引用本文： 史金友, 肖玉周, 吴敏, 官建中. 微动本质及骨折愈合生物力学分期的研究. 中国修复重建外科杂志, 2021, 35(9): 1205-1211. doi: 10.7507/1002-1892.202103050 复制
微动又称骨折端的间歇性运动，定义为骨折端之间的控制性细微运动，是骨折愈合过程中重要机械参数，可促进骨痂生成、加速骨折愈合[1-2]。近年来，因微动不足导致锁定钢板固定治疗失败的报道逐渐增多，微动的重要性再次受到骨科医生重视[3-4]。为改善骨折端的微动，目前多主张采用弹性固定，重视钢板工作长度的调节作用[5-6]，并开发了自控微动带锁髓内钉[7]、远皮质锁定螺钉[8]和双相钢板[9]等新型内植物。
虽然微动可促进骨折愈合已达成共识，但国内外对微动的幅度、方向、时机和频率等方面尚无统一结论[10-11]，特别是微动的频率和方向，相关研究结论存在矛盾[12]。本文旨在综述微动的相关研究现状，从微动差异性方面分析，尝试提供新的理解角度，为临床医师提供参考。
1 微动与应变的区别与联系
应力可产生微动和应变，在骨折愈合过程中三者间存在相互转化的关系，具有促进/抑制骨折愈合的两面性[13-14]。但微动和应变概念的侧重点不同，微动被定义为骨折端的控制性细微运动，对骨折愈合有促进作用[1-4, 8-9]；而应变被定义为骨折间隙组织所能耐受的形变程度，超过一定应变后组织将发生断裂，如肉芽组织、骨皮质分别可耐受 100% 和 2% 的应变而不发生断裂[15]。
应力是初始作用力，包括剪切力、挤压力、扭转力、牵张力和综合应力，对于采用桥接固定的骨折，钢板通过不同程度应力遮挡将应力转化为自身的弹性形变（即钢板的应变），这种应变再转化为骨折端间的应力。这种应力一方面促进骨折端产生微动，进而发挥促进骨折愈合的作用[1-2]；另一方面使断端之间的组织产生应变，影响骨痂连接[15]。见图 1。虽然，本质上微动、应变都是应力发挥作用，但为了清晰描述应力作用，有必要加以区分。
图1
应力、微动及应变的转化关系
Figure1.
Transformation relations of stress, micromovement, and strain
2 微动研究现状
微动促进骨折愈合的机制可归纳为通过运动刺激骨折端，将机械信号转化为生物学信号[14]，从而启动非特异性炎症和特异性修复[16]，促进 FGF[17]、VEGF 和前列腺素等多种生长因子与炎症介质的释放，以及毛细血管生成[18-19]、MSCs 向成骨细胞转化[20]，增强成骨细胞增殖能力和生物活性，促进骨盐矿化[2]，并完成一次初始骨痂反应。McKibbin[21]研究发现截肢后的老鼠会发生短暂骨痂生长，但由于缺乏应力刺激，2 周后骨痂停止生长并发生退化，这种短暂的骨痂生长则定义为初始骨痂反应。而骨折端的微动可以不断复制初始骨痂反应，从而促进骨痂不断生长，最终实现骨折愈合[22]。
2.1 微动方式
微动方式是微动研究最重要的内容，其可分为主动性和被动性两种方式。主动性微动指通过人体主动负重使内固定发生变化，从而产生骨折断端间运动的相关措施[23]，如自控微动带锁髓内钉[7]、远皮质锁定螺钉[8]等。而被动性微动是外力干预下产生，如相关的气压动力装置、电刺激等，该方式多用于实验性研究。
2.2 微动时机
一般认为早期微动较晚期微动更有利于骨折愈合[10]。Augat 等[24]研究认为虽然内固定术后 3 d 开始微动产生的骨痂量多于第 3 周开始微动，但骨痂质量较低。向明等[10]的研究也得出类似结论，同时认为过早和过晚微动均不利于骨折愈合，建议于术后 1～2 周开始。
2.3 微动幅度
目前多认为骨折端最适宜的轴向微动幅度为 0.2～1.0 mm，超过 2.0 mm 将不利于骨折愈合[9]。在一定范围内微动幅度与骨痂大小成正相关，但超过范围的大幅度微动将引起高应变，进而导致骨痂断裂[8, 12, 14]。
2.4 微动频率
虽然目前观点多倾向于低频率微动可促进骨折愈合[25]，但有研究证明高频率微动亦能促进骨折愈合[26]。Augat 等[27]的动物实验显示在弹性固定条件下，无论高频或低频微动均对骨折愈合无影响。
2.5 微动方向
微动方向可分为轴向和剪切方向两类。目前轴向微动有利于骨折愈合已达成共识[1, 11, 28]，剪切方向微动对骨折愈合的影响尚有争议。有学者认为剪切方向微动不利于 MSCs 分化，易造成骨折端摩擦，对血管和骨痂再生有负面影响[1, 11, 29]。然而，Uzer 等[30]研究发现剪切力不能抑制 MSCs 分化，Bishop 等[31]认为剪切力导致骨折愈合障碍的原因是其造成了不恰当的运动幅度，合理的剪切力仍有利于骨折预后。MacLeod 等[32]研究发现在固定稳定情况下，组合方向的微动对骨折愈合的促进作用可能优于单一轴向微动。
剪切方向微动对骨折愈合的影响暂未形成统一认识[12]。有研究分析了临床髓内钉术后肥大型骨不连（轴向运动被中和）的发生，发现即使骨折端存在剪切方向微动，仍可产生大量骨痂[33]。Park 等[34]的动物实验也发现兔胫骨在承受剪切方向微动情况下仍有大量骨痂形成。目前，骨痂已不再被视为病态结构，而是有益于骨折愈合的重要自然过程[14, 16, 35]，结合上述研究结果提示剪切力具有促进骨折愈合的作用[31, 33]。但实际也存在剪切力促进骨痂产生，而骨折不愈合的现象。我们认为骨折愈合过程应理解为骨痂产生和连接的过程，如骨痂产生或连接发生障碍均会导致骨不连发生，所以剪切力虽然可以促进骨痂产生，但主要集中在剪切界面，应力无法被整个骨折端的组织分散[31]，剪切力过大时就会引起组织发生高应变而导致断裂。
通过文献回顾和对微动方向的分析，我们认为有关微动对骨折愈合影响的探讨应从骨痂层面和骨折愈合层面（包括骨痂产生和骨痂连接的整体层面）入手，包括微动幅度、方向对骨痂层面的影响，以及组织所能耐受的应变大小。
3 微动在骨折愈合过程中的作用
3.1 微动特点
3.1.1 特异性
微动的作用在于刺激骨折端从而启动骨痂生成[1-4]，但启动骨痂生长的刺激因素很多，如肿瘤、血流动力学改变[16]、体外冲击波[36]、低频脉冲超声[37]等。故微动作为骨痂生长的启动因素不具有特异性，但对于内固定患者而言存在一定特异性。
3.1.2 自限性
微动可刺激骨痂产生，产生的骨痂又可以增加骨折端稳定性，从而反馈抑制微动发生[38-41]，构成微动的自限性。这种自限性的意义在于粉碎性骨折逐步愈合为相对简单的骨折过程中，将伴随骨折端微动逐步降低，如钢板固定过于坚强，则骨折难以愈合，这也是粉碎性骨折大多愈合为相对简单骨折而不连接的主要原因[42]。
3.1.3 制约性
骨折间隙是影响骨折愈合的重要因素[12, 41, 43-44]，当骨折间隙较大时，就需要微动不断刺激骨痂产生，以填补骨折间隙，即微动的总量需要与骨折间隙大小相匹配。同时，微动幅度在骨折愈合每个阶段受到相应组织力学特性的制约，其幅度不应引起组织产生过高应变，以免发生组织断裂。
3.2 骨折愈合的生物力学分期
微动可刺激骨痂的产生，由于断端微动将不可避免使组织发生应变而影响骨折端的连接，因此有必要讨论微动和应变在整个骨折愈合过程中的调控作用（图 2）。机械环境的变化贯穿于骨折愈合全过程，不同阶段的组织具有不同力学特性，可耐受的应变大小也不同[15]。我们通过分析微动对骨折愈合的影响，以 Perren 应变理论为指导，从生物力学的角度，在内固定具有足够的抗疲劳性前提下，提出了骨折愈合的生物力学分期，即分为启动期、灌注期、矛盾期、连接期和生理期。
图2
应力对骨折愈合的调控作用
Figure2.
Regulation of stress on fracture healing
3.2.1 启动期
启动期主要产生初始骨痂反应，启动因素包括骨折时的损伤性微动或手术时对骨折端的刺激。肉芽及纤维组织所能耐受的应变将决定此期的微动幅度[41]。由于微动可产生促进骨痂形成的信号分子[14, 33, 35, 45]，当微动停止后，随着炎症介质、生长因子的消耗和成骨细胞对细胞外基质的矿化，成骨细胞的增殖能力和成骨能力下降，修复反应将终止[11, 16, 46]，形成初始骨痂反应后断端将趋于稳定。
3.2.2 灌注期
骨折愈合是骨痂反应不断叠加的结果[14-15, 46]，故愈合过程中需有持续微动诱导骨痂不断灌注骨折端，即为灌注期。此期产生的骨痂与微动幅度、方向有关，如骨搬运中需独特的轴向牵张力来实现牵张成骨[47]。由于形成初始骨痂反应的断端组织已转变为软骨痂，此期的微动幅度将由软骨组织决定。
3.2.3 矛盾期
骨折间隙过大时，在骨折愈合过程中可能面临初期骨痂之间连接融合和多级骨痂生成之间的矛盾，即为矛盾期。由于硬骨痂耐受应变能力较低，微动幅度过大将产生高应变导致骨痂不连接，而微动缺乏又将难以形成有效的多级骨痂。由于目前对微动无法精准控制[11]，矛盾期将成为决定大间隙粉碎性骨折能否愈合的关键。Ilizarov 牵张成骨既能提供足够的稳定性，又可以提供持续牵张刺激，在骨不连、骨缺损中展现了独特优势[48]。
3.2.4 连接期
连接期即骨折端开始发生连接到完全连接的阶段。临床上我们可以观察到由于锁定钢板对近侧骨皮质形成应力遮挡，导致近侧骨皮质缺乏应力和微动，而对侧骨皮质可以产生较大微动，就会形成由内向外梯度增加的骨痂生长[4, 49]。故对于不规则的粉碎性骨折，骨折端各部分由于骨折间隙大小、局部应变和微动幅度不同，将产生生长速度的差异，也就会出现最先形成骨痂连接的部位（1 区）、靠近 1 区的部位（2 区）和远离 1 区的部位（3 区）。1 区将对 2、3 区形成应力遮挡，导致局部缺乏应力刺激，我们称之为“骨折内部应力遮挡”。由于早期骨痂质量较低，1 区将在应力作用下再次骨折并产生微动，此时 1 区的微动将成为驱动周围断端愈合的动力，可通过对 2 区移植生长因子和成骨细胞等促进骨痂产生。① 当形成多个 1 区连接点时，骨折端易形成连接而达到影像学愈合标准；② 单个连接点而生长速度差异较小时，骨折端有望在钢板断裂前愈合；③ 单个连接点而各区生长速度差异过大时，将超过一般骨折愈合所需要的时间，形成不规则斜形骨折线，导致骨折不愈合或内固定物断裂。见图 3。
图3
生长速度与应力遮挡对骨折愈合的影响
Figure3.
Effects of growth velocity and stress shielding on fracture healing
目前斜形骨折不愈合多归因于剪切力，这种假设也被多数学者所接受，但是剪切力不是导致斜形骨折不愈合的唯一因素[42]。基于上述分析，粉碎性骨折最终常形成斜形骨折而不愈合的重要原因之一，可能是骨折端各部位的生长速度差异，本质是钢板和骨折端内部形成的应力遮挡，故合理的剪切力可改善应力遮挡而有利于斜形骨折的愈合[31, 33]。
从骨折愈合过程来看，应力遮挡贯穿于骨折固定至骨折愈合的全过程。自骨折连接开始，钢板的应力遮挡开始向骨折内部转移直到释放至所有骨折端，所以应力遮挡释放过程就是骨折愈合和重建骨骼刚度的过程。应力遮挡的正确释放是连接期关键环节，为达到正确释放，早期手术应注重平衡各部分的生长速度，如保护血运以及根据需要适当植骨、应用 BMP 等；中后期根据微动与应变的辩证关系决定负重或制动时间，如当固定过于坚强而微动不足、同时预计钢板抗疲劳性良好时，为促进骨痂生长可鼓励患者负重；而固定力学稳定性不足、骨折端应变过大时，为避免骨痂不连接建议制动。
3.2.5 生理期
生理期指骨重建完成后，骨骼在弹性微动下处于损伤与修复动态平衡的生理骨重塑阶段[50]。
4 骨折愈合的生物力学分期应用
在骨折愈合过程中，不同阶段组织力学特性不同[13]，如要深入研究生物力学对骨折愈合的影响，有必要根据各阶段组织力学特点进行分期讨论。骨折愈合的生物力学分期纳入了影响骨折愈合的重要机械参数，引入了时间和空间的概念，并区分微动和应变的作用，强调微动和应变的力学核心作用，有助于医师理解生物力学的工作模式。通过计算各阶段的最佳微动范围，优化内植物或生理负重，有望促进各时期内最大程度产生骨痂，加速骨折愈合，丰富数字骨科学[51]的内涵。
生物力学分期的缺点：骨折愈合是一个受生物学和生物力学因素调控的复杂过程[52]，该分期未纳入血运对骨折愈合的影响，临床常可以观察到骨折端存在丰富血运，即使没有额外的机械刺激，骨折仍可以愈合的情况，故对于血供特别丰富的部位，其愈合的力学过程可能仅存在上述分期中的启动期、连接期和生理期。另外，成骨方式分为软骨内成骨和膜内成骨，坚强固定的骨折仍有希望通过膜内成骨实现愈合[38, 53]。同时，有研究发现微动可以增加软骨内成骨的优势[35, 40]，故骨折愈合的生物力学分期更适合以软骨内成骨为主的愈合方式和采用弹性固定的骨折。
4.1 生物力学分期与骨折愈合方式
“一元论”认为骨折愈合有相同的修复机制[16]，生物力学分期同样肯定了骨折修复机制的统一性。Ⅰ期愈合和Ⅱ期愈合是同一愈合机制在不同外在环境下的表现形式，类似同一基因在不同环境诱导下的选择性表达。外在环境就是加压，一方面限制了启动期骨痂的生长，另一方面微动缺乏导致外骨痂产生不足。对于简单骨折，加压使绝大部分骨折接触，随成骨细胞对基质的矿化融合即可形成有效的连接[15, 41]，故骨折愈合过程仅有启动期、连接期和生理期。对于骨折间隙较小的粉碎性骨折，骨折愈合将经历启动期、灌注期、连接期和生理期，通过灌注期提供足够的骨痂而发生Ⅱ期愈合；当骨折间隙过大时，将出现初级骨痂融合和次级骨痂生成之间的矛盾期，不利于骨折愈合[41, 43-44]。
4.2 生物力学分期与骨不连
生物力学分期是研究力学参数在骨折愈合阶段中的作用，与力学因素导致的骨不连具有统一性。生物力学不稳定产生的高应变已作为重要力学因素，用于骨折不连接的分析。同时，越来越多的研究者认为微动不足将导致骨痂缺乏，进而产生骨不连[2, 4, 8, 11, 44, 46, 54]；基于对微动认识基础上发展的髓内钉动力化[55]和钢板动力化[46, 56]技术治疗骨不连也取得成功。然而，微动缺乏导致的骨不连尚未获得广泛认识，微动不足是否可作为独立力学因素用于骨不连的分析；如这种骨不连存在，是否会影响临床对于同样缺乏骨痂形成的萎缩性骨不连和营养不良性骨不连的认识[57]。上述问题均有待进一步研究明确。
5 总结
将应力作用区分为微动和应变、骨折愈合过程分为骨痂生长和骨痂连接进行理解，有助于解释骨折愈合过程中的机械力学环境变化，使之呈现规律性、可控性和可干预性。结合骨折愈合的不同组织形态对微动和应变进行分析，可得到骨折愈合的生物力学分期：启动期、灌注期、矛盾期、连接期和生理期。灌注期、矛盾期可导致Ⅰ期愈合和Ⅱ期愈合的区别；矛盾期的存在决定了粉碎性骨折愈合可能性大小；连接期和生理期的微动将遵循 Wolf 定律参与骨重塑。但骨折愈合的生物力学分期仅为理论假设，其实用性和意义尚有待临床进一步检验和探索。
作者贡献：史金友负责查阅文献、整理数据和论文撰写；吴敏、官建中对文章修改提出建设性意见；肖玉周负责审阅并参与观点形成。
利益冲突：所有作者声明，在文章撰写过程中不存在利益冲突。
微动又称骨折端的间歇性运动，定义为骨折端之间的控制性细微运动，是骨折愈合过程中重要机械参数，可促进骨痂生成、加速骨折愈合[1-2]。近年来，因微动不足导致锁定钢板固定治疗失败的报道逐渐增多，微动的重要性再次受到骨科医生重视[3-4]。为改善骨折端的微动，目前多主张采用弹性固定，重视钢板工作长度的调节作用[5-6]，并开发了自控微动带锁髓内钉[7]、远皮质锁定螺钉[8]和双相钢板[9]等新型内植物。
虽然微动可促进骨折愈合已达成共识，但国内外对微动的幅度、方向、时机和频率等方面尚无统一结论[10-11]，特别是微动的频率和方向，相关研究结论存在矛盾[12]。本文旨在综述微动的相关研究现状，从微动差异性方面分析，尝试提供新的理解角度，为临床医师提供参考。
1 微动与应变的区别与联系
应力可产生微动和应变，在骨折愈合过程中三者间存在相互转化的关系，具有促进/抑制骨折愈合的两面性[13-14]。但微动和应变概念的侧重点不同，微动被定义为骨折端的控制性细微运动，对骨折愈合有促进作用[1-4, 8-9]；而应变被定义为骨折间隙组织所能耐受的形变程度，超过一定应变后组织将发生断裂，如肉芽组织、骨皮质分别可耐受 100% 和 2% 的应变而不发生断裂[15]。
应力是初始作用力，包括剪切力、挤压力、扭转力、牵张力和综合应力，对于采用桥接固定的骨折，钢板通过不同程度应力遮挡将应力转化为自身的弹性形变（即钢板的应变），这种应变再转化为骨折端间的应力。这种应力一方面促进骨折端产生微动，进而发挥促进骨折愈合的作用[1-2]；另一方面使断端之间的组织产生应变，影响骨痂连接[15]。见图 1。虽然，本质上微动、应变都是应力发挥作用，但为了清晰描述应力作用，有必要加以区分。
图1
应力、微动及应变的转化关系
Figure1.
Transformation relations of stress, micromovement, and strain
2 微动研究现状
微动促进骨折愈合的机制可归纳为通过运动刺激骨折端，将机械信号转化为生物学信号[14]，从而启动非特异性炎症和特异性修复[16]，促进 FGF[17]、VEGF 和前列腺素等多种生长因子与炎症介质的释放，以及毛细血管生成[18-19]、MSCs 向成骨细胞转化[20]，增强成骨细胞增殖能力和生物活性，促进骨盐矿化[2]，并完成一次初始骨痂反应。McKibbin[21]研究发现截肢后的老鼠会发生短暂骨痂生长，但由于缺乏应力刺激，2 周后骨痂停止生长并发生退化，这种短暂的骨痂生长则定义为初始骨痂反应。而骨折端的微动可以不断复制初始骨痂反应，从而促进骨痂不断生长，最终实现骨折愈合[22]。
2.1 微动方式
微动方式是微动研究最重要的内容，其可分为主动性和被动性两种方式。主动性微动指通过人体主动负重使内固定发生变化，从而产生骨折断端间运动的相关措施[23]，如自控微动带锁髓内钉[7]、远皮质锁定螺钉[8]等。而被动性微动是外力干预下产生，如相关的气压动力装置、电刺激等，该方式多用于实验性研究。
2.2 微动时机
一般认为早期微动较晚期微动更有利于骨折愈合[10]。Augat 等[24]研究认为虽然内固定术后 3 d 开始微动产生的骨痂量多于第 3 周开始微动，但骨痂质量较低。向明等[10]的研究也得出类似结论，同时认为过早和过晚微动均不利于骨折愈合，建议于术后 1～2 周开始。
2.3 微动幅度
目前多认为骨折端最适宜的轴向微动幅度为 0.2～1.0 mm，超过 2.0 mm 将不利于骨折愈合[9]。在一定范围内微动幅度与骨痂大小成正相关，但超过范围的大幅度微动将引起高应变，进而导致骨痂断裂[8, 12, 14]。
2.4 微动频率
虽然目前观点多倾向于低频率微动可促进骨折愈合[25]，但有研究证明高频率微动亦能促进骨折愈合[26]。Augat 等[27]的动物实验显示在弹性固定条件下，无论高频或低频微动均对骨折愈合无影响。
2.5 微动方向
微动方向可分为轴向和剪切方向两类。目前轴向微动有利于骨折愈合已达成共识[1, 11, 28]，剪切方向微动对骨折愈合的影响尚有争议。有学者认为剪切方向微动不利于 MSCs 分化，易造成骨折端摩擦，对血管和骨痂再生有负面影响[1, 11, 29]。然而，Uzer 等[30]研究发现剪切力不能抑制 MSCs 分化，Bishop 等[31]认为剪切力导致骨折愈合障碍的原因是其造成了不恰当的运动幅度，合理的剪切力仍有利于骨折预后。MacLeod 等[32]研究发现在固定稳定情况下，组合方向的微动对骨折愈合的促进作用可能优于单一轴向微动。
剪切方向微动对骨折愈合的影响暂未形成统一认识[12]。有研究分析了临床髓内钉术后肥大型骨不连（轴向运动被中和）的发生，发现即使骨折端存在剪切方向微动，仍可产生大量骨痂[33]。Park 等[34]的动物实验也发现兔胫骨在承受剪切方向微动情况下仍有大量骨痂形成。目前，骨痂已不再被视为病态结构，而是有益于骨折愈合的重要自然过程[14, 16, 35]，结合上述研究结果提示剪切力具有促进骨折愈合的作用[31, 33]。但实际也存在剪切力促进骨痂产生，而骨折不愈合的现象。我们认为骨折愈合过程应理解为骨痂产生和连接的过程，如骨痂产生或连接发生障碍均会导致骨不连发生，所以剪切力虽然可以促进骨痂产生，但主要集中在剪切界面，应力无法被整个骨折端的组织分散[31]，剪切力过大时就会引起组织发生高应变而导致断裂。
通过文献回顾和对微动方向的分析，我们认为有关微动对骨折愈合影响的探讨应从骨痂层面和骨折愈合层面（包括骨痂产生和骨痂连接的整体层面）入手，包括微动幅度、方向对骨痂层面的影响，以及组织所能耐受的应变大小。
3 微动在骨折愈合过程中的作用
3.1 微动特点
3.1.1 特异性
微动的作用在于刺激骨折端从而启动骨痂生成[1-4]，但启动骨痂生长的刺激因素很多，如肿瘤、血流动力学改变[16]、体外冲击波[36]、低频脉冲超声[37]等。故微动作为骨痂生长的启动因素不具有特异性，但对于内固定患者而言存在一定特异性。
3.1.2 自限性
微动可刺激骨痂产生，产生的骨痂又可以增加骨折端稳定性，从而反馈抑制微动发生[38-41]，构成微动的自限性。这种自限性的意义在于粉碎性骨折逐步愈合为相对简单的骨折过程中，将伴随骨折端微动逐步降低，如钢板固定过于坚强，则骨折难以愈合，这也是粉碎性骨折大多愈合为相对简单骨折而不连接的主要原因[42]。
3.1.3 制约性
骨折间隙是影响骨折愈合的重要因素[12, 41, 43-44]，当骨折间隙较大时，就需要微动不断刺激骨痂产生，以填补骨折间隙，即微动的总量需要与骨折间隙大小相匹配。同时，微动幅度在骨折愈合每个阶段受到相应组织力学特性的制约，其幅度不应引起组织产生过高应变，以免发生组织断裂。
3.2 骨折愈合的生物力学分期
微动可刺激骨痂的产生，由于断端微动将不可避免使组织发生应变而影响骨折端的连接，因此有必要讨论微动和应变在整个骨折愈合过程中的调控作用（图 2）。机械环境的变化贯穿于骨折愈合全过程，不同阶段的组织具有不同力学特性，可耐受的应变大小也不同[15]。我们通过分析微动对骨折愈合的影响，以 Perren 应变理论为指导，从生物力学的角度，在内固定具有足够的抗疲劳性前提下，提出了骨折愈合的生物力学分期，即分为启动期、灌注期、矛盾期、连接期和生理期。
图2
应力对骨折愈合的调控作用
Figure2.
Regulation of stress on fracture healing
3.2.1 启动期
启动期主要产生初始骨痂反应，启动因素包括骨折时的损伤性微动或手术时对骨折端的刺激。肉芽及纤维组织所能耐受的应变将决定此期的微动幅度[41]。由于微动可产生促进骨痂形成的信号分子[14, 33, 35, 45]，当微动停止后，随着炎症介质、生长因子的消耗和成骨细胞对细胞外基质的矿化，成骨细胞的增殖能力和成骨能力下降，修复反应将终止[11, 16, 46]，形成初始骨痂反应后断端将趋于稳定。
3.2.2 灌注期
骨折愈合是骨痂反应不断叠加的结果[14-15, 46]，故愈合过程中需有持续微动诱导骨痂不断灌注骨折端，即为灌注期。此期产生的骨痂与微动幅度、方向有关，如骨搬运中需独特的轴向牵张力来实现牵张成骨[47]。由于形成初始骨痂反应的断端组织已转变为软骨痂，此期的微动幅度将由软骨组织决定。
3.2.3 矛盾期
骨折间隙过大时，在骨折愈合过程中可能面临初期骨痂之间连接融合和多级骨痂生成之间的矛盾，即为矛盾期。由于硬骨痂耐受应变能力较低，微动幅度过大将产生高应变导致骨痂不连接，而微动缺乏又将难以形成有效的多级骨痂。由于目前对微动无法精准控制[11]，矛盾期将成为决定大间隙粉碎性骨折能否愈合的关键。Ilizarov 牵张成骨既能提供足够的稳定性，又可以提供持续牵张刺激，在骨不连、骨缺损中展现了独特优势[48]。
3.2.4 连接期
连接期即骨折端开始发生连接到完全连接的阶段。临床上我们可以观察到由于锁定钢板对近侧骨皮质形成应力遮挡，导致近侧骨皮质缺乏应力和微动，而对侧骨皮质可以产生较大微动，就会形成由内向外梯度增加的骨痂生长[4, 49]。故对于不规则的粉碎性骨折，骨折端各部分由于骨折间隙大小、局部应变和微动幅度不同，将产生生长速度的差异，也就会出现最先形成骨痂连接的部位（1 区）、靠近 1 区的部位（2 区）和远离 1 区的部位（3 区）。1 区将对 2、3 区形成应力遮挡，导致局部缺乏应力刺激，我们称之为“骨折内部应力遮挡”。由于早期骨痂质量较低，1 区将在应力作用下再次骨折并产生微动，此时 1 区的微动将成为驱动周围断端愈合的动力，可通过对 2 区移植生长因子和成骨细胞等促进骨痂产生。① 当形成多个 1 区连接点时，骨折端易形成连接而达到影像学愈合标准；② 单个连接点而生长速度差异较小时，骨折端有望在钢板断裂前愈合；③ 单个连接点而各区生长速度差异过大时，将超过一般骨折愈合所需要的时间，形成不规则斜形骨折线，导致骨折不愈合或内固定物断裂。见图 3。
图3
生长速度与应力遮挡对骨折愈合的影响
Figure3.
Effects of growth velocity and stress shielding on fracture healing
目前斜形骨折不愈合多归因于剪切力，这种假设也被多数学者所接受，但是剪切力不是导致斜形骨折不愈合的唯一因素[42]。基于上述分析，粉碎性骨折最终常形成斜形骨折而不愈合的重要原因之一，可能是骨折端各部位的生长速度差异，本质是钢板和骨折端内部形成的应力遮挡，故合理的剪切力可改善应力遮挡而有利于斜形骨折的愈合[31, 33]。
从骨折愈合过程来看，应力遮挡贯穿于骨折固定至骨折愈合的全过程。自骨折连接开始，钢板的应力遮挡开始向骨折内部转移直到释放至所有骨折端，所以应力遮挡释放过程就是骨折愈合和重建骨骼刚度的过程。应力遮挡的正确释放是连接期关键环节，为达到正确释放，早期手术应注重平衡各部分的生长速度，如保护血运以及根据需要适当植骨、应用 BMP 等；中后期根据微动与应变的辩证关系决定负重或制动时间，如当固定过于坚强而微动不足、同时预计钢板抗疲劳性良好时，为促进骨痂生长可鼓励患者负重；而固定力学稳定性不足、骨折端应变过大时，为避免骨痂不连接建议制动。
3.2.5 生理期
生理期指骨重建完成后，骨骼在弹性微动下处于损伤与修复动态平衡的生理骨重塑阶段[50]。
4 骨折愈合的生物力学分期应用
在骨折愈合过程中，不同阶段组织力学特性不同[13]，如要深入研究生物力学对骨折愈合的影响，有必要根据各阶段组织力学特点进行分期讨论。骨折愈合的生物力学分期纳入了影响骨折愈合的重要机械参数，引入了时间和空间的概念，并区分微动和应变的作用，强调微动和应变的力学核心作用，有助于医师理解生物力学的工作模式。通过计算各阶段的最佳微动范围，优化内植物或生理负重，有望促进各时期内最大程度产生骨痂，加速骨折愈合，丰富数字骨科学[51]的内涵。
生物力学分期的缺点：骨折愈合是一个受生物学和生物力学因素调控的复杂过程[52]，该分期未纳入血运对骨折愈合的影响，临床常可以观察到骨折端存在丰富血运，即使没有额外的机械刺激，骨折仍可以愈合的情况，故对于血供特别丰富的部位，其愈合的力学过程可能仅存在上述分期中的启动期、连接期和生理期。另外，成骨方式分为软骨内成骨和膜内成骨，坚强固定的骨折仍有希望通过膜内成骨实现愈合[38, 53]。同时，有研究发现微动可以增加软骨内成骨的优势[35, 40]，故骨折愈合的生物力学分期更适合以软骨内成骨为主的愈合方式和采用弹性固定的骨折。
4.1 生物力学分期与骨折愈合方式
“一元论”认为骨折愈合有相同的修复机制[16]，生物力学分期同样肯定了骨折修复机制的统一性。Ⅰ期愈合和Ⅱ期愈合是同一愈合机制在不同外在环境下的表现形式，类似同一基因在不同环境诱导下的选择性表达。外在环境就是加压，一方面限制了启动期骨痂的生长，另一方面微动缺乏导致外骨痂产生不足。对于简单骨折，加压使绝大部分骨折接触，随成骨细胞对基质的矿化融合即可形成有效的连接[15, 41]，故骨折愈合过程仅有启动期、连接期和生理期。对于骨折间隙较小的粉碎性骨折，骨折愈合将经历启动期、灌注期、连接期和生理期，通过灌注期提供足够的骨痂而发生Ⅱ期愈合；当骨折间隙过大时，将出现初级骨痂融合和次级骨痂生成之间的矛盾期，不利于骨折愈合[41, 43-44]。
4.2 生物力学分期与骨不连
生物力学分期是研究力学参数在骨折愈合阶段中的作用，与力学因素导致的骨不连具有统一性。生物力学不稳定产生的高应变已作为重要力学因素，用于骨折不连接的分析。同时，越来越多的研究者认为微动不足将导致骨痂缺乏，进而产生骨不连[2, 4, 8, 11, 44, 46, 54]；基于对微动认识基础上发展的髓内钉动力化[55]和钢板动力化[46, 56]技术治疗骨不连也取得成功。然而，微动缺乏导致的骨不连尚未获得广泛认识，微动不足是否可作为独立力学因素用于骨不连的分析；如这种骨不连存在，是否会影响临床对于同样缺乏骨痂形成的萎缩性骨不连和营养不良性骨不连的认识[57]。上述问题均有待进一步研究明确。
5 总结
将应力作用区分为微动和应变、骨折愈合过程分为骨痂生长和骨痂连接进行理解，有助于解释骨折愈合过程中的机械力学环境变化，使之呈现规律性、可控性和可干预性。结合骨折愈合的不同组织形态对微动和应变进行分析，可得到骨折愈合的生物力学分期：启动期、灌注期、矛盾期、连接期和生理期。灌注期、矛盾期可导致Ⅰ期愈合和Ⅱ期愈合的区别；矛盾期的存在决定了粉碎性骨折愈合可能性大小；连接期和生理期的微动将遵循 Wolf 定律参与骨重塑。但骨折愈合的生物力学分期仅为理论假设，其实用性和意义尚有待临床进一步检验和探索。
作者贡献：史金友负责查阅文献、整理数据和论文撰写；吴敏、官建中对文章修改提出建设性意见；肖玉周负责审阅并参与观点形成。
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