电刺激促进骨愈合

陈永芬 · 发表于 2014-11-26 09:13

【关键词】  电刺激

电刺激作为治疗骨折和骨不愈合或延迟愈合的有效手段之一，临床研究和使用较多。目前，随着物理、电子工程学科发展，电、磁技术在骨科治疗方面的研究将会进一步发展。[1]
1  电刺激促进骨愈合原理
活体骨始终处于重建过程，以适应身体荷载的变化，骨受应力变形，骨内产生的电位称为骨应力产生电位（stress-generated potentials, SGP）。骨内SGP产生压电效应和动电现象[1]。
压电效应 20世纪50年代初，日本学者Yasuda和Fukada提出压电效应，即骨受力后，在相对两个外表面上出现数量相等、符号相反的电荷，受压的凹面出现负电位，产生新骨，张力的凸面呈正电位，出现骨质吸收，骨折后骨折区出现强烈负电位，并持续到骨愈合[2]；Fukada认为在骨质受压一侧为负电荷，可以促进骨折愈合；而分离的一侧（张力侧）为正电荷，骨质吸收。压电效应得到证实后，逆压电效应也被证明，即给骨组织施加电场时，正负极之间产生应力和应变，这也说明了骨的应力和电位变化的密切关系。由此。得出结论：机械应力作用于骨，先引起电位变化，然后是骨形成[3]。
动电现象  固体与液体处同一体系，固－液界面产生双电层。固体表面吸附一层离子，称为紧密层，其邻近液体，紧密层相同电荷的离子浓度大于不同离子浓度，称为扩散层，界面区域正负离子趋于相等。因此在紧密层和扩散层中的区域，相对于层外液体中的电位，形成双电层，厚度约为几十Å的量极。当液体沿固相表面作切向运动时，吸附于固体表面有一层静止液体，其与流动液体的分界面称为滑移面。其上双电层电位称为zeta电位。液体流动时，其中离子也同时流动，从而在流动方向的两端产生电位差，称为流动电位。
骨内微管系统，包括哈佛管、伏克曼管及骨小管，骨和液体之间形成双电层。骨受力变形，微管中体积缩小区域压力增高，体积增加区域压力降低，致使液体在微管中流动，产生流动电位。电位和压力呈线性关系。在静态压力下，骨的力－电电位就是流动电位。动态载荷下，骨的力－电电位主要来自压电效应。
骨的恒定电位  1966年，Fridenberg发现兔长管骨表面正常情况下也存在一种电位，称为恒定直流电位。这种电位可在骨表面、骨膜表面和相应的皮肤表面测得，特点是长管骨的干骺端电位为负值。骨骺相对于干骺端是正电位，从骨端算起2－3cm处干骺端为负电位峰值，在骨干为正电位或零电位。骨折后，整个骨变为负电位，干骺端负电位变得更负，骨折端电位变负值可大于干骺端。当电位恢复正常时，骨折已接近临床愈合。
2  外来电信号对组织内部影响
2.1  改变细胞的微环境
Brighton等认为是影响骨、软骨细胞周围微小环境发生生物化学改变的结果，由于电流通过对微环境的作用间接影响细胞，降低局部组织的氧张力和提高局部组织的pH值，两者均有利于骨的形成。但也有作者观察经脉冲电磁场治疗的患者骨折部位pH值，并没有发现变化，有人开始怀疑这一机制。邓廉夫[4]等应用3H-脯氨酸和45Ca-氯化钙无载体放射性核素体内示踪技术,检测了周围神经功能性电刺激对实验性骨折愈合过程中胶原纤维形成与基质钙化的影响"发现:生理性电刺激周围神经,使3H-和45Ca-掺入早期骨痂的量增加(P<0105)；45Ca-/3H-的比率提高迅速，表明早期骨痂内胶原蛋白合成量增加,基质钙化迅速、完全,骨性骨痂发生早，骨转化过程缩短。认为,周围神经功能性电刺激可作为促进骨修复的辅助手段。在直流电刺激骨折愈合的实验和临床观察中发现，直流电诱发的新骨折仅局限电极附近很小范围，而且阴阳电极也可由于腐蚀、气体形成基质降解和值变化等对附近区域产生毒害作用。而古长跃等[5]应用的高频电容藕合方法就可消除其不良的作用，该法使用高频祸合电流，电场正负极交变，而且电极交叉可强迫治疗电流通过骨折处，这样既不产生不利的代谢产物堆积，又可使大面积新骨形成。
2.2 电流对细胞的影响
微电流能导致细胞分化，或多半在分化后再分化。有作者取直径10mm的塑料培养皿放在一个与骨折周围电场相同的环境中（0.1～0.9μA）培养青蛙的血细胞，发现血细胞先变成原始细胞，而后再变成骨细胞。同时也证实，微电流的阴极附近，胶原纤维定向，导致立体排列，从而加强骨化作用。付玉庆等[6]研究指出刺激电诚的作用是通过兴奋细胞(如神经、肌肉)去极化和复极化完成的。它可促进中枢神经系统内源性吗啡类物质的释放而达到止痛，可加强肌肉的张力。由于肌肉泵的加强，可改善静脉淋巴回流而消除肿胀。
2.3  电流激活环磷酰胺（cAMP）系统
Norton等发现，受振荡型电场作用的生长板内，软骨细胞CAMP明显增加。通过激活骨细胞内CAMP，再依次活化各种酶系统，然后由各种酶系统激活骨或软骨细胞产生作用。
2.4  电控制系统
有作者认为[1]哺乳动物体内存在一种基本电控制系统，可传递组织愈合信息。并假设所有的神经膜细胞膜在一起形成一个原始信息传递系统。骨折一方面刺激神经系统，在骨折部位产生直流电信息；另一方面还对应力产生自己的电信息。这些复合电场变化刺激骨膜细胞分裂成骨细胞，同时使骨髓内红细胞恢复为原始细胞，再分化为成骨细胞。廖维靖认为宽波、低频的电流刺激可使周围神经发生有效极化，增加神经纤维的主动活动，可①改善神经纤维功能状态，使神经细胞的各种酶类活性增加，轴突运输加强、代谢旺盛；②加强周围神经对所支配器官的营养性作用；③使周围神经所支配的肌肉产生缩舒，对骨折断产生紧缩型压力，保持骨折端纵向微动，造成骨折端反复损伤，从而导致反复性骨折早期反应；④骨折部位的神经纤维结构连续性和功能完整性早期恢复，从而维持和/或加强骨折愈合的局部加速现象[7]。
2.5 改变细胞周围的电环境[8]
电信号改变细胞周围电环境，有改善纤维软骨细胞的作用，消除骨损间隙软组织阻止连接的作用，同时电刺激活跃了离子交换和钙的代谢，使钙离子通过细胞膜和线粒体膜，在线粒体内向胶原基质释放，形成骨化基质，而使纤维软骨钙化，骨折愈合。
2.6  改变软骨细胞功能
Bassett从动物和临床通过X线片及病理活检发现，应用脉冲电磁场所产生的骨愈合形式于骨折用AO内固定的骨愈合方式几乎完全相同，认为不是电场直接刺激成骨，而是由于改变纤维软骨细胞的功能，以消除影响骨愈合的任何软组织。
2.7  改善局部血液供应
李起鸿等[8]指出，直流电刺激能使生理性关闭的微血管开发，只要电刺激量和时间适宜，就可诱发骨生成。由于供血丰富了，骨折的纤维骨痂形成加快，沿血管散布的骨小梁亦因微血管增加而以较快速度交织成骨。
2.8 诱导骨生长因子
1989年，Fitzsimmons发现体外培养的鸡胚颅盖骨细胞在电磁场作用下增殖有赖于培养基中丝裂源活性，进一步研究表明这种有丝分裂原是胰岛素样生长因子II(IGF-ii)。骨生长因子的局部调节作用是骨愈合和骨代谢的内在因素之一。现已从骨基质和骨细胞及骨器官培养基中分离出多种骨源性生长因子，如胰岛素样生长因子I、II（IGF-I、II）、β转化生长因子（TGF-β）、碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）等，电磁场在刺激成骨细胞增殖的同时不仅可诱导成骨细胞释放IGF-II到培养基，而且可增加细胞膜上IGF-II受体的数目，两者共同作用促进细胞增殖[9]。
3  电刺激的形式
目前，电刺激形式主要有三种：恒定直流电、脉冲直流电和脉冲电磁场，其他还有周围神经功能电刺激、旋磁场、驻极体等。按装置放置可分为非侵入、半侵入及全侵入三种方法，非侵入方法包括电感耦联和电容耦联，半侵入法使用敏感电流技术，将电极置于治疗部位的上方或下方，后者将负极置于治疗部位；全侵入法则将电极置于治疗部位。
3.1 恒定直流电（Constant direct current）
此法依据“压电效应”。1971年，Brighton设计恒定直流电半植入式电刺激器，方法是将阴极插入骨折处，阳极放在皮肤表面，通过微电流来促进骨折愈合。一般认为，在特定的电流作用下，电流量的大小与成骨多少有关，电流量小于5uA,无成骨作用，超过20uA，电极周围出现组织坏死，无骨形成，在5-20uA时电极附近骨增生明显。对不同部位的不同类型的骨不愈合，不同金属制成的电极所引起的骨增生不同，不锈钢电极可激发最佳成骨。对不同部位和不同类型的骨不愈合，临床应用电刺激治疗所报告的成功率为80％-98%[10]。梅强等[11]应用髓腔内恒定低压直流电刺激修复家兔桡骨缺损，实验表明：实验组较对照组血清钙离子浓度及ALP含量升高，呈著性差异(P<0.01)，成骨细胞及微血管增生活跃，9周时新生骨桥接缺损，有骨改建进行，骨超微结构基本正常。腔内恒定低压直流电刺激能明显促进骨缺损愈合与修复。阴小龙等[12]进一步联合活性人工骨应用髓腔内电刺激修复骨缺损，表明二者作用协同，促进骨缺损修复。
3.2 脉冲直流电（pulse direct current）
有学者用脉冲直流电研究发现，阴极也有成骨现象。1972年，Treharne经体外试验认为恒定直流电比脉冲直流电效果好。Brighton认为只有当脉冲电流有效值接近恒定直流电流，才能产生类似成骨能力。文献表明，交流电没有明显诱导骨形成能力[3]。
3.3 脉冲电磁场（pulse electro-magnetic fields PEMF）
该法通过由电感耦联和电容耦联产生PEMF，穿过肢体，在骨折部位诱发电位。只要脉冲的频率够低，电磁场将以相对小的扭曲穿过。由于各向异性、非均匀传导性、感应性及湿性活骨结构特点，产生的电流在结构上极其复杂。脉冲电磁场治疗骨折不愈合成功率均达70％[1]。