强内固定时，即骨折断端存在相对移动,局部则形成外骨痂(皮质骨表面)、内骨痂(髓腔内、断端间)，即骨折二期愈合的模式，目前普遍认为间接愈合更有利于骨折修复[2]。所谓“微动”，即骨折端控制性细微运动；可通过内外固定装置联合微动动力装置、电流刺激以及自身的功能锻炼实现微动。目前认为，低频率(0.5Hz或1.0Hz)的轴向方向上应力所产生的微动对骨折愈合有利，而剪切和扭转载荷产生剪应力，则易造成骨折端动态摩擦，对毛细血管和骨痂的形成危害较大，并不利于骨愈合。微动的量即骨折端轴向微动的距离，以0.2～1mm为宜，超过2mm则对骨折愈合有害。骨折端所需应力大小不同，目前认为以自身体质量的1/2～1倍加压量较适宜[3]。自Kenwright与Goodship等[4]通过实验证实微动可促进骨折愈合之后，国内外众多学者对微动促进骨折愈合的机制进行一系列研究，并将这一理论应用于临床，研究出各种骨折固定装置，现对其进行综述如下。

1 微动促进骨折愈合的机制研究

1.1 微动对骨组织细胞的影响 近年来的研究表明,骨细胞可以感受骨折端微动的刺激,增加骨细胞、成骨细胞等的代谢活性,促进骨的形成[5]。当成骨细胞在应力作用下细胞内环磷腺苷(cAMP)及胰岛素样生长因子I(IGF-I)活性显著增加，前列腺素合成增加，细胞分裂活跃等一系列变化。同时骨折愈合早期的纤维骨痂组织应力作用下产生压电效应，产生的生物电通过前列腺素E2及cAMP转化为化学信号，激发DNA的合成，大量细胞从G1、G2期转入S期，准备进行有丝分裂[6]。Rubin等[7]进行老鼠长骨骨髓细胞体外培养，分为微动组与正常刺激组。与对照组相比较，实验组(微动组)2～4d时，破骨细胞减少67%。扫描电镜观察，骨折固定后，施加微动后，成骨细胞增生更加活跃[8]。

1.2 微动对骨折愈合组织学的影响 骨折二期愈合模式主要是通过内外骨痂的形成及改建使骨折愈合，二期愈合的内外骨痂与原骨组织相同。与缺少周期性微动应力刺激者相比较，骨折在周期性微动与应力刺激下，成骨细胞活性得到增强，骨痂数量及质量较高，骨小梁坚韧；同时破骨细胞活性也得到加强，随着骨痂质量的提高，骨皮质在破骨细胞的作用下出现“多孔”而松化的现象，使骨痂不断长入，松化程度随愈合期而增加，与骨痂长入同步递增[9]。同时，微动间歇性应力刺激促进骨胶原生成、骨盐的沉积、骨痂的形成和强度的提高，保证骨痂及时矿化、吸收，逐渐被板层骨所替代[10]。

1.3 微动促进TGF-β1的表达 喻鑫罡等[11]对绵羊行双侧胫骨中段横形截骨,形成2mm骨缺损,用带微动装置的单边外固定支架固定。从术后10d,实验组施以微动(微动外固定架，1Hz,幅度0.25mm，30min/d)直至第4周，对照组中未予以微动。微动组转化生长因子β1(TGF-β1)在微动组新骨组织的细胞中含量明显高于对照组。TGF-β1在体内能够诱导间叶细胞、成骨细胞、成软骨细胞及破骨细胞的增殖与分化,加速血管的生成，并可抑制新破骨细胞的形成；同时，可以促进成骨细胞分泌骨基质蛋白，促进骨的形成[12]。

1.4 微动促进胰岛素样生长因子Ⅰ(IGF-Ⅰ)的表达 IGF-Ⅰ是介导生长激素促进细胞和骨组织生长的活化因子,骨组织中含量丰富,可促进骨基质合成,抑制骨分解代谢,防止骨流失,维持骨骼正常结构和功能[13-14]。研究证明[11]，对骨折端进行微动(微动外固定架，1Hz，幅度0.25mm，30min/d)处理，术后3周IGF-Ⅰ的mRNA在增殖期的软骨细胞与周围的软骨基质高水平表达，术后4周IGF-Ⅰ的mRNA表达出现量峰，主要位于新生骨小梁中的骨细胞、周围的成骨细胞及趋向钙化的类骨质中。提示IGF-Ⅰ在骨折修复早期由软骨细胞产生并释放到周围软骨基质中，成骨细胞在其作用下产生骨基质并促进其分泌，共同参与机械应力作用下的成骨调控活动，促进软骨内骨化的进程。

1.5 微动促进血管内皮生长因子(VEGF)的表达 血管生成在骨的新生、再生和修复过程中都起着重要作用。近来研究发现，VEGF与血管生成紧密相关，是影响血管形成的关键性因素[15]。乔林等[16]发现微动组(微动外固定架，0.5mm)VEGF 的表达在骨折后2、3、4、5 周较固定而未施加微动组有显著增加，且微动组骨折端血流量在同期较固定组有显著增加。表明在治疗骨折时，实施轴向微动可通过增加VEGF表达，使毛细血管再生增加，促进骨细胞、软骨细胞生成，增进骨痂生长。

1.6 微动促进CGRP的表达 CGRP是目前已知的最强的微血管扩张物质，CGRP通过与受体结合调节成骨细胞和破骨细胞功能，从而参与调节骨的生长、修复以及改建过程[17]。邢丹等[18]对大鼠股骨骨折分别予以细钉与粗钉固定，通过大鼠自身体重负重下模拟不同程度的微动，RT-PCR结果显示造模后第1、2周细钉组的CGRP受体mRNA表达水平高于粗钉组。可能存在以下机制:(1)骨折愈合早期细钉组骨折断端不稳定，刺激骨折端形成微损伤。这种相对不稳定造成的微损伤对机体是一种疼痛刺激。痛觉刺激即通过感觉神经末梢释放CGRP，所以细钉组骨折端局部的CGRP可能较多。(2)巨噬细胞和肥大细胞表面有CGRP受体表达，CGRP的作用可以控制炎性因子的过表达控制炎症反应[19]。(3)CGRP可以促进VEGF等成血管因子的表达，促进骨折端血管的发生和形成，有利于促进骨折愈合。

1.7 微动促进骨形态发生蛋白-2(BMP-2)的表达 BMP具有诱导成骨活性的作用，现有16种亚型。它来源于骨性及骨源性细胞，是骨代谢的旁分泌产物，也是特异性的骨生长因子。能够在体内、体外诱导间充质干细胞或骨髓基质干细胞转化为软骨细胞。目前，BMP在骨折、骨缺损及骨不连中应用广泛[20]。乔林等[21]对72只新西兰大白兔胫骨中段骨折根据固定方式分为微动组(微动外固定架，0.5mm)与固定组，免疫组化及原位杂交检测显示BMP-2及mRNA在骨折愈合过程早期高度表达，峰值位于骨折后14d，其后水平降低。提示骨折端微动使局部生长因子高表达细胞增多，转录及合成增加，促进细胞增殖，有利于骨折愈合。

1.8 微动促进成纤维细胞生长因子(FGF)-2的表达 FGF在人体组织中广泛存在，可促进软骨细胞前体的分化及软骨细胞的增殖和成熟，使骨的替代加快。碱性成纤维细胞生长因子(FGF-2)FGFs 家族中的一员，FGF-2是骨和软骨形成的重要调节因子，同时也可以促进血管的生成。Natalina等[22]研究表明FGF-2处理的小鼠脂肪基质干细胞能够维持增殖和成骨潜能，乔林等[23]通过实验证实早期微动组(微动外固定架，0.5mm)，FGF-2在间质细胞、成骨细胞、骨细胞、成软骨细胞、血管内皮细胞胞浆内表达，且FGF-2蛋白阳性明显大于固定组。

1.9 微动促进Cx43的表达 Gupta等[24]对微动外固定架固定大的鼠单侧股骨中段骨折随机分成三组，分别利用大鼠自身体重值2%、10%、30%压应力形成微动(0.5Hz，500cycles，17min/d)。术后19d，30%值骨痂明显多于2%应力组；术后21、42d时，相对于2%组，其他两组成骨细胞及软骨细胞中Cx43含量较多(P<0.05)。连接蛋白-43(connexin43,Cx43)是骨组织中主要的间隙连接(gap junction)蛋白和半通道(hemichannel)蛋白，骨细胞、成骨细胞、破骨细胞，均表达Cx43，并在彼此间形成间隙连接，使得骨组织所有细胞形成一个网络[25]。Chung等[26]敲除小鼠成骨细胞Cx43基因后,发现成骨细胞的间隙连接信号通讯降低，骨生成受限，并伴随骨量减少。Bivi等[27]发现Cx43蛋白缺失可引起骨组织中细胞与细胞之间的连接信号降低，同时伴有骨吸收增加，骨量丢失。大量研究表明Cx43蛋白可通过调节多条信号通路(PI3K/Akt、cAMP-PKA、MAPK/ERK、PKC、Wnt经典信号通路)对骨组织细胞的分化及凋亡进行调节，Cx43蛋白与骨组织细胞的生长、分化、凋亡具有密切关系[28-30]。

2 “微动”装置的临床应用

2.1 外固定装置中的“微动” 外固定架有着操作简单、术中暴露少、创伤小等优点，临床应用广泛，特别适用于在四肢开放性骨折、骨干多段骨折、全身多发伤等患者。但目前多数学者认为其并不能为骨折端提供适宜的微动。学者多采用传统外固定架上附加安装微动装置来实现微动，Kershaw等[31]在对73例胫骨干骨折患者分别进行单纯外固定与外固定结合微动装置固定，对骨折断端每日1mm微动，结果显示外固定联合微动组的患者愈合时间明显短于单纯外固定架固定组。国内也有学者发明并使用此类装置应用于胫骨干骨折，疗效较为满意。中医通过复位结合小夹板固定骨折，也取得了不可否认的临床效果，小夹板作为骨折外固定器，固定骨折后通过肌肉收缩产生纵向压力，使骨折断端形成微动，为骨折愈合创造了良好条件。明立功等[32]研究并应用弹性微动自动加压小夹板治疗肱骨骨折，骨折全部愈合，其优良率达到97.9%。

2.2 内固定装置中的“微动” 交锁髓内钉现被视为治疗长骨干骨折“金标准”，但仍然存在骨折术后延迟愈合及不愈合术。交锁髓内钉动力化，即骨折术后及时移除某一侧的锁钉即“动力化”，使骨折端在患肢适度负重时获得压应力刺激，允许骨折端轴向移动，形成良好的微动环境，刺激新骨生长、骨痂形成和加速骨痂重塑，是治疗股骨、胫骨骨折延迟愈合或不愈合的一种有效方法[33-34]。但术后二期动力化，也增加了患者痛苦及经济负担。基于此，许纬洲等[35]在传统带锁髓内钉的近端加一个微动装置，构成自控微动带锁髓内钉，解决了临床上交锁髓内钉坚强内固定术后骨折端应力及微动不足，并将其用于股骨干骨折29例，术后随访8～22个月，骨折全部愈合。除交锁髓内钉，各种接骨板系统在治疗骨折方面也扮演着重要角色，“微动”在接骨板系统中也有体现。桥接钢板在术中避免了对骨折端的直接暴露，间接骨折复位保护骨折端血运，同时桥接钢板固定避免了应力集中，允许骨折块之间能够微动，从而刺激骨再生、促进骨折的愈合[36]；锁定加压接骨板(LCP)在治疗四肢骨折应用广泛，但其固定骨折后锁定螺钉与钢板紧密结合，因此骨折断端产生的应力和微动均较小且不对称，近钢板侧折端的应力、微动较小，而钢板对侧则相对较大，导致骨痂形成不对称[37]，因此导致LCP固定骨折后存在内固定失败、骨折延迟愈合及不愈合等并发症。FCL螺钉——MotionLoc螺钉,其螺杆远端和钉尾有螺纹，螺杆近端无螺纹，且螺杆直径较小；螺杆与靠近钢板侧皮质有空隙，螺钉锁定后钢板与骨面也有间隙，其螺杆或钉芯均有弹性，因此在轴向载荷下能够在骨折断端形对称应力及微动。Bottlang等[38]在替代骨骼模型上模拟股骨干骨折，结果显示在200N轴向载荷下，用MotionLoc螺钉的FCL结构近钢板侧和钢板对侧皮质处微动距离分别是0.51 mm 和0.59 mm；Adams等[39]应用MotionLoc螺钉系统应用于临床治疗15例股骨远端骨折，经随访骨折全部愈合(平均愈合时间24周)，效果满意。

3 展望

微动促进骨折愈合机制逐渐明朗，多位学者将这一理念应用于临床，研制了各种新型的骨折固定装置并应用于临床。微动可促进骨折愈合，缩短患者治疗时间，减轻患者及社会经济负担，具有重要的临床意义。但是，目前微动的最佳时间、应力方式等及其他可能存在机制仍有待于进一步深入的研究。

[1] Yamanishi Y,Yamaguchi S,Imazato S，et al.Effects of the implant design on peri-implant bone stress and abutment micromovement: three-dimensional finite element analysis of original computer-aided design models[J].J Periodontol,2014,85(9):333-338.

[2] Betts DC,Müller R.Mechanical regulation of bone regeneration:theories,models,and experiments[J].Front Endocrinol,2014,5:211.

[3] Bottlang M,Doornink J,Trevor J.Effects of construct stiffness on healing of fractures stabilized with locking plates[J].J Bone Joint Surg(Am),2010,92 (S2):12-22.

[4] Kenwright J,Goodship AE.Controlled mechanical stimulation in the treatment of tibial fractures[J].Clin Orthop Relat Res,1989，(241):36-47.

[5] 宋文超,张思森,陈勇,等.可控性应力与微动对骨折愈合影响的CT影像结果[J].中华创伤骨科杂志，2015,17(7)：624-628.

[6] Mikuni-Takagaki Y,Suzuki Y,Kawase Y,et al.Distinct response of different populations of bone cells to mechanical stress[J].Endocrinology,1996,137(5):2028-2037.

[7] Rubin J,Fan F,Biskobing DM,et al.Osteoclastogenesis is repressed by mechanical strain in an in vitro model[J].J Orthop Res,1999,17(5):639-645.

[8] 王玉记,许纬洲,杜靖远,等.自控微动带锁髓内钉内固定促进骨折愈合的扫描电镜观察[J].中国骨与关节损伤杂志，2005,20(12):823-825.

[9] 张宏军,许纬洲,贺长青,等.自控微动带锁髓内钉对山羊骨折愈合的生物化学研究[J].中国临床解剖学杂志，2008，26(4):423-425.

[10] 许纬洲,杜靖远,郑毅,等.自控微动带锁髓内钉内固定对骨折愈合影响的组织学实验研究[J].中国矫形外科杂志,2003,11(23):1621-1624.

[11] 喻鑫罡，张先龙，曾炳芳,等.低频微动后转化生长因子β与胰岛素样生长因子Ⅰ在新骨组织中的表达研究[J].中国修复重建外科杂志，2006,20(7)：685-689.

[12] 雷磊,廖威明,盛璞义,等.重组PGL3转化生长因子β1基因转染兔骨髓基质干细胞体外诱导向软骨细胞分化的实验研究[J].中国修复重建外科杂志,2006,20(2)：134-138.

[13] Kiyosaki T,Mitsui N,Suzuki N,et al.Low-level laser therapy stimulates mineralization via increased Runx2 expression and ERK phosphorylation in osteoblasts [J].Photomed Laser Surg，2010,28(1):167-172.

[14] 张莉莉,李玉坤.生长因子对骨代谢影响的研究进展[J].国际药学研究杂志,2012,39(2):121-126.

[15] 初同伟，王正国，朱佩芳,等.骨折愈合过程中血流量变化与VEGF的相关性研究[J].中国矫形外科杂志，2002，9(6):577-579.

[16] 乔林，侯树勋，李文峰，等.微动对骨折端微循环及血管内皮生长因子(VEGF) 表达的影响[J].中华创伤骨科杂志,2005,7(1)：52-54.

[17] Sjurholm A,Kreicbergs A,Brodin E,et al.Substance P-and CGRP-immunoreactive nerves in bone[J]．Peptides,1988,9(1):165-171．

[18] 邢丹,马信龙,马剑雄，等.基于不同力学微环境大鼠骨折愈合模型建立及对局部CGRP受体表达的影响[J].中华骨科杂志，2014,34(5):582-592.

[19] Jusek G,Reim D,Tsujikawa K,et al.Deficiency of the CGRP receptor component RAMPl attenuates immunosuppression during the early phase of septic peritonitis[J]．Immunobiology，2012,217(8):761-767．

[20] Boerckel JD,Kolambkar Y,Stevens HY,et al.Effects of in vivo mechanical loading on large bone defect regeneration[J].J Orthop Res,2012,30(7):1067-1075.

[21] 乔林 ,侯树勋 ,张树明，等.骨折端微动对骨形态发生蛋白-2表达的影响 [J].中华创伤骨科杂志,2007,9(6):555-557.

[22] Natalina Q,Wan DC,Longaker MT.Molecularmechanisms of FGF-2 inhibitory activity in the osteogenic context of mouse adipose-derived stem cells (mASCs)[J].Bone,2008,42(6):1040-1052.

[23] 乔林,侯树勋,张树明,等.骨折端微动应力对局部碱性成纤维细胞生长因子的影响[J].中国组织工程研究,2007,11(19):3858-3560.

[24] Gupta RR,Kim H,Chan YK,et al.Axial strain enhances osteotomy repair with a concomitant increase in connexin43 expression[J].Bone Res,2015,3(2):83-91.

[25] Civitelli R.Cell-cell communication in the osteoblast/osteocyte lineage[J].Arch Biochem Biophys，2008，473(2):188-192.

[26] Chung DJ,Castro CH,Watkins M,et al.Low peak bone mass and attenuated anabolic response to parathyroid hormone in mice with an osteoblast-specific deletion of connexin 43[J].J Cell Sci,2006,119(20):4187-4198.

[27] Bivi N,Condon KW,Allen MR,et al.Cell autonomous requirement of connexin 43 for osteocyte survival:consequences for endocortical resorption and periosteal bone formation[J].J Bone Miner Res,2012,27(2):374-389.

[28] Niger C,Buo AM,Hebert C,et al.ERK acts in parallel to PKC to mediate the connexin43-dependent potentiation of Runx2 activity by FGF2 in MC3T3 osteoblasts[J].Am J Physiol Cell Physiol,2012,302(7):C1035-C1044.

[29] Niger C,Luciotti MA,Buo AM,et al.The regulation of Runx2 by FGF2 and connexin43 requires the inositol polyphosphate/protein kinase Cδ cascade[J].J Bone Miner Res,2013,28(6):1468-1477.

[30] Bivi N,Pacheco-Costa R,Brun LR,et al.Absence of Cx43 selectively from osteocytes enhances responsiveness to mechanical force in mice[J].J Orthop Res,2013,31(7):1075-1081.

[31] Kershaw CJ ,Cunningham JL ,Kenwright J .Tibial external fixation,weight bearing and fracture movement[J].Clin Orthop,1993,293:28-36.

[32] 明立功，张全金，冯光.弹性微动自动加压夹板的临床研究[J].中国骨伤，2002，15(12)：708-709.

[33] Papakostidis C,Psyllakis I,Vardakas D,et al.Femoral-shaft fractures and nonunions treated with intramedullary nails:the role of dynamisation[J].Injury,2011,42(11):1353-1361.

[34] Djemil Omerovic,Faruk Lazovic,Amel Hadzimehmedagic,et al.Static or dynamic intramedullary nailing of femur and tibia[J].Med Arch,2015,69(2):110-113

[35] 许纬洲，杜靖远，郑毅，等.应用自控微动带锁髓内钉治疗股骨干骨折[J].中华创伤骨科杂志，2005，7(5)：4224-428.

[36] Piatkowski K,Piekarczyk P,Kwiatkowski K,et al.Comparison of different locking plate fixation methods in distal tibia fractures[J].Int Orthop,2015,39(11):2245-2251.

[37] Lujan TJ,Henderson CE,Madey SM,et al.Locked plating of distal femur fractures leads to inconsistent and asymmetric callus formation[J].J Orthop Trauma,2010,24(3):156-162

[38] Bottlang M,Feist F.Biomechanics of far cortical locking[J].J Orthop Trauma,2011,25 (S1):S21-S28.

[39] Adams JD Jr,Tanner SL,Jeray KJ.Far cortical locking screws in distal femur fractures[J].Orthopedics,2011,38(3):153-156.

(本文编辑： 郭 卫)

Modern research on mechanism and clinical application of micro-movement for bone fractures healing

XU Zhen-dong,LIU Xi-ming

(Department of Orthopedics,Wuhan General Hospital of Guangzhou Military Command,Wuhan 430070,China)

Fracture healing which is affected by micro-momvement,blood supply,stress and many other factors,is a complex biological process.In recent years,a series of progress of mechanism and clinical application of micro-movement have been made. That micro-movement can promote fracture healing is known to us,and its mechanism is gradually clear. In this paper,the research progress on mechanism and clinical application of micro-movement for bone fracture healing is reviewed．

fracture; micro-movement; healing

1009-4237(2017)03-0228-04

430070 武汉,广州军区武汉总医院骨科

刘曦明，E-mail:gklxm@163.com

R 683

A 【DOI】 10.3969/j.issn.1009-4237.2017.03.021

2016-01-30；

2016-08-15)