振動對骨組織生長的影響及其應(yīng)用

振動對骨組織生長的影響及其應(yīng)用

骨骼是一個力學(xué)敏感的組織，它可以根據(jù)不同的受影響程度而改變骨骼的數(shù)量、結(jié)構(gòu)和力學(xué)特征。應(yīng)力對骨組織的生理調(diào)節(jié)作用已被大家所認識,而其機制仍不明確,目前提出了各種假說,探討應(yīng)力對骨骼系統(tǒng)的生理作用機制,挖掘其潛在的臨床應(yīng)用前景,是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。機械振動是應(yīng)力刺激形式之一,是指應(yīng)力以周期性的方式作用于骨,在一定的頻率范圍內(nèi),機械振動對成骨可起到積極作用。相對于其他應(yīng)力刺激方式,機械振動具有無創(chuàng)、加載時間短、見效快、頻率幅值等控制參數(shù)易調(diào)節(jié)的優(yōu)點,具備良好的臨床應(yīng)用潛力。本文根據(jù)目前相關(guān)理論和研究進展,就振動對骨組織生長的影響及其應(yīng)用綜述如下。一、機械振動對骨的影響20世紀90年代,Frost提出骨組織中可能存在引起骨量重新分配而適應(yīng)力學(xué)環(huán)境的機制,指出力學(xué)載荷作用于骨組織,骨內(nèi)感應(yīng)系統(tǒng)把接受到的力學(xué)刺激轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)信號,由生物力學(xué)反饋系統(tǒng)作用于骨組織,通過骨構(gòu)建和骨重建來調(diào)節(jié)骨量,使骨量的分布更有效地承受外力作用。機械應(yīng)力是骨生長與重建的重要參與因素。研究顯示,骨對動態(tài)應(yīng)變比較敏感,當動態(tài)應(yīng)變頻率為15~30Hz時,很小的應(yīng)力就可產(chǎn)生較大的成骨反應(yīng),增加骨量。合適的應(yīng)力刺激,可以增加骨量、骨強度,改變骨結(jié)構(gòu)、形態(tài)(增加骨橫截面積,增加皮質(zhì)骨厚度)。最近的研究顯示,低幅、高頻機械振動可以很大程度影響骨形態(tài)。極低幅值的機械刺激,可以有效地增加骨的合成代謝,動物和臨床試驗都證明了機械振動既能增加骨量也可改善骨的結(jié)構(gòu)。Rubin等對6~8歲雌性綿羊后肢施加頻率為30Hz,加速度為0.3g的機械振動刺激,1年后綿羊股骨近端松質(zhì)骨密度、小梁骨骨量、骨小梁面積分別較對照組提高34.2%、32%和45%,骨小梁間距降低36%,骨形成率及礦化表面分別較對照組高2.1倍和2.4倍。Xie等對8周齡雌性BALB鼠施加幅值為10με的機械振動(45Hz,0.3g),3周后與對照組對比發(fā)現(xiàn)鼠脛骨干骺端及骨骺的破骨細胞活性降低了33%和31%,干骺端皮質(zhì)骨內(nèi)表面骨生成度率增加30%。有限元分析證明,經(jīng)過全身振動(30Hz,0.3g)刺激的羊小梁骨,縱向、前后向、橫向剛度分別增加17%、29%、37%,抗骨折能力增強。動物實驗揭示了低幅、高頻的機械振動可刺激骨組織的合成代謝,增加骨量,改善骨質(zhì),提高骨強度、剛度,提高骨生成率、骨礦含量,使骨具備更高的生物力學(xué)性能,也反應(yīng)了骨對外部應(yīng)力的順應(yīng)性,臨床試驗也驗證了這一觀點。李志香等對測試者進行3個月(10min/d,每周5次)的全身振動試驗,振幅為0.5mm,3個月后試驗組腰椎骨密度平均提高1.29%,股骨的骨密度平均提高1.65%,有效率為80%。Gilsanz等對低骨密度年輕女性進行全身振動(30Hz,0.3g)研究,發(fā)現(xiàn)腰椎松質(zhì)骨、股骨中段皮質(zhì)骨分別增加2.0%、2.3%。二、機械振動的臨床應(yīng)用大量實驗證明合適的機械振動可增加正常骨的骨量、骨強度,改變骨結(jié)構(gòu)、形態(tài),也有研究表明,機械振動具有治療臨床常見的多種病理性骨損傷的應(yīng)用前景。1.機械研磨對骨折愈合質(zhì)量的影響范真等將40只6~8個月齡家兔隨機分為4組,除對照組外,其余3組均造右后肢骨折模型,分別于骨折后24h、48h、72h給予25Hz的間歇振動,結(jié)果顯示,凡進行過間歇性振動刺激的實驗組,骨愈合速度與質(zhì)量均優(yōu)于不使用振動刺激的對照組,骨折后48h和72h介入的振動組比對照組愈合的速度和骨質(zhì)結(jié)構(gòu)明顯提高,提示過早介入可能由于血腫未能吸收而影響愈合質(zhì)量。機械振動可有效促進骨折愈合速度和質(zhì)量,適當?shù)恼駝幽苁构钦蹟喽耸艿綑C械的刺激而產(chǎn)生應(yīng)變,是誘導(dǎo)骨痂形成的條件。研究表明,10~50Hz的振動應(yīng)力刺激有利于骨痂的形成,骨痂的承載能力較強,優(yōu)于50~90Hz的機械振動。Goodship等對羊脛骨干造截骨模型,對實驗組施加低幅高頻(25με、30Hz)機械振動,術(shù)后10周,實驗組骨痂剛度、強度、體積相對于對照組增加3.6倍、2.5倍、29%,骨礦含量增加52%,骨膜內(nèi)骨礦含量增加2.6倍。提示低幅高頻振動不僅可以改善正常骨的結(jié)構(gòu)和形態(tài),也可以刺激骨痂形成,利于骨折愈合。2.振動的長期作用根據(jù)Frost的力學(xué)調(diào)控理論,骨組織在微重力環(huán)境中,所受應(yīng)力遠低于正常值。應(yīng)力導(dǎo)致骨組織內(nèi)部發(fā)生的應(yīng)變低于骨重建閾值,骨組織處于廢用狀態(tài)。骨吸收量>成骨量,長時間處于廢用狀態(tài)將會導(dǎo)致廢用性骨質(zhì)疏松。航天環(huán)境以及長期臥床的情況都會導(dǎo)致骨組織處于廢用狀態(tài),骨骼處于無負荷、無應(yīng)力刺激狀態(tài),是廢用性骨質(zhì)疏松發(fā)生的根本原因。研究表明,振動具有緩解失重帶來的骨質(zhì)下降的作用,但無法完全避免骨質(zhì)的丟失。葉超群等對脊髓損傷導(dǎo)致廢用狀態(tài)下骨質(zhì)疏松大鼠采取頻率為20Hz的全身振動測試,指出早期開始的振動干預(yù)可緩解骨質(zhì)疏松,而后期進行的振動干預(yù)不能改善骨質(zhì)疏松狀況,但可防止其發(fā)展。由NASA資助的科學(xué)家和國際太空生物醫(yī)學(xué)研究協(xié)會在休斯頓揭示了一個現(xiàn)象,幾乎察覺不到的振動可能刺激骨生長,科學(xué)家們建議宇航員可以通過每天站在一個輕微振動的平臺上10~20min來防止骨丟失。隨著宇航事業(yè)的快速發(fā)展,解決微重力環(huán)境引起的骨質(zhì)疏松情況具有重要的實際意義。3.高頻振動刺激骨質(zhì)疏松癥已成為世界范圍內(nèi)的疾病,尤其在絕經(jīng)期婦女和老年人中發(fā)病率極高,它被定義為一種系統(tǒng)性的骨骼疾病,以骨質(zhì)降低、骨組織的顯微結(jié)構(gòu)退行性病變和骨折的危險性增加為特征,已成為中老年骨痛、骨折及致殘的主要原因之一,嚴重影響患者的生活質(zhì)量。通常采用物理鍛煉方法來預(yù)防和控制骨質(zhì)疏松,但物理鍛煉見效緩慢,對于高齡患者,強度高的鍛煉會導(dǎo)致?lián)p傷。全身振動是一種新預(yù)防骨折和骨質(zhì)疏松的方法,最近的研究顯示,全身振動在保持行走步態(tài)、身體平衡和運動能力方面具有積極的作用。Rubin等的研究結(jié)果表明,高頻低幅(30Hz,2.0mm)連續(xù)12個月的振動刺激,可使絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松婦女股骨頸(BMD)較對照組增加2.17%,腰椎BMD較對照組增加1.5%。振動對絕經(jīng)后婦女骨質(zhì)和骨量的提高是有效的,尤其對承重骨。有研究表明,頻率越高可促進骨形成所需的應(yīng)變強度越低,因而在生理范圍內(nèi)調(diào)節(jié)頻率或應(yīng)變幅度以達到最適合人體的條件具備理論基礎(chǔ)。最新研究揭示,高頻低幅(45~55Hz,≤0.2g)的復(fù)合方向(垂直、水平)機械振動,可明顯恢復(fù)卵巢切除SD大鼠的腰椎、股骨的骨密度,對治療骨質(zhì)疏松具有一定的治療作用,相對于大部分實驗所使用的≥0.3g的加速度,較小的加速度可以減少人體對振動的不適,振動對骨的生理作用可通過提高振動頻率來彌補,復(fù)合方向的應(yīng)力刺激可減小骨組織對振動的適應(yīng)性,更有效地提高骨密度。目前,全身振動試驗采用的振動方式大多是垂直振動,以一定的加速度產(chǎn)生垂直方向的位移變化,導(dǎo)致骨內(nèi)發(fā)生應(yīng)變。有學(xué)者傾向于水平方向的滾動軸以一定加速度左右擺動,使左側(cè)、右側(cè)相繼產(chǎn)生垂直方向的位移變化,不僅在垂直方向有應(yīng)變產(chǎn)生,同時水平方向也有應(yīng)力分量以及加速度。使用擺動方式施加機械振動,不僅可提高骨量,還可提高因年齡增大而減弱的身體協(xié)調(diào)性。Gusi等使用擺動方式對絕經(jīng)后婦女施加高頻振動刺激(20Hz),8個月后檢測股骨頸骨密度值增加4.3%,身體協(xié)調(diào)性提高29%。身體協(xié)調(diào)性差是導(dǎo)致老年人骨折的重要因素之一,老年人下肢的協(xié)調(diào)性,隨年齡增長而降低。提高老年人身體協(xié)調(diào)性,為治療老年患者骨質(zhì)疏松導(dǎo)致骨折提供了新的思路。4.振動頻率對臨床應(yīng)用的影響盡管機械振動對骨的合成代謝具有積極作用,但對人體使用振動刺激也有其局限性。人體是一個彈性體,各器官都有它固有的頻率,當外來振動的頻率與人體某器官的固有頻率一致時,就會對其造成傷害,因此全身振動與局部振動的適用頻率具有很大差異。Rubin等的研究指出,全身振動將機械載荷傳遞至四肢及軸向骨,不同頻率傳遞振動的效果有所不同,<20Hz的振動傳遞效果最好,常用的頻率為15~60Hz,通常使用15~35Hz。由于人體共振頻率范圍在5~10Hz,所以,通常不使用20Hz以下的振動作