應(yīng)力遮擋效應(yīng)

1、應(yīng)力遮擋效應(yīng)一尋找丟失的鑰匙劉振東范清宇應(yīng)力遮擋效應(yīng)問題討論了半個多世紀(jì)，到目前為止仍然面臨很大的困惑。由 于骨折愈合機(jī)制尚不明確，應(yīng)力遮擋的理論和實驗研究受到很大的制約。一方面 表現(xiàn)為可檢索查新的相關(guān)文獻(xiàn)很少，另一方面則表現(xiàn)為概念的混亂和歧義。最初 的應(yīng)力遮擋效應(yīng)被用以解釋堅強(qiáng)內(nèi)固定物所致的不良結(jié)局，如延遲愈合，不愈合 以及去除內(nèi)固定后的再骨折現(xiàn)象等1，2。而最近的某些觀點認(rèn)為應(yīng)力遮擋效應(yīng) 并不明顯，甚至早期還有一定益處3-5。因此，有必要對一些歷史概念進(jìn)行反思 和重新定義。以下是有關(guān)應(yīng)力遮擋力學(xué)概念的兩個定義：定義1，當(dāng)不同彈性模量的成分并聯(lián)承擔(dān)載荷時，較高彈性模量的成分承擔(dān) 較多的載荷，

2、即對低彈性模量成分起到應(yīng)力、應(yīng)變遮擋作用。6定義2,兩種或兩種以上材料組成一個機(jī)械系統(tǒng)時，彈性模量較大的材料承 擔(dān)更多的負(fù)荷。2, 5上述兩個定義大同小異，但隱含了兩個前提條件。一是不同彈性模量的材料 應(yīng)該是完整的，如果其中一種材料發(fā)生不規(guī)則斷裂，其應(yīng)力分擔(dān)情況則視斷裂部 位的接觸情況而改變。二是兩種材料的形狀體積相當(dāng)。若把一根鐵絲和一根木樁 并聯(lián)在一起，誰來承擔(dān)更多的負(fù)荷是顯而易見的。而骨干和各種固定材料的形狀 體積有顯著差別。在實驗中，無論是鋼板還是外固定架，其應(yīng)力遮擋率均小于 50%，體外測定單臂外固定架的應(yīng)力遮擋率僅為6.1%7，即骨折固定材料在多數(shù) 情況下并非承擔(dān)較多的負(fù)荷。綜上所述

3、，不能把應(yīng)力遮擋的傳統(tǒng)定義簡單地引入骨折治療領(lǐng)域。我們可以 把固定材料對骨骼生理應(yīng)力的分流現(xiàn)象稱為固定材料對骨骼的應(yīng)力遮擋。新的定 義一方面拋開了彈性模量概念的束縛，以往曾試圖尋找低彈性模量材料來降低應(yīng) 力遮擋效應(yīng)2, 8，幾十年的事實已證明并無多大的實際應(yīng)用價值；另一方面兼 顧了串聯(lián)和并聯(lián)兩種情況，既可以反映穩(wěn)定的靜力系統(tǒng)，又可以反映不穩(wěn)定的動 力性系統(tǒng)，也不論固定材料分擔(dān)了多少應(yīng)力。因此，新的定義涵蓋更廣。新的定義明確了減少固定材料的應(yīng)力分流來降低應(yīng)力遮擋效應(yīng)的思想。近幾 十年的臨床研究與實踐已經(jīng)證明，改變固定材料的幾何形狀設(shè)計是降低應(yīng)力遮擋 效應(yīng)的有效途徑。盡管AO學(xué)派傾向否定應(yīng)力遮擋效

4、應(yīng)3,9，其由堅強(qiáng)內(nèi)固定到 穩(wěn)固內(nèi)固定的思想轉(zhuǎn)變是通過降低鋼板的厚度、改變鋼板的幾何形狀設(shè)計來實現(xiàn) 的。有資料表明用高強(qiáng)度鋼板固定前臂骨折，取鋼板后的再骨折率顯著增高10。應(yīng)力遮擋效應(yīng)是指由于固定材料的力學(xué)分流對骨骼造成強(qiáng)度降低及愈合延 遲等生物學(xué)影響。應(yīng)力遮擋與應(yīng)力遮擋效應(yīng)有著密切的聯(lián)系，但二者不能混為一 談。固定材料的堅強(qiáng)與否是相對于被固定骨骼而言，同一種固定材料的小動物實 驗結(jié)果和人體臨床應(yīng)用結(jié)果差別巨大，是因為固定材料相對于動物的骨骼來說是 過于堅強(qiáng)了 4。同理可推，同一固定材料用于兒童的應(yīng)力遮擋效應(yīng)將比用于成 人更顯著。盡管少年兒童的骨折易于愈合，但發(fā)生于少年兒童的再骨折現(xiàn)象并非 少

5、見11。下面回顧一個有關(guān)骨折愈合的重要概念。McKibbin12注意到這樣一位患 者，一側(cè)小腿骨折保守治療，另一側(cè)小腿創(chuàng)傷性截肢。6周后，保守治療的骨折 端產(chǎn)生了豐富的骨痂，而形成鮮明對照的是，截肢的骨殘端幾乎沒有反應(yīng)（圖1）。于是他用老鼠做實驗，老鼠截肢后的骨殘端也發(fā)生修復(fù)性骨痂反應(yīng)，但由于缺乏 遠(yuǎn)端的應(yīng)力刺激，兩周后這種骨痂反應(yīng)即停止生長而發(fā)生退化。他把這種短時的 一次性的骨痂反應(yīng)稱為初始骨痂反應(yīng)（Primary callus response, PCR）。PCR遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能解釋臨床骨折愈合所需要的漫長時間，因此有人推論，骨折愈 合需要一個長期的依賴于骨折遠(yuǎn)端存在的繼發(fā)動力。很顯然，骨折遠(yuǎn)端并

6、不能 提供新的物質(zhì)。最合理的解釋是，骨折近遠(yuǎn)端的相互作用只不過是復(fù)制了損傷反 應(yīng)，進(jìn)而反復(fù)地重復(fù)了 PCR。因此，所謂依賴于骨折遠(yuǎn)端的繼發(fā)動力在本質(zhì)上與 PCR是一致的。假設(shè)每一次微損傷產(chǎn)生一次修復(fù)性PCR，那么，整個骨折愈合過 程就是無數(shù)次PCR的積累。在這個前提下，PCR應(yīng)具備如下特點：飽和性：在一定范圍內(nèi)，PCR隨損傷強(qiáng)度而增強(qiáng)，但存在飽和極限（參圖2）。 這與局部空間大小及所能容納的細(xì)胞和分子濃度有關(guān)。p mi祖圖2.FCR的飽和曲線：B心b為平衡點. 一次FCR不能修復(fù)一次大于b的損傷, 但對于小于b的損傷則可以產(chǎn)生過修復(fù)（surplus repairo平衡點：指剛好能被PCR所修復(fù)

7、的損傷強(qiáng)度。大于該強(qiáng)度的損傷都是破壞 性的，而小于該強(qiáng)度的損傷則產(chǎn)生過修復(fù)（surplus repair）。過修復(fù)的積累是臨床骨 折愈合的源泉（圖2）。骨折愈合需要一個最佳的應(yīng)力范圍已被實驗證實和人們接 受13。不應(yīng)期:在一次微損傷之后，即刻的再次損傷將不產(chǎn)生或只產(chǎn)生微弱的PCR。 不應(yīng)期可以解釋骨折斷端明顯的異?；顒涌芍鹿遣贿B。重復(fù)與復(fù)制是生命現(xiàn)象最基本的規(guī)律。從蛋白質(zhì)到核酸，從組織到器官以至 更復(fù)雜的生命現(xiàn)象，重復(fù)最能體現(xiàn)生命的穩(wěn)定性和高效率。初始骨痂反應(yīng)的概念 是骨折愈合研究領(lǐng)域的一個里程碑，因為它概括了骨折愈合過程的基本事件，和 普通傷口愈合一樣歷時約兩周。PCR是骨折一期愈合，二期愈

8、合以及骨延長愈合 的共同基礎(chǔ)。盡管有作者認(rèn)為骨延長的骨生成機(jī)制與骨折愈合不同14, 15，但 二者具有相同的細(xì)胞分子基礎(chǔ)顯而易見，其起點和終點亦相同16。Kenwright 曾精辟地指出，上述所謂的不同愈合方式是由固定裝置決定的13，并不能反映 肌體內(nèi)在的愈合機(jī)制。Turner在Bone雜志上講述了一個小故事17，大意是：在一個晚上，一 個醉漢在街燈下耐心地跪爬著尋找東西，原來他丟失了汽車鑰匙。問他在哪里丟 的，他指向遠(yuǎn)處很黑的地方：“在那邊。”又問：“為什么在這兒找？ ”回答道：“這 里有光亮?！笨茖W(xué)史上也有這樣的情況，人們時常徘徊在錯誤的地方去尋找正確的答案。 以往一直認(rèn)為鋼板下的皮質(zhì)骨疏

9、松是應(yīng)力遮擋效應(yīng)的主要表現(xiàn)，但AO組織的實 驗工作有力地否定了這一觀點3, 9。如果簡單地用骨質(zhì)疏松來解釋應(yīng)力遮擋效 應(yīng)，那么取鋼板后的再骨折理應(yīng)發(fā)生在應(yīng)力集中的釘孔部位，但在兩組前臂取鋼 板術(shù)后發(fā)生再骨折的報告中僅有1例經(jīng)過釘孔，10例經(jīng)過原骨折線，3例經(jīng)過骨 折線延伸過釘孔18, 19。用鋼板下皮質(zhì)骨缺血似乎也能解釋再骨折問題，但卻 很難解釋完全的不愈合以及外固定架帶來的問題，Miner等報道一組用外固定架 治療兒童股骨干骨折的病例，再骨折率高達(dá)20%11。那么，應(yīng)力遮擋還有其他的生物學(xué)效應(yīng)嗎？事實實在是太明顯以至于熟視無 睹。早在二十世紀(jì)四十年代，AO組織就注意到堅強(qiáng)內(nèi)固定的直接生物學(xué)效

10、應(yīng)就是 抑制了骨痂形成，但認(rèn)為骨痂是保守治療的產(chǎn)物，甚至是不必要的病理結(jié)構(gòu)20。 由于AO組織在骨折治療方面取得了巨大成功，伴隨其直接愈合理論而忽視骨痂 作用的觀念影響至今。已經(jīng)有人提出重新重視和評價骨痂的作用8,12。骨痂是 機(jī)體對骨組織損傷的正常的生理性修復(fù)反應(yīng)，忽視骨痂的生理作用就等于把解釋 應(yīng)力遮擋問題的鑰匙丟進(jìn)了黑暗之中。為討論問題方便，引入一個新的概念，把因應(yīng)力分流而受到遮擋的骨折間隙 稱為應(yīng)力保護(hù)空間（圖3）。應(yīng)力遮擋效應(yīng)主要發(fā)生在應(yīng)力保護(hù)空間內(nèi)，其主要機(jī) 制是抑制了骨痂形成反應(yīng)。骨折斷端間力的傳導(dǎo)可造成微損傷效應(yīng)，是骨痂形成 反應(yīng)得以重復(fù)和延續(xù)的基本條件。即使在沒有介入性固定的

11、時候也可以發(fā)生應(yīng)力 遮擋效應(yīng)。主要有兩種情況：非解剖復(fù)位本身即可降低骨折間隙的彈性而產(chǎn)生遮 擋。雙骨折先愈合的一方可以妨礙另一方的愈合，如腓骨遮擋，腓骨切斷術(shù)仍為 治療脛骨骨不連可以選擇的術(shù)式之一21。可以把這兩種情況稱為自身應(yīng)力遮擋 （self-stress-protection）（圖 3）。(1)解剖復(fù)位，骨折間隙為彈性空間。圖3、(2)孔形骨缺損，形成應(yīng)力保護(hù)空間。(3)非解、剖冬位,骨折間隙彈性降低，形成 自 身遮擋(self-stress-protect ion)。綜上所述，應(yīng)力遮擋效應(yīng)是影響骨折愈合的最重要的負(fù)面因素之一。應(yīng)力遮 擋效應(yīng)的大小不但取決于固定材料的應(yīng)力分流，更主要地取

12、決于骨折斷端間的應(yīng) 力傳導(dǎo)。在同樣固定條件下，骨折斷端所受到的應(yīng)力刺激隨肢體功能狀態(tài)而改變。 保護(hù)下的負(fù)重鍛煉有助于增加骨折斷端間的應(yīng)力傳導(dǎo)，從而減少應(yīng)力遮擋效應(yīng)， 促進(jìn)骨折愈合。非解剖復(fù)位，間隙過大或缺損狀態(tài)下的鋼板固定是手術(shù)失敗的重 要原因。應(yīng)力遮擋效應(yīng)不但與固定材料的強(qiáng)度有關(guān)，也與臨床醫(yī)生對骨折愈合的 理解，以及術(shù)后對患者功能鍛煉的指導(dǎo)等密切相關(guān)。參考文獻(xiàn)Uhthoff HK, Finnegan M. The effects of metal plates on post-traumatic remodeling and bone mass. J Bone Joint Surg 1983

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