牽張速率對牽張成骨區(qū)骨再生與礦化影響的研究進(jìn)展

劉 凱 綜述， 艾合買提江·玉素甫 審校

20世紀(jì)50年代Ilizarov發(fā)現(xiàn)并命名的牽張成骨(DO)技術(shù)已在創(chuàng)傷、矯形等骨科手術(shù)中應(yīng)用廣泛[1-9]。該技術(shù)旨在將骨痂愈合機(jī)制與機(jī)械牽張力的生物力學(xué)性質(zhì)相結(jié)合，在牽引間隙以可調(diào)控的方式形成新骨，恢復(fù)骨長度。對長骨而言，1 mm/d的牽拉速度是被學(xué)者普遍認(rèn)可的[1,10-19]。但因從帶架直到形成新骨礦化的周期較長，使該技術(shù)也伴隨較多的并發(fā)癥，骨不愈合是其中之一。盡管已有研究描述了手術(shù)、物理和藥物等干預(yù)措施以確保在DO過程中成功形成新骨[20-24]，但這些方法因價格昂貴、操作繁瑣有時在臨床上難以施行。

DO的療程和效果很大程度上由骨再生及礦化的過程所決定，其中牽拉速度和頻率對牽張區(qū)再生骨質(zhì)量的影響越來越得到學(xué)者們的重視。近年來，基于DO的交替牽拉-壓縮(CDC)技術(shù)以張力-應(yīng)力法則為基準(zhǔn)[25-27]，憑借骨愈合所需的斷端生物應(yīng)力刺激，為骨愈合創(chuàng)造有利的力學(xué)環(huán)境，一定程度上縮短了骨礦化及帶架時間。此外，該技術(shù)操作簡便，避免了多次手術(shù)治療造成的血管、軟組織損傷等手術(shù)創(chuàng)傷，進(jìn)一步降低了骨不連的發(fā)生率。故有學(xué)者[24]嘗試分別在牽張期、礦化期運(yùn)用不同的CDC技術(shù)促進(jìn)新骨再生，縮短治療周期，以減輕牽張操作及帶架給患者帶來的痛苦，但目前仍無確定的治療標(biāo)準(zhǔn)。因此，本文從速度、頻率、幅度、周期4個方面進(jìn)行文獻(xiàn)綜述，探討牽張速率對牽張成骨區(qū)骨再生與礦化的影響，為臨床治療提供理論參考。

1 速度

據(jù)報(bào)道[28-33]，牽拉速度在很大程度上影響著牽張區(qū)新骨的形成。1 mm/d的牽張速度是被普遍認(rèn)可的，<1 mm/d 的牽張速度會延緩骨形成，適當(dāng)增加牽拉速度對血運(yùn)和肌組織有積極作用。1～1.5 mm/d的牽拉速度可在牽張區(qū)創(chuàng)造低氧環(huán)境，并保持良好的血管連續(xù)性，刺激血管再生為新骨的形成提供豐富的血氧條件，加速新骨形成及礦化。但速度>1.5 mm/d時，易發(fā)生纖維融合或軟骨增生。

Ilizarov et al于1997年在動物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，以2 mm/d的速度延長及固定4周后，骨折端以結(jié)締組織愈合；速度為1 mm/d時，則為骨痂愈合。Mills et al[34]在綿羊下頜骨牽張模型研究牽拉速度對新骨形成的生物力學(xué)、礦化和組織學(xué)特性的影響時發(fā)現(xiàn)，新骨礦化效果1 mm/d的牽拉速度優(yōu)于2～4 mm/d。Black et al[28]在類似的研究中也發(fā)現(xiàn)，牽拉速度>1 mm/d時，纖維骨量隨牽拉速度的增加而增加，而新骨量相對減少。對長骨的研究[35]結(jié)果顯示，當(dāng)每天牽拉超過1.5 mm時，顯著延遲牽張區(qū)骨形成，造成不完全骨痂對合；當(dāng)每天牽拉0.5 mm時，骨形成變緩致早期骨痂對合，造成延長受阻。臨床應(yīng)用中多采用1 mm/d的牽張速度。Matsuhashi et al[4]采用了壓縮-牽張-再壓縮方法成功治愈了2例股骨骨折術(shù)后骨不連接患者，牽拉速度為1 mm/d。Biz et al[5]以1 mm/d的牽拉速度成功治愈72例非感染性長管狀骨骨不愈合患者。Szelerski et al[9]以1 mm/d的速度成功治愈了75例髓內(nèi)釘術(shù)后骨不愈合患者。

2 頻率及幅度

頻率及幅度意為達(dá)到牽拉速度而每日實(shí)施牽拉的次數(shù)及相匹配的長度。在適宜牽拉速度范圍內(nèi)，牽拉頻率與形成新骨的能力成正比，幅度與其成反比。在牽拉-壓縮過程中，幅度過大的牽拉力會造成牽張區(qū)軟組織中的血管破裂并形成微血腫，使愈合過程中斷，小幅度牽拉則無這些不良反應(yīng)。Ilizarov et al于1997年在狗脛骨的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率為60次、幅度為每次0.017 mm時，不易在牽張區(qū)產(chǎn)生纖維結(jié)締組織，礦化1個月后的骨密度與正常骨類似，而牽拉幅度為每次1 mm時的實(shí)驗(yàn)動物在礦化半年后才能達(dá)到正常骨密度。另外，Paley et al[29]的研究表明，在間歇牽張過程中，牽張裝置突然激活造成的微創(chuàng)傷在連續(xù)激活時會消失。Poort et al[30]在應(yīng)用液壓牽張器建立豬下頜骨牽張模型的研究中顯示，持續(xù)高頻率、低幅度的低牽拉力刺激牽張區(qū)成骨的效果優(yōu)于間斷高牽拉力。因此，持續(xù)高頻率、低幅度牽拉可以加速成骨。大多數(shù)學(xué)者[1,3-5,9-11]推薦速度為1 mm/d時, 頻率為每天 2～4次，每次幅度0.25～0.50 mm。

目前，以液壓驅(qū)動原理設(shè)計(jì)的自動牽張裝置因其準(zhǔn)確、持續(xù)及高效牽張的優(yōu)勢被學(xué)者關(guān)注。Ploder et al于1999年使用了第一臺電動牽張成骨(ACDO)裝置，該裝置能夠以0.04 mm/h的速度牽拉搬移夾塊。隨后Crane et al于2004年對ACDO程序的電機(jī)驅(qū)動機(jī)制進(jìn)行了可行性研究，使ACDO裝置允許的最大牽張距離達(dá)到15 mm。Zheng et al于2008年在兔下頜骨牽張模型中應(yīng)用1.5 V紐扣鋰電池作動力驅(qū)動的ACDO并以每秒8次、每天2圈的速度牽拉，取得了良好的牽張區(qū)骨愈合效果。Hatefi et al[31]于2019年研制了精度為7.6 nm、平均誤差為每次0.06 nm的電機(jī)驅(qū)動ACDO裝置，證實(shí)了高頻率、低幅度的牽拉新骨形成效果更好。筆者認(rèn)為ACDO技術(shù)的進(jìn)步有望將高頻率、低幅度牽張力在臨床治療中普及，但最佳的牽拉頻率及幅度仍未可知。

3 周期

完成一次DO所經(jīng)歷的時間即為周期。依據(jù)牽張長度的大小，周期也長短不一。Ilizarov et al于1988年將DO過程分為3個階段：潛伏期、牽張期、固定期。潛伏期是截骨術(shù)后至牽張期開始前，一般為5～7 d。潛伏期的生物活性與骨折愈合初期相似，主要表現(xiàn)為血腫形成，骨折端的骨細(xì)胞、破損的骨膜等發(fā)生壞死，并釋放多種成骨因子[32-35]。牽張期是利用牽張裝置以恒定的速度持續(xù)穩(wěn)定的牽張-分離兩截骨端。在持續(xù)穩(wěn)定的機(jī)械拉力刺激下，牽張區(qū)的成骨細(xì)胞及成骨因子處于高活性狀態(tài)，持續(xù)發(fā)生牽張間隙內(nèi)骨生成的級聯(lián)反應(yīng)。牽張期結(jié)束后即進(jìn)入到固定期，在穩(wěn)定的固定條件下，牽張區(qū)的類骨質(zhì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為礦化骨。在DO過程中，牽張長度決定著牽張期時長，固定期則提示著牽張間隙骨痂塑形及鈣鹽沉積情況。隨著牽張長度的增加，DO周期也不可避免的被延長，使并發(fā)癥發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)增大，如釘?shù)栏腥?、牽張區(qū)延遲愈合或不愈合。為加速牽張區(qū)新骨形成，減少并發(fā)癥，縮短DO周期，多節(jié)段DO技術(shù)、聯(lián)合髓內(nèi)釘或加壓鋼板的改良DO技術(shù)、CDC技術(shù)等被應(yīng)用于臨床[5,9,12,32-35]。另外，一些物理、藥物等干預(yù)措施也被證實(shí)可在DO過程中成功加速骨形成，縮短DO周期，但這些方法因價格昂貴、操作繁瑣多停留在實(shí)驗(yàn)階段[20-24]。

CDC技術(shù)應(yīng)用于固定期，因其遵循張力-應(yīng)力法則，且具有貼合人體生理性成骨過程的優(yōu)勢，在加速骨形成的同時減少了延遲愈合、不愈合等并發(fā)癥的發(fā)生，可有效縮短DO周期。Biz et al[5]在成功治療72例股骨干骨折不愈合患者時，運(yùn)用的CDC方案為：壓縮期0.5 mm/d×7 d，7 d間歇期后，牽拉期0.5 mm/d×7 d，循環(huán)反復(fù)至骨愈合。Szelerski et al[9]在治療24例脛骨創(chuàng)傷后假關(guān)節(jié)患者時應(yīng)用的CDC方案為：壓縮期1 mm/d×7 d，牽拉期0.5 mm/d×7 d，反復(fù)4個周期，患者均獲得骨愈合。Baruah et al[36]成功治愈了1例因骨發(fā)育不良造成的頑固性骨不愈合患者時設(shè)計(jì)的CDC方案：壓縮期0.5 mm/d×7 d，牽拉期0.5 mm/d×7 d，間歇3～5 d，循環(huán)3個周期后，再以0.25 mm每3天的速度壓縮至骨愈合。另外，Matsuhashi et al[4]成功治愈5例非感染性長骨骨折不愈合患者采用的CDC方案：先對不愈合端加壓并維持2周，然后以1 mm/d的速度逐漸牽拉10～14 mm，維持2周后再以1 mm/d的速度進(jìn)行壓縮，循環(huán)反復(fù)直至斷端愈合。因此，在固定期應(yīng)用CDC技術(shù)可有效預(yù)防牽張區(qū)延遲愈合或不愈合。多數(shù)學(xué)者[6,19-21,29-32,36-38]在應(yīng)用CDC技術(shù)時認(rèn)為，壓縮后間歇再進(jìn)行牽拉是有必要的，間歇期給予了新生血管爬行及成骨細(xì)胞適應(yīng)力學(xué)改變的時間，防止應(yīng)力變化過快造成二次損傷。如同在潛伏期，允許前成骨細(xì)胞或成骨細(xì)胞在此期間釋放多種成骨因子，促進(jìn)骨形成。然而，國內(nèi)外研究主要將加快牽張區(qū)成骨的重心置于縮短固定期，對CDC技術(shù)如何應(yīng)用于牽張期尚無定論。

4 總結(jié)

牽拉速度、頻率、幅度及周期對于DO術(shù)后成骨效果的影響是顯著的。牽拉速度較大時，頻率慢，幅度大而周期長，牽張區(qū)出現(xiàn)纖維組織連接或軟骨增生；牽拉速度較小時，頻率快、幅度小而周期短，將延長間隙使新生骨提前閉合。因此，在每日牽拉速度固定的前提下，頻率越高，幅度越小，新骨形成越好，礦化周期越短。但適當(dāng)加快牽拉速率對縮短骨延長周期并獲得切實(shí)臨床療效的具體方案還有待進(jìn)一步研究。