生物力学因素在股骨头坏死发生发展中的作用研究进展

汪松，张弢，马信龙，张弸羽(天津医科大学总医院，天津 30005；天津医院)

·综述·

生物力学因素在股骨头坏死发生发展中的作用研究进展

汪松1，张弢1，马信龙2，张弸羽2(1天津医科大学总医院，天津 300052；2天津医院)

摘要：股骨头坏死是骨科常见疾病，其发病因素尚不完全明确。股骨近端以其特有的悬臂梁结构在人体运动过程中承受数倍于体质量的负荷，在传递外部载荷中发挥重要的生物力学作用。股骨头坏死相关生物力学理论有骨重塑理论(股骨头内小梁的形态结构和排列方式随外部载荷可逐渐改建。若股骨颈骨折时复位不良，可导致松质骨力学强度逐渐下降进而坏死)和Frost力学调控假说(股骨头内小梁结构在外部载荷下可发生不同程度的变形，若变形过大可导致微骨折增多、力学强度下降，进而进一步增大小梁变形程度而发生恶性循环，最终导致股骨头坏死)。生物力学因素在股骨头坏死发生发展中发挥作用，且已通过动物实验、临床试验、数字化骨科方式得到验证。

关键词：股骨头坏死；生物力学；骨重塑理论；Frost力学调控假说

股骨头坏死是一种可导致股骨头塌陷、关节功能障碍的疾病，以往称之为股骨头缺血性坏死[1]。Ueo提出的“缺血假说”并不能有效的诠释股骨头坏死机制，后来临床学者提出生物力学因素在股骨头坏死过程中可能发挥重要作用。本文就生物力学因素在股骨头坏死发生发展中的作用研究进展作一综述，以期为研究股骨头坏死的学者提供线索。

1股骨近端解剖及其生物力学特性

根据生物进化理论，生物体的结构和功能相互适应并趋于统一的观点已成为共识。而人体骨骼作为一种兼具特殊力学结构和各向异性、非均质的材料，具备特殊的生物学和力学特性，使人类直立行走成为现实[2]。股骨由于其特有的解剖结构，使股骨头、颈在各种动作下受到不同的作用力效果。

股骨头形态特殊、作用独特，与髋臼、关节盂、耻骨韧带、髂股韧带、坐股韧带等结构形成稳定又不失灵活的杵臼关节，对维持人体直立姿态以及保证各种运动的顺利完成具有重要作用。电镜下股骨头松质骨内骨柱和骨板相互交织成网，构成多孔骨组织。骨柱直径为80～150 μm，呈拱形并沿各方向排列，且每两个拱形骨柱之间存在一定空隙。拱形骨小梁具有重要力学作用：①形态模型：拱形的骨微结构可以降低拱形高度、减少拱形弯矩、向两端的拱形底部产生水平推力，成为理想的缓冲轴向静态力学的骨组织；②结构模型：拱形多孔网状骨组织内的空间具有一定程度的可变潜能，从而可以借助骨柱的拱形结构产生较大位移，将外部冲击载荷转化为弹性势能贮存在股骨头内。待载荷消除，松质骨内部的微观拱形结构弹回原状，将能量重新释放，从而使得股骨成为承受冲击载荷的重要结构[3]。

2股骨头坏死相关生物力学理论

2.1骨重塑理论Wolff[4]在《骨转化的定律》中写道，骨骼是一种自优化的器官，可以快速适应力学环境，按一定数学法则，以某特定的方式改变骨的内部结构和外部形态，达到以最简结构承担最大应力的目的。股骨颈骨折后复位不良和大量使用糖皮质激素导致的股骨头坏死中，其发生机制利用Wollf定律都可以得到有效解释，即由于骨质疏松或应力线改变，导致股骨头负重区的骨小梁难以承受原有应力强度而发生微骨折。随着有害应力的积累，微骨折超出骨质本身的修复作用，使得骨小梁的断裂成为不可逆过程，进而机体启动骨细胞凋亡等一系列反应，最终造成股骨头坏死和塌陷。

2.2Frost力学调控系统假说1987年，Frost提出了著名的“力学调控系统假说”，该系统是由许多相关生物机制组合而成的类似“人体温度调节系统”的闭环系统，可根据外部机械应力的大小转换成相应强度并作用于骨内的生物信号，进而调节骨微结构。Frost的核心理论为“力学调控”，即通过外界载荷刺激应力感受装置，使之产生不同的应变，进而控制骨代谢活动[5]。

力学调控假说较好的解释了股骨头坏死的发生、发展过程。股骨颈骨折患者愈合后，随着下地负重，机体可感受到剧烈的应变变化，造成局部骨小梁微骨折，从而引起明显的骨修复、骨塑建和改建[6]。由于这种不良刺激长期存在，会引起过度骨改建的发生，即松质骨向骨形成方向过度转化。此时骨小梁走向变得杂乱无章，形成相对各向同性的编织骨，使刚度明显上升，即硬化带的形成。当骨质增加无法补偿这种长期髙应力刺激时，骨单位改建受阻，微骨折不能修复，出现创伤性炎症、炎性纤维肉芽组织浸润和增生。如此反复过载和过度应变可引起骨小梁发生显微镜下可见的疲劳损伤或微骨折，该微骨折可降低骨整体的力学性能。微骨折持续积累可导致自发应力骨折、成人股骨头坏死并塌陷等严重后果[7]。

3生物力学因素在股骨头坏死发生发展中的作用

3.1动物实验验证众多学者进行动物股骨头坏死造模过程中进一步证明了力学因素在股骨头坏死中的重要作用。Conzemius等[8]应用两足大型动物鸸鹋制作股骨头坏死模型，发现同样是将旋股内外侧动脉切断、剥离关节囊周边附着组织，并在股骨头内注射液氮的情况下，双足负重动物鸸鹋形成股骨头坏死成功率远大于四足动物。经组织学检查，坏死股骨头多处可见骨小梁骨折和塌陷，骨髓腔中充满纤维和肉芽组织，软骨面失去光滑外形，甚至有动物模型出现了新月征，完美的再现了人股骨头坏死进程，证明了机械应力在股骨头坏死形成中的重要作用。Hirano等[9]选用自发性高血压大鼠，通过损伤坐骨神经的方法减少大鼠髋关节负重，结果股骨头坏死的发生率明显降低，因此提出股骨头坏死与股骨头所受机械应力之间应有密切关系。为了进一步证实这一观点，Mihara等[10]将自发性高血压大鼠分别放入两组特质的笼子内，第一组大鼠正常站立进食，第二组大鼠在特制的笼子内无法站立而俯卧进食，结果显示站立组大鼠股骨头坏死发生率高达40%，而非站立组仅为5%，有力的证明了股骨头坏死与力学因素的相关性。

3.2临床验证在临床工作中，众多学者逐渐意识到生物力学因素在股骨头发生发展中的作用。张义修认为，股骨头坏死不能单纯凭借血运不良进行解释，例如股骨颈骨折导致的股骨头坏死高发期在手术完成并完全负重后1～3 a，有悖于缺血性股骨头坏死理论，即与创伤之始已遭受严重血运破坏，理应短期内发生坏死的推论有很大差距。马信龙等[11]认为，股骨头坏死是由于应力分布改变导致骨小梁过度改建造成，并且为验证这一观点，对两例股骨颈骨折患者术前和术后3、6、12个月及取钉后的两侧髋关节分别行血流相、血池相、静态相检查，发现各时间点患侧股骨的血流灌注较健侧增加，证实生物力学因素较血运在股骨头发生发展过程中更应得到重视。

在股骨头坏死的临床治疗中，股骨头坏死与生物力学因素相关性也得以展现。股骨头坏死的治疗主要包括限制负重的保守疗法[12]和手术治疗[13]，其中限制负重作为非手术治疗的首要手段，对控制疾病恶化具有重要意义。Mont等[14]发现，限制负重后，35%的Ⅰ期股骨头坏死患者、31%的Ⅱ期患者、13%的Ⅲ期患者未出现塌陷，患者功能得到了极大的改善。Koo对采用非手术手段治疗股骨头坏死的患者进行随访，指出限制负重后有超过22%的患者在2 a内可达到满意疗效。究其原因可能是股骨头坏死患者限制负重后进行康复活动可以产生适度的变形。根据Frost“力学调控”理论，适度的变形可以促进成骨及骨的改建，在股骨头内重新塑造力线，以增强股骨头抵抗外部载荷能力，避免股骨头塌陷，使疾病自限甚至逐步逆转病情。

手术治疗是股骨头坏死晚期不可避免的治疗手段，在整体治疗过程中具有重要地位，常见方法包括髓芯减压术。髓芯减压术是根据股骨头内压力升高导致股骨头缺血坏死的理论发展而来。Koo对早期股骨头坏死患者采用髓芯减压和保守疗法进行随机对照研究后发现，两组患者塌陷率却无明显差别，分别为78%、79%。甚至有学者认为，此术式下软骨下骨的机械支撑减弱，反而导致整体力学结构及性能进一步下降，恶化了坏死程度，加速了股骨头的塌陷。近年来，髓芯减压术在生物力学思想指导下，与钽棒、植骨材料相结合，通过人为改变股骨头内力线、加强股骨头整体力学性能对股骨头坏死早期患者进行治疗[15]。Veillette等[16]认为，髓芯减压结合钽棒植入较单纯减压术短期内在保护股骨头形态方面效果较好，证实了力学因素在治疗股骨头坏死中的指导价值。

3.3数字化骨科方式验证近年来，数字化骨科在微观或半微观水平迅猛发展，使得坏死股骨头的骨小梁空间形态变化、内部力学性能、手术方法选择和疗效预测方面得以稳步展开。

杨彬等利用多模态图像融合技术将CT、MRI、X线等医学图像经过配准后有机整合，构建了包括皮质骨、松质骨、关节软骨、股骨头坏死区、断裂骨小梁六部分的骨盆和股骨近端的三维模型，将坏死区域的空间结构和体积精确展现。Fraitzl等[17]纳入339例患者通过数字化手段测量偏心距，与健康者偏心距进行对比后，推测偏心距的大小与股骨头坏死有密切关系。杜长岭等[18]利用虚拟数字技术测量了股骨颈骨折后股骨头的三维空间移位程度，发现Garden Ⅰ型股骨颈无移位型骨折的股骨头尚存在明显移位，与传统观点认为的“无移位”有极大出入，解释了无移位型股骨颈骨折同样具有股骨头高坏死率的现象。Volokh等[19]更是利用数字化场景虚拟技术进一步进行了股骨头坏死塌陷的预测，突破了临床医生仅凭经验和二维图像进行疾病预测的不足，为探讨生物力学因素导致股骨颈骨折后的股骨头坏死提供了又一有力证据。

综上所述，股骨头坏死的机制探索和治疗仍是骨科研究中热点问题，“缺血”、“力学因素”和“凋亡”三大致病假说占据着主要地位。“力学因素致病假说”以其较为完备、严谨的理论基础和实验支持越来越受到临床医师的认可。深入研究力学因素和股骨头坏死之间的作用机制，可以有效的施加干预措施，预防坏死发生、终止股骨头坏死进程，从而以科学、完备的理论和方法指导临床工作。

参考文献：

[1] Arlet J. Nontraumatic avascular necrosis of the femoral head. past, present, and future[J]. Clin Orthop Relat Res, 1992,(277):12-21.

[2] Burkhart TA, Andrews DM, Dunning CE. Finite element modeling mesh quality, energy balance and validation methods: a review with recommendations associated with the modeling of bone tissue[J]. J Biomech, 2013,46(9):1477-1488.

[3] Issever AS, Burghardt A, Patel V, et al. A micro-computed tomography study of the trabecular bone structure in the femoral head[J]. J Musculoskelet Neuronal Interact, 2003,3(2):176-184.

[4] Wolff J. The classic: on the theory of fracture healing. 1873[J]. Clin Orthop Relat Res, 2010,468(4):1052-1055.

[5] Cheung AM, Adachi JD, Hanley DA, et al. High-resolution peripheral quantitative computed tomography for the assessment of bone strength and structure: a review by the Canadian Bone Strength Working Group[J]. Curr Osteoporos Rep, 2013,11(2):136-146.

[6] Skerry T. Mechanostat function during skeletal development[J]. J Musculoskelet Neuronal Interact, 2008,8(1):12.

[7] 张天一,赵德伟,王增立,等.髓芯减压术治疗动脉缺血和静脉淤血所致犬股骨头坏死疗效观察[J].山东医药,2014,54(2):32-34.

[8] Conzemius MG, Brown TD, Zhang Y, et al. A new animal model of femoral head osteonecrosis: one that progresses to human-like mechanical failure[J]. J Orthop Res, 2002,20(2):303-309.

[9] Hirano T, Majima R, Yoshida G, et al. Characteristics of blood vessels feeding the femoral head liable to osteonecrosis in spontaneously hypertensive rats[J]. Calcif Tissue Int, 1996,58(3):201-205.

[10] Mihara K, Hirano T. Standing is a causative factor in osteonecrosis of the femoral head in growing rats[J]. J Pediatr Orthop, 1998,18(5):665-669.

[11] 马信龙,马剑雄,王志钢,等.股骨颈骨折后股骨头坏死的原因分析[J].医用生物力学,2009,24(S1):99.

[12] Kim HK, Aruwajoye O, Du J, et al. Local administration of bone morphogenetic protein-2 and bisphosphonate during non-weight-bearing treatment of ischemic osteonecrosis of the femoral head: an experimental investigation in immature pigs[J]. J Bone Joint Surg Am, 2014,96(18):1515-1524.

[13] Zalavras CG, Lieberman JR. Osteonecrosis of the femoral head: evaluation and treatment[J]. J Am Acad Orthop Surg, 2014,22(7):455-464.

[14] Mont MA, Hungerford DS. Non-traumatic avascular necrosis of the femoral head[J]. J Bone Joint Surg Am, 1995,77(3):459-474.

[15] Floerkemeier T, Lutz A, Nackenhorst U, et al. Core decompression and osteonecrosis intervention rod in osteonecrosis of the femoral head: clinical outcome and finite element analysis[J]. Int Orthop, 2011,35(10):1461-1466.

[16] Veillette CJ, Mehdian H, Schemitsch EH, et al. Survivorship analysis and radiographic outcome following tantalum rod insertion for osteonecrosis of the femoral head[J]. J Bone Joint Surg Am, 2006,88(Suppl 3):48-55.

[17] Fraitzl CR, Kappe T, Pennekamp F, et al. Femoral head-neck offset measurements in 339 subjects: distribution and implications for femoroacetabular impingement[J]. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 2013,21(5):1212-1217.

[18] 杜长岭,马信龙,张弢,等.股骨颈嵌插型骨折空间移位程度的三维重建研究[J].中华骨科杂志,2012,32(5):451-456.

[19] Volokh KY, Yoshida H, Leali A, et al. Prediction of femoral head collapse in osteonecrosis[J]. J Biomech Eng, 2006,128(3):467-470.

(收稿日期:2014-11-04)

通信作者：张弢

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11072021)；天津市科技支撑重点项目(13ZCZDSY01700) 。

中图分类号：R61

文献标志码：A

文章编号：1002-266X(2015)11-0089-03

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2015.11.037