第三节　应力下骨生物电特性与Wolff定律

人类对骨变形的研究始于20世纪50年代的日本，第1篇英文研究报告发表于1957年。近60年来，科研人员对生物电现象进行了广泛深入研究。骨骼电特性的研究带动了3个基础研究领域的研究方向：①在无应力作用下骨的生物电特征；②在应力作用下骨的生物电特征；③电及电磁力在矫形外科治疗中的作用。骨骼的生物力学特性、生物电特征与骨结构的重建引起骨赘增生、脊柱错位的自生电位等临床问题无不与之存在着密切的相关性。

一、骨组织学简介

骨骼是一种以血管为基础，不断进行再塑形的组织，由矿物质化的结缔组织所构成。骨组织中包括细胞、纤维和骨基质三种成分。分别介绍如下。

1.细胞

骨组织中的细胞有三种，它们是骨细胞、成骨细胞和破骨细胞。这三种细胞能相互转换，完成吸收旧骨质、产生新骨质的作用。骨细胞埋于骨基质内，是正常情况下的基本细胞，呈扁椭圆形，在骨组织中起新陈代谢作用以维持骨的正常生理状态，在特定条件下它可以转化成另外两种细胞。成骨细胞呈立方形或矮柱形，具有细小突起，它排列较整齐，胞核大而圆，位于胞体一端，细胞质为碱性，可以产生纤维和黏多糖蛋白而成细胞间质，从它分泌出的碱性胞浆使钙盐沉淀，而成为针状晶体排列于细胞间质中间，这些细胞间质将成骨细胞包围起来，成骨细胞逐渐变为骨细胞。破骨细胞是多核的巨细胞，胞体直径可达30~100μm，多分布于骨组织的被吸收的表面上，细胞质为酸性，内含酸性磷酸酶，它可以溶解骨的无机盐和有机质，并把它转移或排出到其他部位，从而使该部分骨组织破坏或消失。

2.基质

骨基质含有无机盐和有机质。无机盐又称为骨盐，占骨重的65%左右，其成分主要为羟基磷灰石晶体，长20~40nm，宽3~6nm，主要由钙、磷酸根和羟基结合而成，其表面附有Na+、K+、Mg2+等离子。有机质主要为黏多糖蛋白，组成骨中胶原纤维，羟基磷灰石晶体沿胶原纤维的长轴排列。胶原纤维因骨的类型不同而排列不同，在交织网状纤维骨中，这些纤维是绕缠在一起的，在其他类型骨通常是整齐地排列着。羟基磷灰石与胶原纤维结合在一起，具有很高的抗压性能。

3.纤维

骨纤维主要由胶原纤维构成，故称为骨胶原纤维，骨纤维呈规则的分层排列，它与骨盐紧密结合起来，形成板状结构，称为骨板或板层骨。同一层骨板内纤维大多数是相互平行的，相邻两层骨板的纤维层呈交叉方向，骨细胞夹在骨板之间。由于骨板间排列方间不同，因而使骨质有较高的强度和韧性，能合理地承受各方向压力。

Hudge和Sohmitt于1960年发现正常的胶原纤维是以平行的方式聚合而成。胶原纤维由原胶原分子组成，长约3000埃，形似织针的坚硬的杆状物（图3-11）。原胶原分子由3条缠绕着分别称为α1、α2和β的多肽链组，这一肽键三联体紧密结合，其中无容纳氨基酸的空间；侧链形成了原胶原的外表部分，带正电和负电的侧链呈非对称性分布在胶原分子长轴中心的周围，原胶原的长轴方向出现永久性偶极矩。胶原纤维的这种三维立体偶极性结构是产生压电现象的一个必要条件。

4.密质骨

密质骨又称皮质骨，位于扁骨的不规则骨的表层与长骨的骨干上。其骨板排列很规整，并且结合紧密，仅留下一些部位作为血管与神经通道。根据骨板所在位置，可将密质骨分为三部分，即环状骨板、哈佛（Haversion）骨板和间骨板。

环状骨板是指环绕骨干的外和内表面排列的骨板，分别有外环骨板与内环骨板。外环骨板由数层到十多层骨板组成，位于骨干的表层，成整齐的排列，其表面为骨膜覆盖。骨外膜中的小血管横穿外环骨板深入骨质中，穿过外环骨板的血管通道称为福尔克曼管（Volkmann’s Canal）。内环骨板位于骨干髓腔面上，由少数几层组成，板表面衬以骨内膜。内环骨板上也有福尔克曼管穿行，管中小血管与骨髓血管相连。

位于内、外环骨板之间并呈同心圆排列的骨板层称为哈佛骨板，呈几层到十几层与骨长轴平行排列。在哈佛骨板中有一条纵行的小管称为哈佛管，管中有血管及神经和少量疏松结缔组织，哈佛骨板与哈佛管构成哈佛系统。哈佛系统是组成密质骨的基本结构，又称作骨单元（ostson），其表面都有一层黏合质与其他哈佛系统相连。骨间板是位于骨单元之间的形状不规则骨板，没有哈佛管与血管穿过，由残留的哈佛骨板构成。

5.松质骨

松质骨位于骨的深部，由许多骨小梁互相交错构成，呈蜂窝网状。网孔大小不一，网孔内充满骨髓、血管和神经。骨小梁与力的传递方向一致，故骨质虽松但能承受较大的压力。另外松质骨还有巨大表面积，所以又称为海绵状骨。

骨的晶体结构与一种在岩石中发现的矿物质氟磷灰石非常相似，在骨晶体中，氟磷灰石中氟原子的位置被羟基对占据，因此称之为羟基磷灰石。羟基磷灰石中的有机基质主要由胶原蛋白组成，这些胶原蛋白也呈晶状结构。从末端看时，胶原是以长链状螺旋分子的形式并行排列形成一个规则的六边形结构。

二、骨生物电位与压电现象

骨由羟基磷灰石和胶原纤维组成的复合材料，沿轴向的弹性模量为165GPa，与钢的弹性模量200GPa相近。胶原纤维不严格服从胡克定律，但其切线弹性模量约为1.24GPa。骨的弹性模量介于羟基磷灰石与胶原之间，但骨的材料力学性能比两者都好。柔韧的胶原纤维可以阻止硬材料的脆性断裂，而坚硬的硬材料又不仅与复合材料本身性质有关，还与骨的构造方式、外形和胶原纤维如何联结等因素有关。

对骨的强度与骨的质量密度关系进行研究发现，骨强度与骨质量密度的相关系数为0.40~0.45。即使在同一块骨的不同部分其力学性质也是有差别的，各种长骨在它的管状部分强度最高，股骨最强之处在由上而下量的全长1/3的外侧。在骨的某一个点上，各个方向的力学性能也不相同。由于骨在受力时应变较小，骨的压缩时强度极限和极限应变都比拉伸时大，拉伸时的弹性模量比压缩时大，这说明骨结构的非均匀性。骨的力学性质还随年龄、性别、职业、生活经历和生活方式、遗传情况，营养状况而有很大差别。如青年人比老年人骨强度高10%以上，男性比女性高5%，运动员与体力劳动者经常用到的身体部位的骨力学性能超过一般人。人小腿部位的胫骨和手臂的桡骨是人体中强度最高的骨骼，而一般人右腿骨的强度要高于左腿。

Fukada和Yasuda于1957年首次对骨变形进行了研究，并于1962年提出了由应力介导的生物电位是Wolff定律作用的一个命令信号，且此命令信号对骨细胞的活动及其大分子物质的走向起着调控作用。Becker等于1964年提出了一个正式的反馈控制系统理论来阐述骨构型的调控，目前学术界已基本承认和接受这个反馈系统的主要理论和特征。经过许多研究人员不断地修正和补充，现已成为研究骨的生长、再塑形和修复的一个重要理论基础。研究的结果显示，骨骼生物电位：①依赖于骨细胞的生存；②不受去掉神经和动脉结扎的影响；③局部骨损伤可降低其生物电位的振幅；④在骨折部位可出现明显的负电荷；⑤在骨的生长部位有较高的负电荷；⑥动物死亡后其骨生物电位的振幅降低；⑦骨生物学电位的产生可不需要应力的作用。Pollack指出，这些非应力作用下的骨电位与站立稳定状态下电位相似，这些稳定状态下生物电位的作用尚不明了。Athenstaedt和其他研究人员认为这些电位在控制骨的正常生长以及骨的修复功能等方面发挥着重要的作用。Behari和Singh认为这种直流电活动的产生是离子梯度以及离子跨膜转运至组织的异源结构所致，这种组织结构使得偶极的极化分子增多。研究表明，与其他部位相比，骨的生长活跃区呈现出较强的电活动。非应力和应力作用下产生的电位很可能与细胞信号反应密切相关，这些电位的来源尚不完全清楚。变形骨上的电荷分离已经引起了人们的极大兴趣，并对此进行了深入的研究，流程表中负反馈系统的5个板块的研究内容逐一介绍如下。

1.有机结构压电现象的必要条件

Athenstaedt于1970年指出，羟基磷灰石属于六角形双棱锥状的晶体结构，为一中心对称性结构，因而既无热电性又无压电性。Fukada和Yasuda于1964年在干燥的肌腱上观察并检测到了压电现象。肌腱主要是由平行的胶原纤维组成，其间胶原分子的走行与肌腱长轴的方向完全一致，且90%多的胶原纤维呈晶体化。胶原具有吸收水分子的能力，30%的水分子与胶原分子呈化学性结合，胶原纤维的对称性结构随之发生变化。但Anderson和Erikkson于1968年发现新鲜的胶原纤维没有压电现象，因此在体内肌腱不具有压电特性。由于骨骼中的羟基磷灰石晶体与胶原呈化学性地紧密结合在一起，阻止了胶原吸收水分后体积扩张的趋势。因此，干燥骨和活体骨具有压电特性。压电现象具有高度的方向性，一般认为，只有在剪力与骨的方向相同时，才会产生压电现象。除压电现象外，尚无证据支持其他应力可在干燥骨上诱导出电压。当胶原纤维垂直排列时，电荷在水平或横行方向上分离。在有机结构中产生压电现象需要3个必要的条件：①具有永久性的偶极矩；②结构的分子形态呈平行排列；③组织结构呈杆状或棱柱状。胶原的组织结构可以满足以上3条必要条件。

2.原偶极

应力作用下骨的电能是可以作为一个电位进行测量的，早在1957年人们就开始检测到在应力作用下骨骼所产生的电位。某些物质的电荷分离，可以通过机械性变形和应力的作用而诱导产生。Erkson于1976年证明在测定电位时，流动电位起着重要作用。这种在变形和（或）应力作用下所测得的骨骼电位，目前被称作“应力下产生的电位（SGP）”。业已证明在应力下产生的电位（SGP）可以归因于应力作用下骨的压电性或流动电位，或是对二者的共同作用。并且，最近有人提议将“Wolff定律”改为“应力下产生的电位-Wolff定律”，以此来表示这种可测得的电位是在应力作用下骨骼的再塑形所致。

3.晶体的压电特性

压电特性存在于许多各向异性的，即非对称性晶体样物质当中。当具有压电性的物质变形时，其化学键发生扭曲变形，导致电子的极化。相反，在晶体表面施加电压可导致这一物质发生机械性扭曲。在加载的情况下，化学键结构改变的结果是产生偶极矩，这可导致晶体内部产生电磁场，而且晶体表面的电荷发生反跳。

需要强调的是只要应力作用于晶体，极化场就会持续存在，因为它是由电荷的实际位移所产生的。只要有应力存在，偶极就会存在，在施与物理应力的条件下会有一个产生偶极力矩的联结变形，这将导致在物体内部产生电场，而在其表面出现跳跃电位。

4.流动电位

像压电性的电荷一样，在骨受到机械性应力作用时体内部产生电场，在其表面出现跳跃电荷可产生流动电位。流动性电位不是骨本身的一个生物学特性，而是液体流经超显微的横行细孔过程中的一个特性，当固体（骨骼）与液体接触时，固体具有表面电荷。这意味着固体将优先与液体中的离子结合。同时在应力的作用下，骨液体中产生带有相反电荷的离子在横行细孔内流动，这种带电荷的液体流动形成一个电流，此时测得的电压被称为“流动电位”，新鲜骨中的电场至少部分归因于流动电位。当骨的两端均有载荷作用时，在凹面，超微小孔受到压迫，而在凸面，却处于张力的作用下。此时，由骨中挤压出的液体带正电荷。这种液体的流动产生了电流，即流动电位。与极性液体接触的绝大多数固体都具有表面电荷，其可能的带电机制是离子化、离子吸收和离子解离，当液体做与双层电荷相反方向移动时，产生结合键的变形，从而导致电荷极化（图3-12）。

三、细胞和细胞外换能器

由压电性或流动电位介导的骨生长和再塑形的一个重要意义是脊柱的病理性改变。现已证明，骨赘、椎骨的唇样改变、骨刺和小关节融合等均为脊柱的各种异常应力所导致的椎骨表面正负电荷发生变化，从而引发成骨和破骨活动，直接导致脊椎骨的上述增生性改变。椎骨窄腰现象的原因与骨的负反馈系统有着明显的关系，重力所致的压力使得骨骼中带有正电荷的细胞外液向侧方移动，因此椎骨侧方的边缘部成为正电荷聚集区，由此产生的破骨活动使得椎体边缘呈内凹状。

表面带有负电荷的骨骼部分呈成骨活动，而在表面带有正电荷的骨骼部分呈破骨活动。Bassett于1971年列举了7种可能的细胞和细胞外换能器，它们是离子群、细胞膜的各种特性、营养物、各种酶、细胞间的信号、线粒体和诱导等。

1.离子群

离子对细胞生物学行为具有十分重要的作用：①钙离子对于有丝分裂中的收缩蛋白非常重要；②钾离子的水平制约着细胞中蛋白质和大分子合成的速度；③膜电位上的差异是细胞内外钾和钙离子聚集所致；④钙很可能是细胞膜的重要组成部分，可能部分控制着细胞膜的通透性；⑤浆膜上的钙离子影响着细胞膜上电荷的所有特性和水平；⑥无机物（离子）决定着细胞的分化。

2.生物膜

Bassett对生物膜的分析研究证明持久性的电荷偶极矩存在于细胞膜内，这些偶极矩可在电磁场内被触发。因此，在由骨变形所致的电磁场中，细胞膜变形可引起特定的细胞反应。

3.胶原纤维走向

胶原和蛋白多糖带有电荷（呈负电性），是骨基质中的两种主要有机组成部分，并且受临近电磁场的影响。当磷灰石以胶原为核心集结，或向胶原上粘贴时，羟基磷灰石钙的长轴与已存在的纤维长轴的方向呈平行排列，因此骨结构最终的排列取决于胶原纤维最初的走行方向。

4.电荷决定成骨还是破骨活动

许多研究人员发现成骨活动出现在带负电荷的骨的凹面上，而破骨活动（骨的拆毁）出现在带正电荷的骨的凸面上。Friednberg等于1970年通过实验证实，持续性直流电可在阴极促进骨的形成，在阳极促进骨的破坏，其发挥最大效应的电流值为1~10mA；在电流超过10mA时，可以观测到软骨和骨的形成活动；而在电流超过100mA时，阴极和阳极均可出现软骨和骨的破坏活动。

在1968年及其后相继有研究指出：将生长于Falcon培养基上的成纤维细胞置于耦合电容场中，可促进这些成纤维细胞合成DNA和胶原的能力。合成增加过程中，实验细胞的一系列超微结构变化也可通过电子显微镜来加以证实。在这个体系中，电场值低至100V/cm时，刺激效应就显现出来。虽然，当电场值进一步下降时，这种效应就可明显地降低。

Lavine等于1974年证实细胞活动的加强可以通过细胞膜泡数量的增加、核糖体连接的形态学转变和线粒体空泡的形成表现出来。1974年Yasuda利用1mA的直流电对正常家兔的股骨进行了为期3周的刺激，结果在正常家兔的股骨上出现了骨痂。需要指出的是骨痂出现在与成骨活动相一致的带负电荷的骨面上。Jahn于1968年发现，在电磁场中，钙离子的移动速度比钠离子快得多，因而在阴极具有较高浓度的钙离子。Bassett也发现电位不仅影响着离子的浓度和非晶体钙盐的沉淀，而且可以影响晶体的形成。

Norton于1974年研究在单向控制电场存在的情况下，骨骼可发生形态学改变，这将产生一个较低的表面电压，与活体在自然情况下的骨变形电位相似，电场中断可突然诱发骨表面分子极性的转变。在这项研究中，并列排列的新骨朝向正极板走行，正电极位置正好位于骨表面带负电荷的位置，再吸收的证据可以从对侧或正极表面所出现的多个扇形区观察到。

电流为5~30mA直流电的阴极可促进骨骼的成骨活动，在骨损伤时可以观察到这种反应，出现于加速骨再生的部位。骨骼对这种电刺激的成骨反应可发生在远离损伤的部位和正常情况下不存在骨骼的部位，Friedenberg和Bhghton在活体观察到不受应力影响的骨骼上所作电记录显示：骨折后，骨骼表面的负电荷数增加，骨折附近的骨面可表现为负电高峰状态。随着骨折的愈合，骨面的负电荷数量逐渐减少，直至骨折痊愈。当骨电图回复到正常状态时，每个干骺端仍带少许的负电荷。电刺激所形成的骨骼总是被负极紧密地包绕着，并以电场线方向一致的方式呈同心放散状排列。

四、Wolff定律-骨的负反馈控制系统

早在1638年的时候，人们就认识到作用力和（或）应力与骨骼的质量有一定的关系，运动员就有健硕的身躯，1896年Wolff将这种骨的生长与压力之间的关系定义为Wolff定律。现代对Wolff定律进行了修改，定义如下：“对一个成型的骨骼来讲，其本身成分的定形与变形随功能性压力的方向而定，其增加或减少的质量可以反映出压力的大小。”换言之，Wolff定律介绍了这样一个概念：增殖的骨骼是表示机械力量集中作用的部位，它需要较多的骨质，即骨的重新塑形。另一方面，制动、瘫痪、卧床和失重皆可引起骨质的丢失。骨骼对应力的反应被称为“骨骼的保持和再设计功能。”然而，骨骼的再塑形也是有限度的，过度的应力将使骨骼系统超载并可能导致骨骼力学结构的破坏。同样，缺乏足够的应力也可导致骨量的丢失。

骨的再塑形过程受机体的反馈系统调控。有许多对骨塑形的直观解释，希望以此来描述骨塑形的这种反馈机制。Frrot（1964）、Bassett（1971）和Frehame（1979）均提出了机械性应力所触发的骨形成和骨破坏的周期性生物反馈系统的模型。Wolff定律的主要机制可能是机械应力所导致的电荷分离，这是骨的负反馈控制系统的基础。