应力遮挡效应—寻找丢失的钥匙

· 62 · 2002 应力遮挡效应一寻找丢失的钥匙 刘振 东 范清宇 应力遮挡效应问题讨论了半个多世 纪 ，到目前为止仍然面临很大的困惑。由 于骨折愈合机制尚不咀确，应力遮挡的理 论和实验研究受到很大的制约。一方面表 现为可检索查新的相关文献很少 ，另～方 面则表现为概念的混乱和歧义。最初的应 力遮挡效应被用以解释坚强内固定物所 致的不良结局，如延迟愈合，不愈合以及 去除内固定后的再骨折现象等 一I。而最 近的某些观点认为应力遮挡效应并不明 显。甚至早期还有一定益处 ‘。因此。有 必要对一些历史概念进行反思和重新定 义。 以下是有关应力遮挡力学概念 的两 个定义： 定义 1：当不同弹性模量的成分并联 承担载荷时，较高弹性模量的成分承担较 多的载荷，即对低弹性模量成分起到应 力 、应变遮挡作用 。 定义 2：两种或两种以上材料组成一 个机械系统时，弹性模量较大的材料承担 更多的负荷 。 上述两个定义大同小异，但隐含了两 个前提条件。一是不同弹性模量的材料应 该是完整的，如果其中一种材料发生不规 则断裂 ，其应力分担情况则视断裂部位的 接触情况而改变。二是两种材料的形状体 积相当。若把一根铁丝和一根木桩并联在 一 起 ，谁来承担更多的负荷是显而易见 的。而骨干和各种固定材料的形状体积有 显著差别。在实验中，无论是钢板还是外 固定架，其应力遮挡率均小于 50％，体外 测定单 臂外 固定架 的应力遮挡率仅 为 6．1％ I，即骨折固定材料在多数情况下 并非承担较多的负荷。 作者单位：118000 辽宁省丹东市，解放 军二三O医院骨科 (刘振东)；第四军医大学唐 都医 骨科(范清宇) 综上所述 ，不能把应力遮挡的传统定 义简单地引入骨折治疗领域。我们可以把 固定材料对骨骼生理应力的分流现象称 为固定材料对骨骼的应力遮挡。新的定义 一 方面抛开了弹性模量概念的束缚 ，以往 曾试图寻找低弹性模量材料来降低应力 遮挡效应 一I，几十年的事实已证明并无 多大的实际应用价值；另一方面兼顾了串 联和并联两种情况 ，既可以反映稳定的静 力系统，又可以反映不稳定的动力系统， 而不论固定材料分担了多少应力。因此， 新的定义涵盖更广 。 新的定义明确了减少固定材料的应 力分流来降低应力遮挡效应的思想。近几 十年的临床研究与实践已经证明，改变固 定材料的几何形状设计是降低应力遮挡 效应的有效途径。尽管 AO学派倾向否定 应力遮挡效应 一I，其由坚强内固定到稳 固内固定的思想转变是通过降低钢板的 厚度 、改变钢板的几何形状设计来实现 的。有资料表明用高强度钢板固定前臂骨 折 ，取钢板后的再骨折率显著增高 。I。 应力遮挡效应是指由于固定材料的力 学分流对骨骼所造成的强度降低及愈合延 迟等生物学影响。应力遮挡与应力遮挡效 应有着密切的联系 ，但二者不能混为一 谈。固定材料的坚强与否是相对于被固定 骨骼而言，同一种固定材料的小动物实验 结果和人体临床应用结果差别巨大，是因 为固定材料相对于动物的骨骼来说是过于 坚强了 I。同理可推，同一固定材料用于儿 童的应力遮挡效应将比用于成人更显著。 尽管少年儿童的骨折易于愈合，但发生于 少年儿童的再骨折现象并非少见⋯I。 下 面回顾一个有关骨折愈合的重要 概念。McKibbint I注意到这样一位患者， 一 侧小腿骨折保守治疗，另一侧小腿创伤 性截肢 。6周后，保守治疗的骨折端产生 了丰富的骨痂，而形成鲜明对照的是 ，截 nJ 0rthoo Trauma．Aoril 2 · 综 述 · 肢的骨残端几乎没有反应(图 1)。于是他 用老鼠做实验 ，老鼠截肢后的骨残端也发 生修复性骨痂反应，但由于缺乏远端的应 力刺激，两周后这种骨痂反应即停止生长 而发生退化。他把这种短时的一次性的骨 痂反应称为初始骨痂反应 (Primary callus response，PCR)o 图 1 一侧胫骨骨折的骨痂反应 与另一侧小腿截肢残端无骨痂生长 PCR远远不能解释临床骨折愈合所 需要的漫长时间，因此有人推论 ，骨折愈 合需要一个长期依赖于骨折远端存在的 继发动力。很显然 ，骨折远端并不能提供 新的物质。最合理的解释是，骨折近远端 的相互作用只不过是复制了损伤反应，进 而反复地重复了PCR。因此，所谓依赖于 骨折远端的继发动力在本质上与 PCR是 一 致的。假设每一次微损伤产生一次修复 性 PCR，那么，整个骨折愈合过程就是无 数次 PCR的积累。在这个前提下 ，PCR应 具备如下特点： 饱和性：在一定范围内，PCR随损伤 强度而增强，但存在饱和极限 (图2)。这 与局部空间大小及所能容纳的细胞和分 子浓度有关。 ‘ ∈ ●E § § F ； ，t l } l E l ( ． ．， 维普资讯 http://www.cqvip.com 平衡点：指刚好能被 PCR所修复的损 伤强度。大于该强度的损伤都是破坏性的， 而小 于 该 强度 的损 伤 则 产生 过 修 复 (surplus repair)。过修复的积累是临床骨折 愈合的源泉(图2)。骨折愈合需要一个最佳 的应力范围已被实验证实” 。 Y PCR 修 复 强 度 损伤强度 x 图 2 PCR的饱和曲线 ：B(b，b)为 平衡点。一次 PCR不能修复一次大于 b 的损伤，但对于小于 b的损伤则可以产 生过修复(surplus repair)。 不应期：在一次微损伤之后，即刻的 再 次损 伤将 不 产 生 或 只 产 生微 弱 的 PCR。不应期可以解释骨折断端明显的异 常活动可致骨不连。 复制是生命现象最基本的规律。从蛋 白质到核酸，从组织到器官以至更复杂的 生命现象，重复最能体现生命的稳定性和 高效率。初始骨痂反应的概念是骨折愈合 研究领域的一个里程碑，因为它概括了骨 折愈合过程的基本事件 ，和普通伤口愈合 一 样历时约两周。PCR是骨折一期愈合 、二 期愈合以及骨延长愈合的共同基础。尽管 有作者认为骨延长的骨生成机制与骨折愈 合不同 1“· I，但二者具有相同的细胞分子 基础显而易几尢．其起点和终点亦相同 1 ， Kenwright曾精辟地指出，上述所谓的不同 愈合方式是由固定装置决定的 ” ，并不能 反映机体内在的愈合机制。 Turner在《Bone》杂志上讲述了一个小 故事” ，大意是：在一个晚上．一个醉汉在 街灯下耐心地跪爬着寻找东西．原来他丢 失了汽车钥匙 问他在哪里丢的，他指向远 处很黑的地方说：“在那边 ”又问：“为什么 在这儿找?”回答道：“这里有光亮?” 科学史上也有这样的情况 ．人们时常 徘徊在错误的地方去寻找正确的答案 以 往一直认为钢板下的皮质骨疏松是应力 遮挡效应的主要表现，但 AO组织的实验 工作有力地否定 了这一观点 ”· 。如果简 单地用骨质疏松来解释应力遮挡效应．那 Trauma．ADril 2002．Vo1．4．N 么取钢板后的再骨折理应发生在应力集 中的钉孑L部位，但在两组前臂取钢板术后 发生再骨折的中仅有 l例经过钉孑L， l0例经过原骨折线，3例经过骨折线延伸 过钉孑L 1 8,19I。用钢板下皮质骨缺血似乎也 能解释再骨折问题，但却很难解释完全的 不愈合以及外固定架带来的问题 ，Miner 等报道一组用外固定架治疗儿童股骨干 骨折的病例，再骨折率高达 20％⋯J。 那么．应力遮挡还有其他的生物学效 应吗?事实实在是太明显以至于熟视无 睹。早在二十世纪四十年代，AO组织就注 意到坚强内固定的直接生物学效应就是 抑制了骨痂形成 ．但认为骨痂是保守治疗 的产物。甚至是不必要的病理结构1 2OI。由 于 AO组织在骨折治疗方面取得了巨大 成功，伴随其直接愈合理论而忽视骨痂作 用的观念影响至今。已经有人提出重新重 视和评价骨痂的作用 · I。骨痂是机体对 骨组织损伤的正常生理性修复反应，忽视 骨痂的生理作用就等于把解释应力遮挡 问题的钥匙丢进了黑暗之中。 为讨论方便 ．引入一个新的概念，把 因应力分流而受到遮挡的骨折 间隙称为 应力保护空间(图 3)。应力遮挡效应主要 发生在应力保护空间内，其主要机制是抑 制了骨痂形成反应。骨折断端间力的传导 可造成微损伤效应 ，是骨痂形成反应得以 重复和延续的基本条件。即使在没有介入 性 固定的时候也可 以发生应力遮挡 效 应。主要有两种情况：非解剖复位本身即 可降低骨折间隙的弹性而产生遮挡。双骨 折先愈合的一方可以妨碍另一方的愈合 ， 如腓骨遮挡，腓骨切断术仍为治疗胫骨骨 不连可以选择的术式之一1 。可以把这两 种 情 况 称 为 自 身 应 力 遮 挡 (self-stress．protection)(图 3)。 图3 (1)解剖复位，骨折问隙为弹 性空间。(2)孑L形骨缺损，形成应力保护空 间。(3)非解剖复位，骨折问隙弹性降低， 形成 自身遮挡 (selGstress．protection)。 · 63 · 综上所述 ，应力遮挡效应是影响骨折 愈合最重要的负面因素之一。应力遮挡效 应的大小不但取决于固定材料的应力分 流，更主要地取决于骨折断端问的应力传 导。在同样固定条件下，骨折断端所受到 的应力刺激随肢体功能状态而改变。保护 下的负重锻炼有助于增加骨折断端间的 应力传导，从而减少应力遮挡效应，促进 骨折愈合。非解剖复位 ，间隙过大或缺损 状态下的钢板固定是手术失败的重要原 因。应力遮挡效应不但与固定材料的强度 有关，也与l临床医生对骨折愈合的理解 ， 以及术后对患者功能锻炼的指导等密切 相关。 参 考 文 献 1 Uhthoff HK，Finnegan M．The 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