牵张速率对牵张成骨区骨再生与矿化影响的研究进展

刘 凯 综述， 艾合买提江·玉素甫 审校

20世纪50年代Ilizarov发现并命名的牵张成骨(DO)技术已在创伤、矫形等骨科手术中应用广泛[1-9]。该技术旨在将骨痂愈合机制与机械牵张力的生物力学性质相结合，在牵引间隙以可调控的方式形成新骨，恢复骨长度。对长骨而言，1 mm/d的牵拉速度是被学者普遍认可的[1,10-19]。但因从带架直到形成新骨矿化的周期较长，使该技术也伴随较多的并发症，骨不愈合是其中之一。尽管已有研究描述了手术、物理和药物等干预措施以确保在DO过程中成功形成新骨[20-24]，但这些方法因价格昂贵、操作繁琐有时在临床上难以施行。

DO的疗程和效果很大程度上由骨再生及矿化的过程所决定，其中牵拉速度和频率对牵张区再生骨质量的影响越来越得到学者们的重视。近年来，基于DO的交替牵拉-压缩(CDC)技术以张力-应力法则为基准[25-27]，凭借骨愈合所需的断端生物应力刺激，为骨愈合创造有利的力学环境，一定程度上缩短了骨矿化及带架时间。此外，该技术操作简便，避免了多次手术治疗造成的血管、软组织损伤等手术创伤，进一步降低了骨不连的发生率。故有学者[24]尝试分别在牵张期、矿化期运用不同的CDC技术促进新骨再生，缩短治疗周期，以减轻牵张操作及带架给患者带来的痛苦，但目前仍无确定的治疗标准。因此，本文从速度、频率、幅度、周期4个方面进行文献综述，探讨牵张速率对牵张成骨区骨再生与矿化的影响，为临床治疗提供理论参考。

1 速度

据报道[28-33]，牵拉速度在很大程度上影响着牵张区新骨的形成。1 mm/d的牵张速度是被普遍认可的，<1 mm/d 的牵张速度会延缓骨形成，适当增加牵拉速度对血运和肌组织有积极作用。1～1.5 mm/d的牵拉速度可在牵张区创造低氧环境，并保持良好的血管连续性，刺激血管再生为新骨的形成提供丰富的血氧条件，加速新骨形成及矿化。但速度>1.5 mm/d时，易发生纤维融合或软骨增生。

Ilizarov et al于1997年在动物实验中发现，以2 mm/d的速度延长及固定4周后，骨折端以结缔组织愈合；速度为1 mm/d时，则为骨痂愈合。Mills et al[34]在绵羊下颌骨牵张模型研究牵拉速度对新骨形成的生物力学、矿化和组织学特性的影响时发现，新骨矿化效果1 mm/d的牵拉速度优于2～4 mm/d。Black et al[28]在类似的研究中也发现，牵拉速度>1 mm/d时，纤维骨量随牵拉速度的增加而增加，而新骨量相对减少。对长骨的研究[35]结果显示，当每天牵拉超过1.5 mm时，显著延迟牵张区骨形成，造成不完全骨痂对合；当每天牵拉0.5 mm时，骨形成变缓致早期骨痂对合，造成延长受阻。临床应用中多采用1 mm/d的牵张速度。Matsuhashi et al[4]采用了压缩-牵张-再压缩方法成功治愈了2例股骨骨折术后骨不连接患者，牵拉速度为1 mm/d。Biz et al[5]以1 mm/d的牵拉速度成功治愈72例非感染性长管状骨骨不愈合患者。Szelerski et al[9]以1 mm/d的速度成功治愈了75例髓内钉术后骨不愈合患者。

2 频率及幅度

频率及幅度意为达到牵拉速度而每日实施牵拉的次数及相匹配的长度。在适宜牵拉速度范围内，牵拉频率与形成新骨的能力成正比，幅度与其成反比。在牵拉-压缩过程中，幅度过大的牵拉力会造成牵张区软组织中的血管破裂并形成微血肿，使愈合过程中断，小幅度牵拉则无这些不良反应。Ilizarov et al于1997年在狗胫骨的实验中发现，当频率为60次、幅度为每次0.017 mm时，不易在牵张区产生纤维结缔组织，矿化1个月后的骨密度与正常骨类似，而牵拉幅度为每次1 mm时的实验动物在矿化半年后才能达到正常骨密度。另外，Paley et al[29]的研究表明，在间歇牵张过程中，牵张装置突然激活造成的微创伤在连续激活时会消失。Poort et al[30]在应用液压牵张器建立猪下颌骨牵张模型的研究中显示，持续高频率、低幅度的低牵拉力刺激牵张区成骨的效果优于间断高牵拉力。因此，持续高频率、低幅度牵拉可以加速成骨。大多数学者[1,3-5,9-11]推荐速度为1 mm/d时, 频率为每天 2～4次，每次幅度0.25～0.50 mm。

目前，以液压驱动原理设计的自动牵张装置因其准确、持续及高效牵张的优势被学者关注。Ploder et al于1999年使用了第一台电动牵张成骨(ACDO)装置，该装置能够以0.04 mm/h的速度牵拉搬移夹块。随后Crane et al于2004年对ACDO程序的电机驱动机制进行了可行性研究，使ACDO装置允许的最大牵张距离达到15 mm。Zheng et al于2008年在兔下颌骨牵张模型中应用1.5 V纽扣锂电池作动力驱动的ACDO并以每秒8次、每天2圈的速度牵拉，取得了良好的牵张区骨愈合效果。Hatefi et al[31]于2019年研制了精度为7.6 nm、平均误差为每次0.06 nm的电机驱动ACDO装置，证实了高频率、低幅度的牵拉新骨形成效果更好。笔者认为ACDO技术的进步有望将高频率、低幅度牵张力在临床治疗中普及，但最佳的牵拉频率及幅度仍未可知。

3 周期

完成一次DO所经历的时间即为周期。依据牵张长度的大小，周期也长短不一。Ilizarov et al于1988年将DO过程分为3个阶段：潜伏期、牵张期、固定期。潜伏期是截骨术后至牵张期开始前，一般为5～7 d。潜伏期的生物活性与骨折愈合初期相似，主要表现为血肿形成，骨折端的骨细胞、破损的骨膜等发生坏死，并释放多种成骨因子[32-35]。牵张期是利用牵张装置以恒定的速度持续稳定的牵张-分离两截骨端。在持续稳定的机械拉力刺激下，牵张区的成骨细胞及成骨因子处于高活性状态，持续发生牵张间隙内骨生成的级联反应。牵张期结束后即进入到固定期，在稳定的固定条件下，牵张区的类骨质进一步转化为矿化骨。在DO过程中，牵张长度决定着牵张期时长，固定期则提示着牵张间隙骨痂塑形及钙盐沉积情况。随着牵张长度的增加，DO周期也不可避免的被延长，使并发症发生的风险增大，如钉道感染、牵张区延迟愈合或不愈合。为加速牵张区新骨形成，减少并发症，缩短DO周期，多节段DO技术、联合髓内钉或加压钢板的改良DO技术、CDC技术等被应用于临床[5,9,12,32-35]。另外，一些物理、药物等干预措施也被证实可在DO过程中成功加速骨形成，缩短DO周期，但这些方法因价格昂贵、操作繁琐多停留在实验阶段[20-24]。

CDC技术应用于固定期，因其遵循张力-应力法则，且具有贴合人体生理性成骨过程的优势，在加速骨形成的同时减少了延迟愈合、不愈合等并发症的发生，可有效缩短DO周期。Biz et al[5]在成功治疗72例股骨干骨折不愈合患者时，运用的CDC方案为：压缩期0.5 mm/d×7 d，7 d间歇期后，牵拉期0.5 mm/d×7 d，循环反复至骨愈合。Szelerski et al[9]在治疗24例胫骨创伤后假关节患者时应用的CDC方案为：压缩期1 mm/d×7 d，牵拉期0.5 mm/d×7 d，反复4个周期，患者均获得骨愈合。Baruah et al[36]成功治愈了1例因骨发育不良造成的顽固性骨不愈合患者时设计的CDC方案：压缩期0.5 mm/d×7 d，牵拉期0.5 mm/d×7 d，间歇3～5 d，循环3个周期后，再以0.25 mm每3天的速度压缩至骨愈合。另外，Matsuhashi et al[4]成功治愈5例非感染性长骨骨折不愈合患者采用的CDC方案：先对不愈合端加压并维持2周，然后以1 mm/d的速度逐渐牵拉10～14 mm，维持2周后再以1 mm/d的速度进行压缩，循环反复直至断端愈合。因此，在固定期应用CDC技术可有效预防牵张区延迟愈合或不愈合。多数学者[6,19-21,29-32,36-38]在应用CDC技术时认为，压缩后间歇再进行牵拉是有必要的，间歇期给予了新生血管爬行及成骨细胞适应力学改变的时间，防止应力变化过快造成二次损伤。如同在潜伏期，允许前成骨细胞或成骨细胞在此期间释放多种成骨因子，促进骨形成。然而，国内外研究主要将加快牵张区成骨的重心置于缩短固定期，对CDC技术如何应用于牵张期尚无定论。

4 总结

牵拉速度、频率、幅度及周期对于DO术后成骨效果的影响是显著的。牵拉速度较大时，频率慢，幅度大而周期长，牵张区出现纤维组织连接或软骨增生；牵拉速度较小时，频率快、幅度小而周期短，将延长间隙使新生骨提前闭合。因此，在每日牵拉速度固定的前提下，频率越高，幅度越小，新骨形成越好，矿化周期越短。但适当加快牵拉速率对缩短骨延长周期并获得切实临床疗效的具体方案还有待进一步研究。