多能干细胞分化与骨组织重构

多能干细胞分化与骨组织重构

骨折愈合作为一个过程系统的描述始于20世纪初。1969年，ilizarov提出了张力诱导法，这对骨折愈合的研究和临床治疗产生了重大影响。研究表明,骨组织有关连接组织的材料形态和结构强度均受力学环境的影响,连接组织的维持、修复和再生几个环节会影响到结构强度。这个特别复杂的再生过程受到患者年龄、力学环境、内分泌、局部血液供应等诸多因素的影响,而应力是主要因素之一。目前对于应力刺激能够促进骨折愈合的影响机理仍不清楚,但已证明骨组织对应力刺激有良好的适应性,骨细胞能够感受力学信号。最佳的应力状态能够促进骨折愈合到理想状态,通过促进骨痂形成,为骨折局部提供机械强度和刚度,恢复骨的力学特性。因此,研究持续动态压应力对骨折愈合的影响具有非常重要的意义。1成人湿足试件骨组织是一种粘弹性、各向异性的固体材料,力学特性复杂,不同种类、湿度、温度、年龄、性别的力学性能不同。载荷-变形曲线中可测得6项反映骨结构力学特性的指标:(1)骨结构韧性(2)骨结构硬度(3)最大载荷(4)弹性载荷(5)最大挠度(6)弹性挠度。图1为成人湿润腓骨试件的σ-ε图,如图1所示。通常,皮质骨应变超过2%即可发生骨折,而松质骨应变有时超过7%也不发生骨折,其抗应变能力更强。在外力的作用下,骨的应变随应力变化而变化。应力-应变曲线可分为弹性阶段和塑性阶段。由图1可见,当应变小于0.5%时,骨具有线弹性特性。骨组织是一种非匀质材料,并不具备完好的弹性,因此精确测得的骨骼应力-应变曲线的弹性部分不是直线,但曲度很小。当骨骼在弹性区受载时,可发生一些屈服变形,是由于骨单位的分离和微细骨折。其中A为骨的屈服点,B为断裂点。2应力对骨折愈合的影响骨折是指骨的完整性和连续性中断,通常情况下,骨折是骨骼受到能产生超过正常限度的拉、压应变的应力引起的。骨折的精确位置、性质、骨折线方向和最终愈合速率与年龄和骨骼的精确损伤机制有关。骨折主要包括应力性骨折和病理性骨折。骨折愈合是一个复杂的生物学过程,目前骨折愈合的机制尚不清楚,但目前有多种骨折愈合过程的理论,而公认的骨折愈合过程有两种形式,分为一期愈合(直接愈合)和二期愈合(间接愈合)。研究表明骨折发生后短期内局部组织已释放多种生长因子。至修复后期,骨与软骨细胞仍产生多种生长因子,这些生长因子相互作用,共同促进骨折愈合。应力的种类、大小、刺激方式均能影响骨折愈合。研究表明,应力刺激能够影响骨组织的形态结构、密度分布,骨骼对外加载荷的反应性或功能适应性主要是由骨细胞、骨胶原和骨细胞外液对载荷所形成的应力或应变刺激产生感受,形成复杂的体内自身反馈性调节系统而作用的结果。表现在应力作用的压力侧骨形成增强,而张力侧骨吸收加速。3骨折模型加力分析骨组织对应力具有特殊的适应性,有学者在探索持续动态压应力对实验性骨折愈合的影响的试验中,用形状记忆接骨器固定与加压钢板固定作对比发现,持续动态压应力可以促进骨折愈合。本文采用人体胫骨为研究对象,骨材料的弹性模量取2.0×104N/mm2,骨的密度取1.2×10-6kg/mm3,骨的泊松比取0.35。钢钉的弹性模量取2.0×105N/mm2,钢钉的密度取7.8×10-6kg/mm3,钢钉的泊松比取0.3。骨骼和钢钉模型单元均采用了ANSYS的SOLIDE45单元。成年人体重取65kg,由于模型是半剖面体,所以模型受力大小为159.25N。对模型采用两种不同的加力方式:一种是在骨骼模型顶部的节点上加载均布力,均布力大小为2.7N;另一种是在模型对称中心处加载集中力,大小为159.25N。在模型底部加载固定约束,使其在X、Y、Z三个方向上均不发生位移。在模型的对称平面上施加Z方向上的位移约束,使其在Z方向上不发生位移。模型是对称结构,模型所加的约束也是对称约束,所以其应力云图也应是对称的,从实验结果来看,虽然加力方式不同,但所得到的应力云图也是基本上完全对称的,这与推断是一致的。通过观察实验结果,可发现在不加钢钉时(图2)骨骼模型的最大等效应力通常发生在模型截面最窄处,这既与人体骨折的实际情况相符,也与推断一致。在加入钢钉后(图3),骨骼模型的等效应力明显减小。此时,最大等效应力通常发生在骨骼模型的顶端和底部,这是因为模型顶端和底部易发生应力集中效应。通过对比未加钉和加钉时不同受力方式的等效应力云图,可发现受均布力的模型的最小等效应力和受集中力的模型的最小等效应力大小差别很小,但最大等效应力相差却很大。在未加钉的情况下,受均布力的模型的最小等效应力为0.007658MPa,最大等效应力为1.033MPa,而受集中力的模型的最小等效应力为0.007743MPa,最大等效应力为4.809MPa。在加钉情况下,受均布力的模型的最小等效应力为0.001195MPa,最大等效应力为0.63MPa,而受集中力的模型的最小等效应力为0.00251MPa,最大等效应力为4.603MPa。这说明,在均布力作用下,模型的等效应力更小,这也与实际受力情况更加接近。而受力方式的不同主要影响模型的最大等效应力。通过对比骨骼的第一主应力、第三主应力和等效应力的极值可知,骨骼模型的应力主要为压应力,这与实际情况是一致的。4持续动态压应力对骨折愈合的影响本文介绍了骨的力学特性、骨折的愈合过程和骨折愈合机制的研究进展,分析了应力对骨折愈合的影响,并着重分析了持续动态压应力对骨折愈合的影响。应力影响骨细胞的代谢、分泌、分裂、传代,从而影响骨折处的生物学环境,适宜范围内的应力可以促进骨骼的愈合,过大或过小的应力都会对骨折愈合造成不利的影响,导致骨愈合延迟甚至骨不连。不同种类骨折固定原则和固定方式不同,任何固定方式都会引起不同程度的应力遮挡效应,应力遮挡效应影响骨折愈合的质量,造成不同程度的骨质疏松,骨折固定时需考虑尽量降低应力遮挡率,骨骼愈合拆除固定物之后仍需要进行一定的恢复锻炼。持续动态压应力对骨折愈合的促进作用十分明显,随着愈合组织