界面载荷对内植物-骨界面骨整合影响的研究现状

娄纪刚，刘浩

(四川大学华西医院骨科，四川 成都 610041)

内植物植入骨组织后界面良好的骨整合是内植物获得长期稳定的基础，也是内植物手术成败的关键。研究发现[1-2]适当载荷的应力刺激可促进内植物-骨界面的骨整合，即界面载荷在一定范围内可促进界面骨整合，而低于或高于该范围均可导致骨质的吸收，阻碍内植物-骨界面的骨整合[3-4]。但界面载荷对内植物-骨界面骨整合的影响尚处于实验研究阶段，缺乏成熟的理论体系来指导临床。为增强医者就界面载荷对内植物-骨界面骨整合作用机制的认识，为其未来的临床应用提供参考，本文就界面载荷对内植物-骨界面骨整合影响的研究进展作一综述。

1 内植物-骨界面骨整合的理论认识

骨整合是有生命的骨组织对无生命的内植物的一种结构反应[5]。骨整合的概念首先由Branemark等[6]提出，指在光学显微镜下，内植物与骨组织之间呈现的无纤维结缔组织界面层的直接接触。目前，内植物与骨组织结合的方式主要有两种学说，即骨整合和纤维性骨结合。纤维性骨结合是指内植物与骨组织不直接接触，而是界面形成纤维膜或滑液膜相隔[7]；而骨整合是骨组织的正常改建，骨与内植物直接接触而无任何纤维组织间隔，并且能承受及传递应力，是内植物-骨界面最理想的愈合形式。内植物植入骨组织后，内植物-骨界面会出现与骨折愈合相似的过程，先后经历血肿炎症机化期、新生类骨形成期及界面骨组织的改造塑形期。尽管骨整合是内植物与骨组织结合的最理想方式，即界面成分为连续的骨组织，但许多情况下，界面的组织成分是相对复杂的，常为骨组织、纤维膜及纤维软骨混合，即界面结合方式为骨整合混合纤维性骨结合，这可能主要与内植物表面材料的多样化有关[8]。

2 力学载荷对内植物-骨界面骨整合的宏观调控机制

骨是力学敏感性组织，具有相当强的适应及维持一定力学环境的能力。骨所处的力学环境是相对复杂且不断变化的，骨组织也会随局部力学环境的变化而不断进行自我调整和自我更新，使骨的内部结构和外部形态以最优的形式适应其不断变化的力学环境。负荷增加的部位骨量相对不足，需要增加骨量；而负荷减少的部位骨量相对过多，需要减少骨量。骨组织中骨细胞感受到局部力学环境的变化，并据此调整细胞的成骨与破骨作用，进而调节其骨量、结构和力学特征以适应新的力学环境。这种引起骨量重新分配并适应新的力学环境的机制，被称为骨的“力学调控系统”[9]。骨对外力作用的敏感性，称为力学调定点或阈值，是力学调控系统的灵敏度。力学调控系统中有三个重要的阈值，即骨重建阈值(minimum effect strain threshold of remolding，MESr)，约200 με；骨构建阈值(minimum effect strain threshold of modeling，MESm)，约1 000 με；病理性骨构建阈值(minimum effect strain threshold of pathologic microdamage，MESp)，约3 000 με。将骨组织的应变范围划分为四个区：废用区、适应区、中度超负荷区和病理性超负荷区。外力作用的幅度与阈值进行对比，判断其在力学调控系统中所处的区域，从而可明确骨平衡的方向，进而调整骨量的增加或减少。当力学载荷引起的界面骨内最大应变小于MESr时，骨组织处于废用状态，感受到目前的骨量超出了承受力学载荷的需要，进而激活骨重建机制，使骨吸收大于骨形成，总骨量减少；当力学载荷引起的界面骨内最大应变处于MESr和MESm之间时，骨组织处于适应状态，总骨量基本不变；当力学载荷引起的界面骨内最大应变处于MESm和MESp之间时，骨组织处于中度超负荷状态，感受到目前的骨量不能满足承受力学载荷的需要，进而激活骨重建机制，使骨形成大于骨吸收，总骨量增加，并逐渐减小骨内应变，恢复至适应状态；当力学载荷引起的界面骨内最大应变大于MESp时，骨组织处于病理性超负荷状态，感受到目前的骨量明显小于力学载荷的需要，激活骨重建机制，快速而大量生成编织骨，并使骨形成明显大于骨吸收，总骨量迅速增加[10]。但当力学载荷引起的界面骨内最大应变大于MESp时，反复的应变会引起界面骨组织的细微损伤，过多的细微损伤随时间的累积会导致骨的力学性能下降，骨折的风险增加，而且界面骨内最大应变若达到骨折极限应变25 000 με时，也会引起板状骨骨折[11]。

3 力学载荷对内植物-骨界面骨组织细胞层面的调控机制

骨的“力学调控系统”从组织层面初步阐述了骨组织的生物力学适应性，随着力学生物学的发展，界面骨组织的生物力学研究也深入到了细胞分子层面。骨组织根据局部力学应变的变化不断进行自我调整和自我更新的关键是力学刺激的传递及细胞间的响应。力学刺激的传递主要依靠应力或应变等物理信号，而细胞间的响应则主要依靠生物化学信号的传递，因此，必须有中间途径可将力学信号转化为细胞可以识别的生物化学信号，如力学特异敏感性离子通道、细胞间隙连接等。骨组织中骨细胞的数目约占95%，而且骨细胞是主要的力学感受细胞，其对应力的感知、传导以及反应起着重要的作用[12]。在适当力学载荷刺激下，骨细胞轴突可以感受力学信号刺激并激活Wnt/β-Catenin等信号通路[13]，上调促进成骨的基因表达，分泌促进成骨的细胞因子和诱导骨原细胞向成骨细胞分化的细胞因子，同时下调促进破骨的基因表达，减少促进破骨的细胞因子分泌，调控成骨细胞与破骨细胞的活性[14]，从而激活骨塑建与骨重建的过程[15]。

4 界面载荷对内植物-骨界面骨整合的影响

界面载荷主要涉及载荷类型、载荷大小与作用时间、载荷加载时机、载荷频率与幅度等，均可对内植物-骨界面的骨整合产生影响。

4.1 载荷类型 力学载荷主要有两种类型：静态载荷和动态载荷。静态载荷是指随着作用时间的变化，大小和方向均不发生变化的力。动态载荷是指随时间变化而有规律重复的力学加载，包括循环载荷、间歇载荷、交变载荷等，是日常生活和实验中最常见的加载方式。骨组织承受的主要是周期性动态载荷，人们日常活动中的走、跑、跳、扭转等基本运动形式均可看作周期性动态载荷对骨组织的作用。动态载荷作用于界面骨组织，可有效提高骨组织的力学性能，促进界面骨整合，而静态载荷基本不会引起界面骨增加[16]。但也有研究表明[17]静态载荷和动态载荷均可增加新骨的形成，而动态载荷的成骨效果明显优于静态载荷。此外，动态载荷相比静态载荷可产生更多的骨再造，可明显增加骨小梁的数目和宽度，并且提高松质骨的强度[18]。由于特性不同，同样水平的静态载荷和动态载荷作用于骨组织时，它们的作用效应也不同，且动态载荷的成骨效果要优于静态载荷。

4.2 载荷大小与作用时间 载荷大小的定义有所差异，部分研究以力学调控系统中骨内应变的阈值作为衡量载荷大小或载荷强度的标准，即载荷引起的界面骨内应变小于MESm时，骨所承受的载荷为低强度；骨内应变大于MESp时，骨所承受的载荷为高强度；而骨内应变介于MESm和MESp之间时，骨所承受的载荷为中等强度。章晓霜等[19]认为中等强度运动可减少雌性大鼠由于去卵巢导致的松质骨的丢失，并且增加皮质骨含量，减轻骨质疏松的程度，而大强度运动对骨质疏松无明显改善作用。而王人卫等[20]的研究表明中长期的大强度跑台训练可导致健康成熟的雌性大鼠骨量减少，骨密度降低。Duyck等[4]采用新西兰兔研究了载荷对种植钉周围骨整合的影响，结果表明载荷过大会导致种植钉周围的骨吸收，影响内植物-骨界面骨整合。既往在细胞层面的研究也发现，载荷过大会抑制成骨细胞的增殖和分化减弱，并能诱导成骨细胞凋亡[21-22]。然而，也有研究表明高强度振动刺激可加强成骨反应，强度是刺激骨形成的重要因素[23]。此外，载荷过小的情况下，骨组织缺少应力的刺激也会出现骨质的吸收，从而阻碍界面骨整合[3]。尽管许多学者就载荷大小对骨组织力学性能的影响进行了探究，但由于不同实验所采用的研究对象、测试方法以及设定的阈值等均不完全相同，所得出的结论也不尽一致，但均表明适当载荷的应力刺激可促进界面骨整合。而在适当载荷刺激下界面骨整合的质量不仅会随着愈合时间的增加而提高，而且会随着作用时间的延长而提高。

4.3 载荷加载时机 何时施加界面载荷可促进内植物-骨界面骨整合，相关的研究较少且存在许多争论。传统的观点认为，早期的力学加载易导致界面产生过度的微动，不利于界面骨整合，影响内植物的稳定性。Robert等[24]认为界面骨整合需要一段时间内完全无载荷状态下才能完成，过早的力学加载会导致内植物产生一定的动度，进而刺激间充质细胞向成纤维细胞方向分化，而不是转化为成骨细胞，形成过多的纤维性骨结合界面而导致内植物的失败。目前，口腔科有关微种植体的临床与实验研究中，选择的加载时机有术后即刻，愈合2、3、4、6、12周，其中以2～4周最常见[25-26]。究其原因，可能是术后2～4周已有新生的编织骨形成，并且部分编织骨向层状骨转化，此阶段已经具备了承受一定范围内载荷的组织学基础。然而，Cha等[27]对微种植体的实验研究发现，尽管愈合3周载荷组与即刻载荷组的界面骨组织形态学测量结果无显著差异，但愈合3周载荷组的微种植体-骨接触率及其周围骨量均明显低于即刻载荷组，说明微种植体植入后3周是稳定性危险期，初始载荷应该避开此阶段。因此，如何选择载荷加载时机尚无明确的定论，但如果力学载荷控制在一个合适的范围内可以使内植物与骨组织界面不产生过度的微动，早期的力学加载应该也是可行的，有可能刺激成骨细胞生长，促进界面骨整合并缩短其进程。

4.4 载荷频率与幅度 骨的力学性能也与载荷频率和幅度有关。大量动物实验和临床研究[28-29]表明，高频(20～90 Hz)低载(小于0.3 g，g为重力加速度)的垂直全身性振动力学载荷可以促进骨形成，并且抑制骨吸收。Judex等[30]对去卵巢大鼠分别施加90 Hz、45 Hz的低幅(0.15 g)振动刺激，10 min/d，持续2 d，结果发现90 Hz组的成骨效果明显优于45 Hz组，认为载荷频率才是刺激成骨的重要因素。而申华等[31]的研究认为促进骨重建的最佳振动频率为10～50 Hz。而且，陈旭义等[32]进行了不同压缩载荷对大鼠尺骨重建影响的动物实验研究，进一步指出，10 Hz、15 Hz是较好的载荷加载频率，而5 Hz的低频载荷加载对骨密度的增加效果很小。综上可知，不同频率的载荷刺激对成骨效果的促进作用有所不同，而且促进骨重建的力学载荷可能有一个最佳的频率范围，骨组织对低于某一频率阈值的载荷刺激不能做出响应，而且过高频率的载荷刺激促进成骨的作用可能也不明显。频率和幅度是动态载荷的两个重要影响参数，目前的研究表明，高频低幅的动态载荷促进骨重建的效果可能最佳，但未形成明确的理论。

5 问题与展望

综上可知，适当动态载荷的力学刺激可促进内植物-骨界面骨整合，且高频低幅的动态载荷促进骨重建的效果可能最佳，而载荷加载时机仍存在较多争论，且力学载荷对骨力学性能影响的作用机制及理论体系仍不成熟，尚处于实验研究阶段，无法用来指导临床。因而，如何根据个体的生理状况，选择最佳的载荷类型、载荷大小、频率和加载时机等仍是未来的研究方向，希望通过进一步研究可有效施加界面载荷以促进界面骨整合，缩短界面骨愈合周期，从而减少内植物手术患者的假体相关并发症。