骨不连的临床治疗及展望

许硕贵

骨不连指多种原因导致的骨折停止愈合，并带来一系列并发症的疾病。骨折愈合不良的发生率目前仍高达8%～10%[1]，治疗方法复杂，通常需要至少2次手术，若治疗不当或治疗不及时，可能造成病人永久性肢体功能障碍，为病人带来沉重的心理及经济负担。作为一名人民军医，笔者曾诊治过众多创伤骨科军民病人，但二十多年前的一例骨不连病人仍让我记忆犹新，那是一位武警中校，他在经历了3次手术后仍未能获得骨愈合，巨大的心理压力击溃了一名军官的心理防线，就诊时曾诉说已经萌生了轻生的念头，由此可见骨不连的危害。重视这一疾病的治疗，开展高层次的基础与临床研究，积极开发及应用临床新技术是我们每个创伤骨科医生努力的方向。

造成骨不连的原因可分为全身因素和局部因素，全身因素包括糖尿病、代谢性疾病、吸烟等不良生活习惯以及其他影响骨愈合的全身性疾病等；局部因素包括感染、力学不稳、骨折区域血供缺乏等。骨不连的治疗方法多种多样，根据其促进骨愈合的机制不同，可以归纳为诱导组织分化形成新骨，传导新骨长入缺损区域，以及综合治疗策略。本文以此分类为基础，重点述评骨诱导、骨传导相关骨不连治疗方法，以及修复力学环境及骨搬运(Bone Transport，BT)、Masquelet技术等综合治疗策略。

1 骨诱导策略

骨诱导(osteoinduction)是指一种组织或其提取物刺激原始未分化的多能干细胞分化成骨的过程[2]。细胞因子是启动成骨细胞分化、增殖的重要因素，另外，骨移植物的成分、配比、三维架构(孔径、孔隙率、连通率等)、电荷、二维的表面粗糙度、表面拓扑、内部应力、特殊表面修饰、配基等，以及骨移植物整体的生物相容性、构建方式等很多方面均是影响骨诱导的因素。

细胞因子是一类可以调节细胞功能的小分子量蛋白质，在骨愈合过程中通常存在于骨周围基质，具有调节细胞成熟、分化、增殖等作用，其中骨形态发生蛋白(BMP)、血管内皮生长因子(VEGF)、血小板衍生生长因子(PDGF)、转化生长因子-β1 (TGF-β1)和胰岛素样生长因子1 (IGF-1)参与了骨组织的修复重建过程，可以作为治疗骨愈合不良的可选手段。

已有大量的动物实验结果支持应用上述细胞因子治疗骨不连，但临床应用研究仍进展有限，考虑到安全性、稳定性、成本效益等方面的限制，目前只有rhBMP-7和rhBMP-2分别于2001和2002年获FDA批准形成商业化产品[3]。临床应用时应重点关注细胞因子可能对人体带来的不良影响，包括异位骨化、神经根炎、骨溶解[4]、致癌风险[5]等。

炎症刺激骨形成是临床上常见的现象，金葡菌素曾用于临床骨不连的治疗。金葡菌素是从金黄色葡萄球菌代谢产物中提取的一种无菌性淡黄或无色澄明液体，主要成分为多种蛋白质、多肽、氨基酸等活性物质，具有激活机体免疫反应、促进成骨细胞形成、抑制破骨细胞分化等作用，从而能够促进骨修复重建[6]。炎症因子白细胞介素1β(IL-1β)可通过BMP/Smad信号通路促进小鼠骨髓间充质干细胞分化及成骨。WANG等[7]提出，在一定浓度范围内，IL-1β通过BMP/Smad信号通路促进小鼠骨髓间充质干细胞的分化和成骨功能。肿瘤坏死因子(TNF-α)在软骨骨化阶段加速间充质干细胞(MSCs)募集并诱导肥大软骨细胞凋亡，相反如果缺乏TNF-α将阻碍矿化软骨吸收并影响新骨形成[8-9]。

富血小板血浆(PRP)注射和自体骨髓注射是目前临床上常用的治疗骨愈合不良的方法。PRP是利用自身血液制作的富含血小板的高浓度血浆，其中包括TGF-β1、PDGF、PF4、IL-1、IGF-1、骨钙素、骨连接蛋白、纤维连接蛋白及纤维蛋白原等活性因子，能够促进成骨细胞的增殖和分化，故其为骨延迟愈合、骨不连的病人提供了另一种选择。近年来有多组临床试验研究证实局部注射PRP有助于改善骨愈合不良状态[10]，但单独使用PRP对骨折愈合无促进和改善作用，复合植骨时才能促进骨折愈合，其中具体的效应物质和作用机制仍有待进一步的研究。自体红骨髓内含有大量的原始细胞及生长因子，具有促进成骨能力，国内外均有研究尝试自体骨髓注射用于治疗骨不连并取得了良好的效果[11]。上述提到的局部注射疗法都存在着注射欠精准的问题，继而影响其疗效，本院创伤骨科团队研发的激光定位导航下的局部精准注射技术可能对现有技术进行有效改善[12-14]。

以MSC为代表的干细胞疗法可通过全身静脉注射、局部注射等方式来治疗骨不连[15]。全身静脉注射移植方法难以保证骨不连区域募集干细胞的数量，目前仅有少量的相关研究。干细胞在骨不连区域局部注射操作相对简单，便于多次重复移植，以保证移植细胞数量。无论是动物研究还是临床研究都对移植干细胞在治疗骨不连和骨缺损方面的价值给予肯定。但干细胞移植疗法仍存在一定的问题，如自体干细胞来源有限、体外扩增难以维持较高的干性、储存与运输难度较高等，使得干细胞疗法推广进展缓慢[16-17]。随着干细胞基础研究领域的发展，干细胞外泌体作为有效替代物正受到广泛关注，干细胞来源的外泌体包含了细胞本身的多种生物活性物质，同时作为一种“非细胞治疗”策略更具有安全、高效的商品化潜质[15]。

2 骨传导与骨移植策略

骨传导(osteoconduction)是指材料表面或孔隙、通道或管道的表面接受新生骨组织长入的过程[2]。

非解剖复位的骨断端间隙，如果持续存在增生的瘢痕组织则会阻碍骨折两端正常会师，形成骨不连，此时需要手术清理断端瘢痕才可能达成骨愈合的结果。但清理无效骨痂后将引起肢体短缩，需要对缺损的空间进行填充。填充物的最基本要求是要能够保证骨传导发生，也就是能为血管和新骨的长入提供支撑的桥梁作用。理想的填充物应该不仅仅是支架，同时应复合成骨细胞、骨形成诱导因子等。目前常用的填充物有自体骨、同种异体骨、异种骨和人工骨[16]。从化学的角度也可以将填充物分为有机物、无机物、有机无机混合物。

有机物包括了自体、异体、异种骨3类，目前临床常用的有自体骨移植(带血管或不带血管)、异体骨移植(湿骨或干骨)，异种骨移植方面，原第四军医大学胡蕴玉教授从牛骨中提取了bBMP，并且应用于小鼠的成骨以及血管内皮细胞的生长过程[17-18]，取得了不错的成果，其研究证明异种骨的提取物具有促进骨愈合的作用，这为异体骨的应用提供了支持。自体骨移植是骨移植的金标准。目前自体骨移植具有最低的免疫排斥的风险，并具有强大的骨传导、骨诱导和骨生成等特性，使其成为治疗创伤后骨不连的有效辅助手段。自体骨移植材料可分为不带血运的自体骨移植物、带血运的自体移植物。不带血运的自体移植物又分为皮质骨和松质骨；而带血运的自体移植物又分为带肌蒂骨瓣移植物以及吻合血管骨移植物。不带血运的骨移植作为一种传统的骨移植技术，技术成熟、疗效确切，适用范围广，有较高的实际实用价值[19]。皮质骨移植主要来源于髂骨棘、胫骨、腓骨、桡骨以及肋骨，而松质骨移植主要来源于髂嵴、髂后上棘、股骨、胫骨近端、桡骨远端以及尺骨鹰嘴等部位[20]。目前，自体骨移植的金标准仍然为髂骨，因其手术操作较为简便快捷，手术的安全性高，并且成活率高，在临床上应用最为广泛[21]。取髂骨的方法建议采用开窗式取髂骨法，可以将取髂骨给病人带来的不适降到最低。带血运的自体移植物又分为带肌蒂骨瓣移植物和吻合血管骨移植，相关研究[22]表明，带肌蒂骨瓣植入不仅能重建骨缺损处血液循环，提供丰富血液循环，而且有助于骨缺损区多种成骨因子的富集，干细胞骨小梁的贴附，促进新骨形成，加速骨组织修复。相似的吻合血管骨移植，在不损伤植骨块血运的前提下，可以给细胞的成活提供足够的血氧，从而有望使移植后的骨不连愈合达到与正常骨折愈合相似的程度[23]。

移植到供区的自体骨最好是活骨，也就是骨细胞都是成活的，这样可直接长入供区，速度最快。带血管蒂的自体移植骨，如果缺血时间没有导致骨细胞坏死，可以认为是活骨，如果发生了小部分坏死，愈合过程中还是会发挥骨传导的作用；自体松质骨如髂骨移植，移植后很难判断周围的血液和体液能保障多大体积的骨块内的细胞活性，以往经验提示自体髂骨的松质骨应该是可以直接成活的，但缺乏相应的研究证据支持。我们在临床上采用多种方式的植骨策略，如“种子法”“夹板法”“加垫法”，对骨不连的治疗效果比较满意[24-25]。

同种异体骨是指相同物种但是基因不同的来源于其他个体中的骨组织，被认为是自体骨移植的最佳替代方案，同种异体骨移植也是临床上常用的植骨方式，年均用量非常大。目前，小块异体骨移植术后的成功率已达90%以上，异体骨本身没有骨诱导作用，其促进骨愈合主要依赖骨传导，因此较多应用于骨缺损填充方面[25]。创伤或肿瘤切除后的大段骨缺损，异体骨移植后最常见的问题是移植骨与宿主骨的整合问题[26]。VEGF处理后的同种异体骨具有更好的骨整合结果[27]。可见作为自体骨移植的备选方案，异体骨复合BMP、血管生成因子共同移植的策略已被证实有效，也是未来临床推广应用的潜在方向[28-29]。

无机填充物在本文中是指硫酸钙陶瓷、磷酸钙陶瓷、磷酸钙水泥以及以CaO、P2O5、SiO2为主要成分的生物活性玻璃等[30]。理论上，无机成分的植入物主要起到骨传导作用，不具有任何骨诱导性。就上述材料而言，与其他生物陶瓷相比，生物活性玻璃可以在短时间内与周围的骨组织形成强烈的化学键，骨整合速度更快，作用效果更好，其机制可能是生物活性玻璃与骨的天然无机成分相似。因此无机生物玻璃在骨组织工程中的应用和发展逐渐成为人们关注的焦点[31]。

从近年材料科学的发展来看，无机骨填充物若更加贴近理想要求的特点，即不仅能发挥良好的骨传导作用，而且能有骨诱导和骨生成功能，那么将无机填充物制备成介孔材料是一种具有前景的设计策略。根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)规定，介孔材料指孔径介于2～50 nm的一类多孔材料。介孔材料具有极高的比表面积、规则有序的孔道结构、狭窄的孔径分布、连续可调的孔径大小等特点，有序孔道可作为“微型反应器”。因此介孔材料从诞生起就引起了物理、化学、生物、材料及信息等多学科研究领域的广泛关注，成为国际上跨多学科的前沿热点之一。无机植骨材料制备成介孔材料才有可能在其中组装具有“骨诱导”“骨生长”作用的客体物质，形成有效的“主客体材料”，发挥可能的小尺寸效应、量子尺寸效应等，最终出色完成修复骨不连的使命。

由于硅基材料最早被用于制备介孔材料，制备技术成熟稳定，已经运用在很多领域，介孔材料被分为硅系和非硅系两大类，后者主要包括过渡金属氧化物、磷酸盐和硫化物等，由于它们一般存在着可变价态，有可能为介孔材料开辟新的应用领域，展示硅基介孔材料所不能及的应用前景。

无机填充物本身缺乏骨诱导特性，通过浸泡含有BMP、成纤维细胞生长因子、VEGF、甲状旁腺激素和PRP的液体赋予其骨诱导特性，液体中也可加入镁、锶、硅、锌、铜、锂、钴等无机元素赋予其更好的成血管和成骨特性[32-33]。

3 力学环境修复

力学环境是个宏观概念，从微观的角度来说就是骨折两端的位移对骨愈合有重要影响。位移的大小与方向可以有无限个组合，再加上时间变量，我们很难判断哪一种位移方式对骨折是最有利的，是完全不动的零位移好，还是随时间变化的微动好，微动到什么程度最好等等，再加上个体因素，我们至今无法将实验室研究成果用于临床。临床进行骨折治疗时，很难模仿这些实验的加载方式，制约了其临床转化。从临床角度来讲，骨折后骨愈合的力学环境分为下面几种：(1)自然力学环境，即骨折后不做任何固定；(2)石膏或支具干预的力学环境，即骨折后进行了石膏或支具固定；(3)外固定支架干预的力学环境，即骨折后进行了外固定支架固定；(4)内固定干预的力学环境；(5)组合式固定下的力学环境，如外固定支架+内固定、内固定+石膏固定等。从坚强固定(早期AO理念)到生物学固定(bioloigical osteosynthesis，BO理念)，再到我国学者提出的记忆接骨术策略(memorial osteosynthesis，MO理念)，无不折射出骨折治疗领域对力学环境的百家争鸣。目前，能够在术中对骨断端实施力学干预的方式有4种：加压钢板的加压孔加压，髓内钉的尾帽孔加压或回敲加压，这三种加压方式都是被动的，还有一种就是记忆合金的动态主动加压[34-36]。

就目前的临床骨折手术而言，一旦决定采用直视下的手术固定方式，完全解剖、坚强内固定的策略仍然是骨科医生追求的目标，这个目标是病人早期功能锻炼、骨折良好愈合的根本保证。解剖当然是达到极致最好，但坚强肯定不是愈坚强愈好，到底什么程度的坚强固定会导致发生再骨折的“应力遮挡效应”，其实很难量化，因为骨折端的血运情况、病人的骨质情况、活动情况，甚至全身情况都会跟“再骨折”这一最坏的结果相关，临床上因应力遮挡导致的再骨折亦时有发生[37]。既然无法量化，钢板的厚度、宽度、长度就不可能有统一的标准，可能真正能用来量化的只有制作钢板等内固定材料的弹性模量。

弹性模量是工程材料重要的性能参数，从宏观角度来说，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形大小的尺度，从微观角度来说，则是原子、离子或分子之间的键合强度的反映。人体皮质骨的弹性模量为10～30 GPa，目前应用于骨折病人的常用金属材料的弹性模量都远大于这个数值：1950年代原产于英美的Ti-6Al-4V，其出现是供应航空结构件制造用的，弹性模量高达112 GPa，而且铝(Al)和钒(V)有明显的生物学毒性，令人费解的是目前成了绝大部分骨科钛合金植入物用材；后来1980年代瑞士研发了第二代钛合金Ti-6Al-7Nb，从医用角度讲，避免了钒(V)的毒性，弹性模量仍高达110 GPa；而由美国1990年代研发的第三代钛合金Ti-13Nb-13Zr，弹性模量为79 GPa，是最早被正式列入国际标准的低模量医用钛合金，但目前市场产品极少采用，可能由于铌的含量高价格贵制约了其广泛应用。近年来国内外主要的有望应用于临床的低弹模钛合金包括了日本东北大学研发的Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr、弹性模量65～93 GPa，和中国北京航空航天大学李岩教授团队研发的Ti-28Zr-15Nb-1Fe (TZNE)合金、弹性模量58 GPa[38-39]。

4 BT与Masquelet技术

BT又称牵张成骨技术(distraction osteogenes,DO)，是20世纪50年代由前苏联骨外科学家Ilizarov发现并实施于临床的一种骨缺损修复技术，它通过环形、单边、双边支架以安全速度(通常0.75～1.00 mm/d，分4次)对骨段进行牵张搬移从而实现缺损修复[40]。Masquelet技术，又称诱导膜技术，是法国Masquelet教授首次公开报道的另一项骨缺损修复技术[41]，通常分两阶段实施：第一阶段，对骨断端彻底清理，并在缺损处填充聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥，一段时间后，由于异物反应将在骨水泥表面会形成一层生物膜；第二阶段，小心切开生物膜，取出骨水泥后，将自体松质骨颗粒填充于膜腔内，并进行有效固定，从而完成骨折修复。之所以把两者放到一起进行述评，是因为两者重点解决的临床难题有高度的相似性，即感染性的大段骨缺损，这也是骨折骨不连治疗最棘手的问题之一。

现有的研究[42-43]显示这两种技术在治疗骨缺损时，均能取得满意的骨愈合，且在总体骨愈合率和感染、畸形愈合、截肢率等并发症发生率方面相似；但骨搬运技术可能存在更高的再骨折发生率[43]，需要更长的骨愈合时间[44]和更长的带架生存时间[42]。此外，但当骨缺损大于12 cm时，采用BT不可避免地要对会师端进行翻修和植骨；而Masquelet技术几乎可以应用于任何情况[45]。

但这些研究多为病例报道和回顾性研究，缺乏前瞻性随机、对照研究，因此在进行骨缺损治疗时，究竟如何选择这两种技术目前尚没有形成共识，大多依赖外科医生的经验和喜好。总体而言，Masquelet技术具有操作简便、费用低廉、适应证广的特点；而BT相对复杂，操作难度较大。但随着计算机辅助外科技术的发展，术前电脑规划使得骨搬运技术的实施变得更加简单和精准，截骨矫形与截骨延长在术中几乎可不依赖经验，大大改善了的学习曲线。而随着Masquelet技术的不断应用，一些缺点也逐渐暴露，例如对于非感染性骨不连的治疗，传统Masquelet技术同样需要两阶段的手术过程，治疗周期漫长。为克服该不足，一些学者采用组织工程膜代替诱导膜的“一阶段”治疗策略，并取得了不错的进展[46-47]。

关于BT促进骨缺损修复的机制，现多采用Ilizarov创立的“张力-应力法则”，即生物组织受到缓慢、持续牵伸产生一定的张力，可刺激组织的再生和活跃生长。而目前关于Masquelet技术促进骨折愈合的机制却并不十分清楚。Masquelet技术可能通过以下5种机制促进了骨折的修复：(1)诱导膜的物理屏障作用，诱导膜能够将置入膜腔的自体松质骨与外部隔开，起到防止了软组织崁顿和长入的作用[48]；(2)诱导膜中含有大量促成骨相关的因子，如BMP-2、TGF-β1、VEGF等[49]，这些活性因子对于新骨生成具有促进作用；(3)诱导膜血管丰富，血管化关系到骨缺损处移植物的成活，诱导膜含有丰富的促血管生成因子和大量新生毛细血管[50]；(4)诱导膜中含有MCS，缺损的填充与修复有赖于MCS的增殖与分化，诱导膜免疫组织化学结果显示含有CD271、Srto-1等MCS标志物[51-53]，提示MCS在诱导膜促进骨缺损修复中具有重要作用。

5 物理因素与骨折愈合

目前经过大量的研究证实，超声、激光、电磁场等因素在骨折愈合的过程中均发挥了较为重要的作用[54-56]。

低强度脉冲超声波和体外冲击波治疗作为声波促进骨折愈合的方式，已经被证实能够有效促进骨不连愈合。目前，低强度脉冲超声波是指频率在1.5 MHz的超声，而空间和时间强度在1～100 mW/cm2，脉冲宽度200 μs，重复频率为1 kHz的低强度声波，已经被证明对于骨折愈合有显著的促进作用[57-58]。早在2001年，AZUMA等[59]就在大鼠体内证明了30 mW/cm2强度，每天20 min的超声时间是可以促进大鼠股骨愈合的。该方面的机制研究也证明低频超声波能够有效地改变细胞膜的通透性，从而激活第二信使，引起增殖有关信号通路的激活，并改变基因表达，从而上调软骨与骨特异基因表达水平，促进成骨细胞的分化与增殖[60]。而体外超声波治疗则是利用10 ns极快的速度上升到脉冲峰值压强，脉冲周期可降低到10 μs，冲击波频率仅仅为16～20 MHz，而种声波的作用机制是在短时间内产生巨大超声能量，粉碎骨不连的硬化部分，从而使得管腔再通，而该过程还能引发无菌炎症的形成，促进成骨细胞分化[61]，而强大的超声能量也可以造成大量新鲜细小的骨折，同样的这样的微骨裂也能刺激骨折局部形成骨痂，从而促进骨折愈合[62-64]。以声波作为治疗手段，具有操作简单、无创伤、精确度高等优点，未来在临床应用过程中具有良好的前景。

激光治疗已成功地用于改善骨愈合，对骨组织的愈合有积极的效果。激光治疗对骨再生的影响可能不仅与照射总剂量有关，还与照射时间和照射方式有关。已经进行的一项研究红外激光治疗后新骨形成量的实验中，使用了剂量为4.8 J/cm2、57.6 J/cm2和 14.4 J/cm2作为治疗剂量，结果显示早期的激光治疗在骨折愈合过程中是有益处的[65]。同样的，在激光治疗骨缺损的实验中，合并羟基磷灰石的使用，结果显示激光治疗组的骨缺损的修复速度更快。而关于激光治疗的机制，有研究[66]证明，该方法与组织再生的增强，炎症反应的减轻有着很大的关系，而在一项低频超声和低频激光促进骨愈合的比较中[67]，我们可以明确低频超声和激光都有可能促进病人的骨折愈合，因此我们相信该种方法在未来具有巨大的潜力。

脉冲电磁场在骨折修复过程中具有很大的作用。而低频脉冲电磁场进行治疗的过程中与热效应无关，主要是通过类似流体机械塑形的作用来改善成骨过程，从而促进骨折延迟愈合和不愈合[68]。脉冲电磁场刺激主要包括由骨折部位植入电极进行刺激，以及在皮肤表面设置电极进行电容耦合电磁刺激治疗两方面，而这种方式可提高 DNA的表达进而促进胶原蛋白的形成[69]、诱导MCS向成骨细胞分化[70]、促进钙离子沉积，加速机体钙化[71]以及促进成纤维细胞生长因子和VEGF的转运发生了改变，通过促进血管形成的方式[72]，显著影响骨愈合。目前电磁场促进骨折愈合的强度为0～100 Hz不等[73-75]，然而脉冲电磁场治疗骨科疾病所采用的频率、宽度、振幅以及强度所需的参数还没有统一的标准，因此该领域还有很大的研究空间。

6 结语

综上所述，骨不连的治疗，在骨诱导方面生物学方法包括rhBMP-7和rhBMP-2的应用、局部注射红骨髓、富含血小板血浆等，物理方法主要包括超声、激光、电磁场等，生物材料方法主要包括硫酸钙、磷酸钙、羟基磷灰石、重金属离子等；在骨传导方面人工骨材料包括了硫酸钙、磷酸钙、羟基磷灰石等，以及同种异体骨、异种骨。临床技术手段方面包括Masquelet技术以及Ilizarov技术。

从临床使用效果来看，骨诱导、骨传导的各种方法疗效仍无法达到自体髂骨移植的水平，只能作为辅助，不能替代。今后的发展方向，一是进一步创新骨诱导方法，通过局部注射应用，使骨不连最终发生连接，其关键在于骨不连端纤维组织的骨化生；二是构建自体髂骨替代方案，即骨诱导体系和骨传导体系的融合创新，针对骨诱导无法治愈的缺损较大需要手术植骨的骨不连，或者即使没有缺损，但必须手术去除硬化骨植骨的骨不连。

临床技术手段方面的新技术今后一方面将从实施方法上进行更加微创智能方向改进，另外将把外科技术与生物学技术的进步进行结合，加快治愈时间。骨骼系统是人类进化的核心环节，作为医务工作者，关注这一人体的重要器官，并能在出现问题的时候完美修复它，对人类的生存与发展将具有重要的意义。