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第7章 儿童骨折的生物学与生物力学(4)

血肿机化是初期细胞修复过程中重要环节。一般把血肿被纤维血管组织、胶原纤维和基质成分所替代,称为血肿机化。基质内含有丰富的I型、m型和V型胶原纤维,这些胶原纤维和基质促进软骨组织的生成或骨膜内成骨活动。在血肿机化的基础上,这些组织发生矿化,从而在初级骨痂中形成编织骨。初期血肿机化和细胞増殖主要在骨折端周围,以后再向两侧进行的扩展,因此,越邻近骨折端的部位,产生的骨组织越成熟。在某些区域特别是骨痂的周围,形成的类软骨组织将转化为骨组织。但是,只有存在完整的微循环的部位,才有新骨形成。如果血供不足,软骨组织则难以转化成为骨组织,但很少见于儿童骨折,也是儿童骨折不愈合率很低的原因。

当骨膜从骨骼上剥离,诱发骨膜内出现骨祖细胞。切除一段骨骼而保留完整的骨膜袖,通常能够成功的再生这段骨骼。但是,如骨折导致骨膜完全破坏,将不可逆转的丧失骨膜的修复功能,一般需要采取骨骼移植治疗。

骨内膜也有一定的修复作用。虽然骨内膜的血管反应比骨外膜迟缓,但骨髓腔也同时开始出现细胞増殖活动。儿童骨小梁内血管比成人骨小梁更丰富,可能也是儿童的特有因素。儿童骨折累及干骺端时,可能出现迅速的血管反应。骨皮质越成熟和骨单位数量越多,血管反应可能会越缓慢。这可以解释干骺端皮质的多孔隙编织骨与骨干部皮质的板层骨,在修复反应速率上的差别。如骨折存在明显的移位,一侧骨内膜产生的新骨可能与对侧骨外膜产生的新骨相连接,这是重叠移位骨折主要修复方式,产生可以接受骨折稳定和愈合,最终经过塑型矫正因重叠引起的畸形。

二、修复期

在血肿机化的基础上,来自骨膜的成骨细胞増殖产生外骨痂,而来自骨内膜的成骨细胞増殖产生内骨痂,这些骨痂主要由纤维组织、软骨和编织骨所构成。在骨痂形成的早期阶段,可分为以骨组织为主的硬骨痂,以纤维和软骨组成的软骨痂。在骨痂的周围部分为硬骨痂,通常是骨膜内成骨机制所产生的骨痂,而骨痂的中央部分因氧张力低,形麵纤獅软骨为主麵侧软骨痂。

长骨骨折愈合的早期,主要表现血肿机化,骨膜下形成编织骨,骨f,折断端有赠舰。

如果骨膜受到严重的损伤,则依赖血肿内未分化的间充质细胞增V念響殖和分化,间充质细胞转化为成骨细胞并产生骨痂。在儿童骨折的10-14天’骨痂主要由很厚的封闭组织块和周围有新生的骨组织所构成。此时在X线片上可见新生的编织骨。

继之便进入细胞机化阶段。在此阶段的周围组织,为细胞迁移提供纤维性支架,诱导定向稳定的修复。在理论上具有多种潜能的间充质细胞,可分化成软骨、骨骼和纤维组织。骨折部位释放的生长因子,具有募集间充质细胞的作用,BMP家族成员及其抑制因子,也可能参与间充质细胞的募集和分化过程。间充质细胞可以分化为成骨细胞或成软骨细胞,前者通过骨膜内化骨机制,而后者则采取软骨内化骨的方式,产生新生的骨组织。这两种机制通常都参与了骨痂形成,究竟以哪种修复机制为主,一般取决于骨傲类型、儿童年龄、骨折固定水平、骨傲损伤的严重程度。由于儿童的成骨细胞活跃,通过加速正常骨膜内化骨的过程,形成新生骨组织,以补充血肿内细胞机化。而血肿内细胞机化,需要经历软骨阶段,因此,在骨折断端周围重复软骨内化骨机制,而在骨膜被掀起的部位则重复骨膜内骨化的过程。在骨髓腔内也出现上述逢雛的组织学改变。雛管侵入題个修复腿不可缺細歸,目为儿童骨細糊mmm賊管树丰富,来自髓賊管和鮮血管迅速陳入血膽,腿血體最早胜愈合嶋位。

由于新生骨主要是编织骨,又称为纤维性骨痂。在编织骨完全成熟之前,仍然具有生物学可II性的性质,此时據没有给予适当的保护,特别生性好动的儿童过早的去除外固定,将逐渐发变形。即使在石膏固定中,这种生物塑性也可能因肌肉的等长收缩而发生变形。当骨折局部不再有异常活动和压痛,尽管未恢复到骨折前的强度,则被定义为临床愈合。随着时间的推移,儿童的附加性生长、骨骼直径的増加,对原骨折部位的进行性包裹,促进原始骨痂和软骨痂逐渐被成熟的板层骨所替代,实现了骨折局部的坚强愈合,从而恢复其正常的生物学和生物力学强度。

骨折愈合的晚期,在骨折断端有编织骨形成的桥梁骨痂,但向骨痂内生长毛细血管周围仍有软骨组织。

微环境的变化在应力反应中也起着重要的作用,压力或至少在缺乏张力的情况下,纤维组织不能形成。氧张力的改变调节着软骨和骨细胞的形成,低氧张力时有利于软骨细胞増殖,高氧张力则促进骨组织的生成。软骨组织最终将被骨组织所替代,这一过程与软骨内骨化机制无本质上的区别,但软骨细胞没有明显的柱状分布,也没有相似于骺板的结构,而且在开始出现骨化的部位也具有随意的性质。

三、改建期

一般在生物力学上不起作用的部位,或骨痂形成不足部位出现吸收,预示着改建期的开始,进而使骨小梁沿着骨骼的轴向力线排列,増强骨骼的生物力学性能。改建期是三期中最长的阶段,儿童骨折的改建期可能持续到骨骼发育成熟,因为骨骼在继续生长和发育中,受到不断改变的力学作用模式而发生反应。早期骨折间隙内的骨痂和骨膜下广泛的成骨反应所形成新骨,因为在方向上的随意性而不具有良好的生物力学强度。随着骨干和干骺端的生长而増粗,新生骨组织逐渐増加,不仅与原来存在的骨皮质相融合,而且保持与主要的应力作用模式相一致,从而完成生理性改建过程。儿童的年龄越小,其生长和变化的潜力越大,因此骨痂的改建速度和程度也越大。

在骨折两端建立完整的骨性桥梁,是介于修复和改建之间的关键步骤。由于需要连接两端分离的硬性组织,必须对骨折进行固定。一旦建立了完整的骨性桥梁,倘若给予适当、持续的机械性保护,则不可能发生生物学意义的断裂。如儿童骨折的两端仍然由骨膜及相关的软组织连接,便可观察到修复活动很容易从一端向另一端的快速传导。完整的骨骼必须适应功能的需要,儿童骨骼对应力作用发生活跃、持续的改建活动,因此,儿童骨骼比成人更容易适应功能的需要,因为后者的骨骼处于相对静止的状态。在正常发育的儿童骨骼,

同时进行持续的替代和修复,因为儿童骨折的愈合机制,与活跃的成熟过程基本上没有明显的区别。儿童年雌小,越邻近干骺端,这个过程也就更活跃。

在负荷和微动条件下,长骨骨折愈合表现骨折断端及周围有丰富的编织骨,形成桥梁骨痂和外骨痂。随着编织骨的不断成熟,使骨折进一步稳定。注意在骨痂内有钙化和未钙化的软骨组织。

骨折后的改建主要由成骨细胞、破骨细胞及伴随血管,同时进行原有骨组织吸收和新骨沉积的复杂过程,但干骺端骨折后的改建过程与骨干有所不同。在干骺端的松质骨内、骨干周围骨内膜表面,以及血管周围有很多成骨细胞,在骨小梁表面产生活跃的附加生长和改建活动。然而,皮质骨内的细胞处于较深的位置,需要丰富的血液供应替代血运不足的部分,才能进行替代的改建,这将是需要较长的时间才能完成。这也不是儿童骨折主要的修复方式,除非骨折主要累积皮质骨,如儿童股骨干、胫骨干部的骨折。

骨折愈合后改建还受到生物电的影响。当骨骼在应力的作用下,骨骼的凸侧表面带正电荷,而凹侧表面带负电荷。正电荷伴有活跃的破骨细胞活动,而负电荷却促进成骨细胞的功能活动。负荷引起的骨骼构筑的改变,通常称为Wolff定律,可能是因为生物电场改变,导致细胞行为的改变。

McKibbin将没有中介细胞参与,也没有骨痂替代过程的骨折愈合,称为一期骨愈合。许多紧密嵌插的骨骺、干骺端和富含松质骨的椎体骨折,或者某些皮质骨骨折因相互锁定产生充分的稳定,也允许发生一期愈合。经干骶端截骨,采取加压固定的经骨干部位截骨或骨干骨折,也可发生一期愈合。Schenck和Willene婴er将一期愈合分为间隙愈合和haversian系统改建两种类型。即使采取加压钢板固定,也不可能使骨皮质完全紧密接触,在骨折部位也存在大小不等的间隙,从而决定了骨折修复机制、骨折愈合的速率。如果骨折两端的骨皮质紧密接触,骨单位的膨胀使板层骨越过骨折线,沿着骨骼的长轴直接与对侧的板层骨相愈合。首先由破骨细胞沿着骨折线吸收产生切割效应,继之有成骨细胞形成新生骨和血管侵入。成骨细胞合成基质包埋骨细胞,与侵入的血管形成haversian系统或初级骨单位,这种愈合方式又称为接触性愈合。

如果骨折间隙介于150-200um,相当于骨单位的直径,成骨细胞所生成的板层骨与骨骼的长轴保持直角关系。如果骨折间隙介于200um-1mm,需要成骨细胞产生编织骨充填间隙。然后,开始haversian系统改建,重建骨皮质的正常结构。由破骨细胞横行穿越骨折线进行吸收,产生锥形切割作用,为成骨细胞和血管侵入提供管道。继而生成板层骨,并重建跨越骨折线的骨皮质血供。

骨小梁的愈合方式:长骨的干骺端、骨骺、手足的短骨和扁骨的松质骨,富有精细的相互连接的骨小梁,其皮质也比骨干的皮质明显变薄。松质骨的愈合虽然也有外骨痂,但主要形成内骨痂(骨内膜骨痂)。由于骨小梁有丰富的血液供应,在骨折表面很少发生坏死,并有较大面积的接触,因此比骨干的皮质的愈合速度更快。新生的血管带来成骨细胞,从血肿和骨折部位存在的血管大量増殖并形成编织骨,迅速而广泛的产生内骨痂,充填到松质骨开放的间隙、松质骨骨折的表面。同时,伴随的骨膜下出血也产生外骨痂(膜性骨痂)。虽然新生的编织骨逐渐被更成熟的骨组织所替代,但很少的部分能转换成骨单位(板层骨)。除非在周围的区域或骨骼发育接近成熟,儿童的干骶端本来就缺乏板层骨。

骨皮质的愈合方式:在骨干部的骨内膜所产生髓内骨痂的初始阶段,与外骨痂没有很大的区别,似乎到第二阶段才有所不同,但在愈合过程后期的区别却有很明显。最明显的区别是力学稳定性对骨痂生成的影响。局部活动明显的抑制外骨痂的生成,而髓腔骨痂的生成不仅不受影响,甚至某些活动可促进骨痂的生成,也不经过中间的软骨阶段。一个重要的功能是初始的替代组织充填骨折间隙。在预期以后形成板层骨的部位却生成了新的未成熟的编织骨,这种愈合方式见于有移位的骨折,由髓腔的骨痂和骨膜下骨痂连接骨折的两端。在发育中的骨骼,在临近致密的骨皮质的部位,通常在内膜下有很多小梁。髓腔的骨组织对骨折反应比板层骨更为迅速,因此改善了儿童骨折的愈合速率。

四、骺板愈合模式

骺板的修复能力比较差,主要由増加软骨内成骨的速度、软骨形成和干骺端血管逐渐侵入,最终替代暂时増宽的骺板,而使骺板愈合。关于骺板骨折愈合的动物实验研究资料比较少,多数用兔为实验对象,目的是探讨创伤后骺板细胞反应的模式。根据骺板细胞损伤水平,可发生三种类型软骨-骨骼的愈合方式。

一型:当骺板骨折线通过骺板的细胞柱,细胞柱的细胞数量迅速増加而愈合,通常引起骺板的轻度増宽。因为此处有一些小的骨骺血管,在愈合早期将损伤的组织吸收。这些血管所出现的充血反应,増加了细胞増殖的速度,尤其在Ranvier区周围更为明显。在干骺端也发生与骺板相似的反应,表现为骨组织替代软骨细胞的速率増加。一旦在骺板内出现纤维组织和碎骨片,血管将迅速侵入,吸收和清除这些碎骨片及纤维组织。这种细胞反应模式,导致在34周内恢复正常的解剖结构和强度。

二型:当骨折线通过骺板肥大细胞层与干骺端初级松质骨区的移行部分,将产生明显的骨骺分离,骨折间隙内有血肿和成纤维组织充填,并进行性产生杂乱的软骨组织,骨骺侧也有紊乱的软骨痂形成。在杂乱骨痂的骨骺侧,细胞増殖、肥大和继续钙化,导致骺板増宽。在干骺端一侧,血管迅速侵入遗留的肥大细胞层内,软骨也出现迅速的钙化。当干骺端血管侵入紊乱的软骨痂内,因为不像正常有序的细胞柱可供血管侵入,所以,由血管介导的骨组织替代性修复反应出现暂时的减慢。随着骨痂中软骨成熟和钙化,干骺端的血管开始侵入,并进行性的形成新骨,完成替代软骨组织的修复过程。骨痂的厚度取决于纵向和侧方移位的程度、骨膜是否与骺板周围LaCroix纤维环相连续。侵入的血管到达正常的细胞柱后,将依照正常的成熟顺序而不发生骨组织的替代。増宽的骺板因血管的迅速侵入,由初级松质骨所替代,并逐渐恢复了骺板宽度。

骨膜下区形成的骨痂有助于骨折的早期稳定,血管侵入骨痂内并在原来干骺端皮质和骨膜下区的骨痂之间生成骨小梁。这三种显微结构不同的区域经过不断的融合和改建,増强了生物力学强度。随着继续生长和改建,这些混杂的骨组织将完全被替代。在骺板和干骺端的初始细胞替代过程需要34周的时间,但改建过程可能需要数月到数年的时间,因此,増强了自行矫正遗留畸形的能力。

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