一、骨折愈合的研究与进展
古典医学治疗骨折（欧洲、中国）手法复位及木板固定中，骨不愈合、畸形是医生无法改变的自然现象。目前，国内外认识到骨折治疗（手术或非手术）即要达到解剖学的骨愈合又要恢复骨折肢体肌肉、关节的正常功能。了解手术或非手术治疗骨折的生物学和力学问题，哪些条件（因素）支配着骨折愈合的模式、速度和质量等是临床骨科医生必备的基础理论知识。
骨折愈合是通过骨痂修复使骨连接、新骨组织经塑形期恢复原来骨结构，是人体所有组织修复唯一不遗留疤痕的组织，确切地说骨折愈合是损伤骨的再生。骨再生需要骨祖细胞增殖分化为骨母前细胞、软骨母前细胞，通过膜内成骨和软骨化骨一系列复杂过程完成骨的再生修复。1965年Urist成功用DBM在肌肉内诱发异位成骨，提出骨再生的骨诱导学说，使骨折愈合理论深入到分子生物学水平。DBM中引起异位成骨的启动因子是骨形态发生蛋白（Bone Morphosenetic Protein， BMP）
骨诱导成骨理论，作为诱导成骨的启动因子BMP，到1996年已发现BMP1-130，除BMP1其他BMP均为β转化生长因子（TGF-β）成员。此后有多种因子参与骨愈合的过程，可分为骨诱导和骨传导，二者相辅相成完成复杂的骨愈合过程，也是目前国内外学者集中研究焦点。参与骨生长、再生的细胞来自血管周围原始间充质细胞、骨内膜和骨外膜细胞、幼稚细胞、骨髓细胞。骨诱导作用（Osteo Induction）骨折后骨断端（骨细胞和基质）坏死释放内源性BMP诱导间充质细胞解聚，向骨折方向移动、增殖，不可逆的分化为骨系细胞，直到新骨形成，这个过程叫骨诱导作用。骨诱导物质多为小分子胶原性肽类（Comell，1992年），统称为因子（factor），主要来自骨基质。与骨愈合相关其他因子：酶或酶性纤维母细胞生长因子（aorbFGF），胰岛素样生长因子Ⅰ或 Ⅱ（IGF-Ⅰor Ⅱ），血小板衍生生长因子（PDGF），正常骨生长和损伤骨再生都是由膜内化骨和软骨化骨完成。其启动因素有两种可弥散形态原样分子物质（morphogen-like molecules， MLMs），即BMP和视黄醇（retinoic acid， rA），在骨折愈合初始一直有MLMs信息表达（Campbell，1992年），间充质细胞在骨诱导过程中可形成细胞外基质，骨折后血小板和炎性细胞释放TGF-β和PDGF进入血肿芽内，早期骨痂内有膜内化骨、软骨形成，aFGF调节刺激未成熟软骨细胞及其前体促使软骨细胞成熟和软骨基质形成（Bolamder，1992年）。骨基质能释放各种因子，首先在靠近骨细胞内可见到PDGF，然后不断扩展的膜内化骨的新成骨细胞内可见到aFGF及大量类成纤维细胞的间充质细胞，aFGF有促进后者进行软骨性骨痂，并迅速扩大（Jimgush，1990年）。PDGF以增加骨痂密度和周围骨痂量的方式促进骨愈合（Nash，1994年）。
Andrew（1993）研究：骨折愈合初期，在肉芽组织炎症期内皮细胞、间充质细胞、骨和软骨形成区的骨母细胞和非肥大软骨细胞内均有IGFⅠ和 Ⅱ，mRNA表达，当进展到骨塑形期只有某些成骨细胞的IGFⅠ和 Ⅱ，mRNA为阳性反应，IGFs具有刺激骨母细胞膜合成作用，也表明人骨折愈合中IGFⅠ和 Ⅱ从炎症期开始就在骨折中发挥对多种细胞的调节作用。
从分子生物学研究中初步了解BMPs是诱导原始间充质细胞沿着骨系细胞增殖、发育的始动因子。然后在骨折区内环境中启动众多生长因子参与骨折的愈合过程。这些因子互相协调，有的起直接作用，有的起介导调节作用，促进细胞分泌合成DNA和骨胶原等，对骨痂及其强度免疫组化研究表明，这些因子对骨修复都起着特异的局部作用。
损伤导致全身反应，其一是骨折后前列腺素（PGs）持续增高达一月之久，PGs是骨折区炎症的重要介导者，它对微血管扩张、骨折坏死区吸收释放生长因子和钙离子。骨折修复期的这种创伤-炎症反应是骨折愈合过程所必须的生物学内环境，骨折后（动物实验）应用前列腺抑制剂，最终抑制骨痂形成导致骨延迟愈合或骨不连。
二、骨传导作用
骨折区有机质、胶原和羟基磷灰石与血肿含血细胞、血小板机化组成的肉芽组织与形成充填于骨折间隙和周围的网状物质（骨传导物质）。骨诱导的大量骨系细胞才能在网状桥接骨断端的物质上完成细胞增殖、分化——以膜内骨化、软骨化骨和纤维血管芽发育的血管化取代网状组织完成初始骨痂形成。骨传导物质和骨诱导作用在骨折同时存在，二者缺一就无法完成骨修复。骨传导物质不充分，如严重损伤（血管）、粉碎骨折骨缺损，骨折间隙过大（≥1mm）或骨传导物质和骨诱导作用不完全，骨折端有超过生理允许的反复活动造成软骨痂及血管损伤，最终都可导致骨延迟愈合或骨不连。
三、骨折愈合过程的生物力学和生物电学
1892年Wolff首次提出骨折间受到适当压应力可促进骨折愈合，不同部位骨折皮质厚度、骨小梁排列均与生理活动的压应力有关。骨折愈合末期的骨痂塑形和损伤骨的再生也受压应力调节，即Wolff定律。直到1953年由Yasuda发现如为骨加压，可使骨折端产生电流。Fudada通过标本加压使骨折端产生正负电荷移动的变化，他称此为骨加压的压电效应（piezaeletric properties），即骨受压力侧产生负电荷可能刺激成骨细胞活动促进骨生长；分离侧（张力侧）产生正电荷刺激破骨细胞活动促进骨吸收。
Krukrowsk（1994年）通过动物实验将带有负电荷树脂注射于大鼠胫骨骨膜下能激发骨膜下成骨。2周时树脂-骨面已有新骨形成，4周时早期沉积的原始骨被骨板层骨取代，因此负电荷可刺激成骨活动。如众所周知脊柱侧弯的凹侧有巨大骨赘而凸侧无骨赘生长，长骨折成角畸形的凹侧有大量丰富骨痂生长，而凸侧无骨痂生长，这些情况是凹侧处于压力状态产生负电荷的成骨作用结果。
Hulth（1989年）指出骨折愈合决定于骨折局部的血液供给和稳定性，在保证骨折稳定前提下负重（压应力）并允许骨折间有微小活动可增加骨折渗出伴有游走细胞趋化性和血管生长。这种生物力学和电流（压电效应）能调动生物化学性介导，如PDGE、形态原物质和众多生长因子的作用，最终形成丰富骨痂。骨折愈合过程中生物力学生物电学活动符合Wolff定律。
骨折愈合是骨折端在生物学和力学因素条件下经过一系列连续细胞修复反应，恢复骨的正常结构和功能，但骨折愈合模式分为骨折自然愈合和骨折一期愈合两种模式。
四、骨折自然愈合模式
骨折自然愈合模式（modal of national bone healing）见于骨折的保守治疗和手术髓内钉固定时表现的骨折愈合模式，骨折后到愈合为一连续过程，为叙述方便分为四个阶段：
1.肉芽组织期或称血肿炎症期
来自骨断端的血肿伴有骨内、外膜撕裂，随后哈佛管内血流中断并返流到附近吻合支的小血管内，后者引起骨折断端边缘坏死。伤后6～8h血肿凝结成含网状纤维的血凝块及活跃的创伤性细胞活动，骨折端坏死释放骨诱导因子。PGs持续升高可介导血肿内创伤性炎症反应，使骨折区充血和多形核白细胞、巨噬细胞、肥大细胞活动。BMPs诱导间充质细胞分化为大量骨祖细胞进入骨折区，新生血管和大量间充质细胞进入血肿内分化为产生胶原的成纤维细胞形成肉芽组织将骨折端初步连接起来，这一过程约需2～3周完成。
骨折后24h骨膜深层骨膜细胞即活跃增殖，诱导分化为骨母细胞开始内骨痂、外骨痂生长，骨膜血管扩张、弯曲长入骨膜深处促进外骨痂的膜内化骨过程。
2.原始骨痂形成期
骨折后7～10天在骨诱导作用下已有初步新骨形成，位于骨外膜深层的成骨细胞自骨折两端向着骨折线方向增殖。骨折两端外骨痂以会师形式越过血肿表面融合为整体的外骨痂，近骨折线处成骨细胞迅速增殖使骨痂增厚出现血供不足，而分化为软骨母细胞形成软骨痂，因此外骨痂是由近骨折线处的软骨骨痂和骨折线两端的膜内化骨的新生骨痂组成。同时骨折断端间为机化血肿的网状结构连接，但骨折间隙的血肿区无骨母细胞和软骨母细胞。而是在骨诱导因子作用下骨髓细胞和间充质细胞增殖分化为骨母细胞和软骨母细胞诱导成骨的内骨痂，将骨折断面连接。内、外骨痂融合为整体骨痂使骨折端活动逐渐减少，消失即临床愈合阶段，全过程需6～12周。
3.成熟骨痂期
由骨外膜、骨内膜分化的软骨细胞释放磷酸酶形成磷酸盐并与血肿内溶解钙结合为磷酸钙使软骨基质钙化，软骨细胞坏死。软骨周围成骨细胞和血管在破骨细胞引导下向内侵入取代软骨细胞并发育为骨细胞，分泌骨样组织并钙化为骨基质，这种不断由新生骨取代软骨的过程叫软骨化骨。初始形成的新骨是编织状骨（woven bone），其强度、硬度不足，骨痂外层逐渐增厚，逐渐形成衍生骨，骨小梁增粗，最终形成结实的密质骨。骨髓腔被封闭形成坚固的骨性粘连，这一过程需8～12周。同时沿着骨内血管周围形成初级骨单位，血管通道变成哈佛代管并沿着板层骨发育。
4.塑形期由膜内化骨软
骨化骨形成幼稚骨，其特点是新生骨血管分布影响排列不规则，因此其强度和硬度不足。当肢体负重时受到压应力影响，刺激成骨细胞和破骨细胞，同时活动完成骨的塑形而变为成熟骨结构。破骨细胞长入骨痂钻一孔道，随之成骨细胞长入形成新的哈佛管系统。其规律是受反应力最大的地方有更多、更致密的新骨形成。多余的非应力区骨痂被吸收。塑形的进程中始终在应力作用下完成，符合Wolff定律。骨折愈合后初期塑形较快，以后按应力重建变慢，最终出现符合需要的皮质厚度，骨小梁的应力排列，髓腔再通，出现骨髓组织，这个过程常需几个月到几年。
五、骨折一期愈合模式
骨折一期愈合模式（model of direct bone healing）见于用硬质钢板内固定治疗时表现的骨折愈合模式。早期使用的钢板强度不够，常造成骨延迟愈合或骨不连。近年加压钢板使骨折坚固稳定的固定使骨愈合。Shenck Willenger（1963～1987年）研究指出，这种愈合是骨折端紧密加压接触，通过骨单位增殖直接愈合或称骨折一期愈合。经过大量临床应用发现，在去除钢板后常发生自发性再骨折（5%～20%），动物模型的建立有助于对这种骨折愈合机制和再骨折的认识。骨折血肿-炎症期被抑制，可能因为手术清除了血肿，不同程度骨膜再损伤。加压钢板使皮质骨断面之间直接对合，减弱了骨折愈合生物化学环境和骨诱导作用。骨折区毛细血管和细胞增殖不活跃或无骨外膜骨痂的膜内化骨被抑制，只有少量或无外骨痂骨折裂隙直接发生骨愈合，无软骨形成也说明骨诱导和骨传导作用被抑制。骨单位与其长轴平行生长并穿过骨端边缘坏死区生长使骨直接愈合。来自骨单位的由骨母细胞围绕的毛细血管芽跟随破骨细胞形成的死骨区隧道内长入，形成新骨单位。这个过程是骨吸收和骨单位桥接骨折线区同时进行，即骨皮质的直接愈合。但这种愈合方式需要两个先决条件：①骨折端紧密接触并稳定；②骨折间隙必须＜1mm，否则将发生骨不连。骨皮质愈合仍然需要新生骨的塑形，由于钢板和手术对骨膜血管损伤，这种骨折愈合的血液供给主要依靠髓内血管系统和骨内膜的内骨痂，因此直接骨愈合的时间和再塑形过程也比自然骨愈合还长。
六、骨应力遮挡
骨可能因失去生理性应力作用使骨代谢紊乱发生骨疏松、萎缩，去除内固定后期才能达到坚强骨愈合，有自发或轻微外伤后骨折部位再骨折发生率。
骨折愈合模式的临床意义：血肿-炎症期骨折间隙诱导软骨性骨痂和骨膜骨痂，三者对骨折期有重要作用。骨折后都释放骨诱导因子，但由于骨折局部的力学环境不同而形成两种不同模式的骨折愈合方式。生物化学、力学和生物生理学因子在骨折愈合中都具有重要作用，并已确认BMPs（Urist，1976～1982年）和电磁场（Brighton，1984年）都具有特殊的骨诱导作用。
七、骨折愈合的现代观念认识到血液供给和
骨折端稳定性相互依赖的重要性Hulth（1989年）研究指出，骨折间微动增加骨折端渗出细胞移动和血管芽生长。髓内钉固定可防止骨端弯曲、移动、旋转活动，但阻断髓内循环损伤内骨痂，增加骨外膜骨痂，动物实验提示，保持骨折间微动所表现的温度、化学和电的综合条件可促进骨愈合，关键仍未得出到底应保持多大的骨折间活动量是有益的（Sanniemto，1984年）。在骨折自然愈合过程中，损伤骨周围即使有充分血供和骨诱导骨痂，如出现骨折端过度活动可影响软组织愈合，干扰骨膜血管化进程，则骨折端封闭、硬化、纤维化导致骨不连。
骨折一期愈合，强力加压钢板引起严重骨质疏松、骨萎缩，去钢板后自发骨折率很高，现已不用。但用螺孔斜坡的自动加压钢板，应力遮挡作用虽然减弱，但未完全消除并发症。Brighton（1984年）指出约5%长骨骨折发生骨不连。推测有中断骨修复的因素，如软组织损伤、感染等影响骨愈合的因素。而为什么会发生骨不连？确切机制尚不完全清楚（Cornell，1992年）。
判断骨折愈合标准主要根据临床体征和X射线片所见。“临床愈合”是指X射线片上有明显骨痂，仍可见骨折线。骨折端已稳定承受力时疼痛，此时应加强主动肌肉收缩活动，使骨折端承受一定应力刺激促进新生骨的发育和成熟。“牢固愈合”是指X射线片上骨折线模糊、消失，编织骨已有板层骨取代，受应力时无痛、肢体可负重。不同损伤部位、条件和年龄的骨折愈合时间也不一样。影响骨折因素很多，可分为全身因素、局部因素和外源性药物因素的影响。如诊断为骨延迟愈合，经调整治疗方案，最后仍未达到骨愈合，延误诊断或不正确处理可进一步发展为骨愈合。一旦确诊骨不连，意味着骨愈合失败、假关节形成，应适时采取手术，骨移植重新达到骨愈合的目的。
八、全身因素是间接影响的次要因素
1.年龄因素
以股骨为例，新生儿到1岁股干愈合时间为2～4周，且骨痂丰富，15岁时需8周左右，成年人至少要3个月。近年研究也观察到将BMP植入不同年龄动物体内，年轻动物的成骨明显多于老年动物，带负电荷树脂对幼龄和老龄鼠都激发新骨生成，但老龄鼠新生骨体积显著低于幼鼠。说明负电荷对成骨细胞也随年龄而衰减。老年人随年龄增长发生骨质疏松，Strates（1988年）实验发现给老年兔肌肉内植入DBM，虽有新骨形成，但新骨内钙和碱性磷酸酶水平显著低于年轻兔的新生骨水平。Finkeiman（1992年）切除鼠的卵巢证实骨内TGF-β明显减少。Wuster（1993年）研究一组骨组织疏松病人，发现血浆中TGF-β和IGF结合蛋白显著减少。从各方面研究结果可看出，骨细胞的增殖能力随年龄增长而衰退，确切机制有待进一步研究。
2.营养不良
是一个综合复杂问题，如贫血、低蛋白血症及一些慢性消耗性疾病是综合影响有机质和热量供给因素。维生素C缺乏抑制骨胶原和基质形成，维生素D缺乏影响新生骨钙化。
九、局部因素
局部因素是指任何影响骨折愈合的最重要因素，如骨折区血液供给、治疗方法和医源性影响。
1.骨折端血液供给是影响
骨折愈合的重要因素，骨折端血供因素均影响骨愈合进程。张建国等（1996年）动物实验发现骨折远侧端的干骺端髓腔内可见微血管扩张、增粗和骨膜与骨皮质间血管增多、增粗，尤其在外骨痂丰富的血管穿过皮质与髓内扩张血管吻合，从而建立骨膜血管与髓内血管的循环通路。所以骺-干骺动脉的变化可补偿滋养动脉对损伤的影响，而对骨愈合血液重建有重要作用。如同骨多段骨干骨折增加了这种代偿血运的困难，骨端坏死也严重造成骨愈合速度慢，甚至骨不愈合。一些特殊部位骨折，如腕舟骨，骨折远端可造成血运完全中断。无侧支循环，是造成骨延迟愈合或骨不连的解剖学因素。
2.局部损伤程度和类型
间接外力引起的闭合性骨折，骨折周围软组织损伤相对较轻，一般来说愈合较快。直接暴力引起的开放性骨折，多伴有广泛软组织损伤，主要是骨折周围血管损伤严重、广泛，则影响正常愈合过程。开放骨折或清创术后出现较大骨缺损则直接影响内、外骨痂生长与连接，最终导致骨不连。烧伤合并骨折或火器伤均有骨折周围软组织坏死，缺血引起广泛骨坏死。因此，骨科医师处理骨折时不应单纯考虑骨折的复位和内固定（这是治疗内容之一），首先要判断周围软组织和血供条件。而要综合分析、判断骨折周围软组织损伤的重要性。骨膜的广泛撕脱、缺损造成骨膜坏死影响外骨痂形成。Reynders（1999年）通过新西兰兔试验，用胫骨游离无血供骨膜移植，可产生明显外骨痂优于单用自体骨移植。
骨折端的接触：骨折复位的基本要求是保持骨折端紧密接触，并符合生物力学要求的稳定复位，保证内、外骨痂的顺利生长。
嵌入性骨折和松质骨线形骨折：使用或不使用外固定都能维持原骨折状态，或骨干骨折经加压钢板内固定保持骨端紧密接触，均能达到一期骨愈合，但后者骨折端遗有大于1mm间隙则易造成骨不连。如经闭合复位始终不能达到骨折紧密接触，常提示骨折端间大肌肉、肌腱等软组织嵌入造成内、外骨痂不能连接，嵌入组织纤维形成骨不连。
斜行、螺旋形骨折：因骨折接触面大，如断端稳定牢固骨折愈合。横断骨折则相反，临床愈合和牢固愈合的负重时间需要较长骨折内固定不良：无论采用保守或手术治疗均有骨折端固定不良的可能，尤其是骨折断端存在旋转和剪切应力是影响骨修复生长的重要因素。
石膏固定不当：引起肌肉萎缩，关节僵硬。如石膏过松，导致骨折端异常活动引起骨延迟或不愈合或成角小夹板固定松紧调节不及时，也会出现石膏固定不当问题。固定时间长短，过早活动以及不正确功能锻炼都可使骨折修复性骨痂折断，血管损伤而影响骨折愈合。
髓内钉过细、松动：加重髓内血管损伤，影响内骨痂生长，虽然有外骨痂也易造成延迟愈合或纤维愈合。选取髓内钉型号要与髓腔匹配和带防旋转螺钉（Cormell和Lane），可形成有丰富外骨痂的骨折自然愈合模式。
畸形：用螺孔斜坡型加压钢板应用合理，可获骨折一期骨愈合。对有血管损伤严重，骨缺损无效用髓内钉或加压钢板固定都应同时作骨移植。总体上看，手术适应证选择不当，内固定材料、型号或方式不当（不符合固定的力学要求），手术操作不妥以及忽视术后合理负重和功能锻炼而构成影响内固定手术效果的综合因素。例如杨丰真等（1988年）报道，根据骨塑型与内固定方式选取不当，导致股骨干骨折不愈合。如对斜行、螺旋、多段粉碎骨折但无明显移位，保守治疗能获满意结果，因选用的固定方法、错误导致骨不愈合，引起1～3次再手术之代价。杨雍等（1998年），Webb（1986年）报道手术适应证和内固定物（髓内钉、加压钢板）选取不当导致治疗失败则应视为是医源因素，提示对有骨缺损者必须作骨移植。
3.感染
感染是导致骨不愈合另一重要因素。感染因素很复杂，包括严重肿胀或开放骨折术前、术中、术后无菌环境，管理条件有关，偶尔也因忽略了病人体弱、体内存在慢性感染病灶等。医源性影响：从整体影响骨折愈合因素看，往往是几种因素和各方面因素综合的不利影响，但骨科医师应牢记所采取治疗手段及过程错误则是人为因素。
4.骨牵引术
在持续牵引过程可发生过度牵引使骨折端分离导致骨不愈合，应根据病人肌肉发达状态和骨折部位选取适当重量，即使在同重量下，夜间熟睡由于肌张力低下其牵引重量也相应增加。定期床旁X射线片和每日分析牵引状态，完全可达到牵引使骨复位又不发生过牵，这完全是骨牵引治疗中的管理问题。因为过牵对骨愈合影响与时间有密切关系，一般说过牵超过一周可使已生长的血肿机化内毛细血管断裂，新生骨痂坏死，时间越长则导致不可逆的骨愈合损伤。
5.某些药物
对骨折愈合的影响消炎痛和水杨酸类药物可抑制PGs合成影响骨折血肿炎症期活动，导致骨延迟或骨不连。Sudmann（1976年）观察临床病人经石膏固定股骨并持续服用消炎痛达9周，最终导致骨纤维愈合。皮质酮类药长期使用引起骨质疏松，皮质酮药对骨折各修复期均有抑制作用。如抑制血肿内肉芽组织形成、血管形成、膜内化骨和软骨化骨均有抑制作用。新骨成熟期缓慢，皮质骨变薄并明显减弱其抗张力的强度。
抗凝药物可能通过降低凝血激酶使骨折向纤维素蛋白减少及长时间处扩软骨痂状态还降低血肿内钙离子浓度，动物实验（家兔桡骨折）给予肝素形成持续血肿，临床报告因骨折合并血栓静脉炎用抗凝剂，结果骨折均未愈合。环磷酸胺是细胞毒性剂，同时影响结缔组织修复。动物实验中，该药使骨折端再吸收并推迟骨形成，使骨折延迟愈合。
（贺海怿；汤立新；张春霖；娄朝晖）
§§第三篇 现代口腔科生物材料
