骨的生物力学特性范例(3篇)
骨的生物力学特性范文篇1
关键词：暴力性骨折应力性骨折材料力学预防措施
运动性骨折在专业运动员训练及比赛中较为常见，是运动员损伤中较为严重的急性骨折，其危害性较大，影响训练和健康。下肢胫骨骨折是体育教学、训练和比赛中较为常见的一种运动损伤，这种损伤较多发生在以跑跳、足球及冰雪运动为主的运动项目。本文结合有关文献，从生物力学角度对下肢胫骨骨折机理予以初步分析，为预防提供理论依据。
一、骨折形式——应力性骨折与暴力性骨折
（一）应力性骨折
应力性骨折又称疲劳性骨折，是运动中比较常见的一种运动损伤。这种损伤的特点是运动训练中的疲劳与过度疲劳未得到恢复而产生的，多见于从事中长跑的运动员，其次为短跑、跳跃、球类等项目的集训阶段，初期无明显的症状和体征，仅感觉到局部轻痛（称为骨膜炎），以后逐渐加重，影响功能，若不及时治疗，可发生骨折移位，出现畸形改变。
（二）暴力性骨折
暴力性骨折可分为直接暴力和间接暴力两种。直接暴力是直接打击碰撞，可造成小腿胫骨的横型、粉碎性或多段骨折，多发于足球中的铲球、蹬踏动作中。间接暴力常见于生活和运动中，造成螺旋型、长斜性骨折，骨骼的扭转负荷，就属于间接暴力。
二、材料力学基础及骨的力学特性
力是人体产生的动力源泉，是构成人体应力性骨折和暴力性骨折的最基本因素。
（一）应力、应变的概念及相关知识
应力是指物体在外力作用下，其内部产生一种抵抗这种外力的力，这种力引起材料内部结构的改变，实际上是一种由外力引起的内力，在数值上是单位截面上内力的大小。当物体要承受压缩负荷时其内部产生的应力为“压应力”；受拉伸负荷为“拉应力”。
应变是物体在外力的作用下所产生的形变，在数值上是单位长度上的形变量。当物体承受压缩负荷时，表现为“压应变”；承受拉伸负荷时，表现为“拉应变”。材料的变形形式由所施载负荷来决定的，主要分为五种：压缩、拉伸、弯曲、剪切和扭转。
从应力应变曲线可知：在一定范围内，应力与应变的关系是线性的。若继续加压或加载，出现屈服点，继而进入非弹性区，若继续加压或加载，就会出现断裂。此时的应力为“极限应力”或材料的“强度”。强度是用来衡量材料抵抗破坏的能力。刚度是衡量材料抵抗变形的能力。它们是衡量材料力学性能两个重要的力学指标。
（二）骨的力学特性
骨是由胶原纤维和羟化磷灰石晶体所组成的，前者是一种蛋白质，具有较强的抗拉性，使骨骼表现出一定的强度，具有抵抗破坏的能力，后者是由钙和磷酸盐所组成的一种无机盐，使骨骼呈现出一定强度，具有较高的抗压性能和抵抗变形的能力。人体长骨的中间是骨密质，两端为骨松质，这使整块骨骼的密度分布不均匀，从而表现出明显的“各项异性”的力学特性。因此，骨骼的强度与其所承受载荷的形式有关。骨的破坏性试验结果表明：骨承受压缩负荷的能力最强，承受扭转负荷力量最差。即压缩>拉伸>弯曲>剪切>扭转。
三、骨折机理
（一）应力性骨折机理
胫骨应力性骨折症状多在跑跳项目中发生。胫骨横型疲劳性骨折的发病机制是由于小腿后面肌肉收缩及身体活动中重力与地面的支撑反作用力造成的，但以后者为主。由于胫骨反复承受压缩负荷所引起，属于“压缩性”骨折。利用小腿侧面横型所进行的弹性实验结果表明：于胫骨中上■位内后侧是压缩应力最集中部位，从而进一步证明此类骨折与压缩负荷有关。双侧胫骨应力性骨折发病机制则由于反复超限的越野跑，引起肌肉疲劳，收缩能力减弱，骨腔内压力增大，胫骨应力集中，当骨的吸收大于骨的再生而引起骨折。
从生理解剖角度来看，胫骨具有向前稍弯曲的解剖形态学特征。从负荷方面来看，胫骨属于负重骨，承受着身体的重力和地面的支撑反作用力，若长时间大运动量训练，一方面引起肌肉疲劳，收缩力减弱，致使肌肉作用在骨上的应力分布发生改变，同时骨骼本身的疲劳使骨能承受的最大应力低于其强度权限。另一方面，由于胫骨的前曲，使自身的重力与地面的支撑反作用力相对骨的中轴稍有偏离，形成“压缩弯曲负荷”，使胫骨凸侧的拉应力或骨凹侧的压应力超越骨的强度极限，引发骨折。因此，在训练中应遵守循序渐进的原则，尽量减少和避免在较硬的跑道和地面上进行高强度、长时间的训练。
（二）暴力性骨折
在体育活动中，暴力性骨折的受载方式多见于集中力点负荷和集中力面积负荷。
1.集中力点负荷。集中力点负荷的受力剪力在集中力P的作用处（C处）是不连续的，C截面左侧的剪刀值为■，C截面右侧的剪力为-■，剪力在力的作用点C处发生了“突变”。突变的绝对值为+=P，即等于骨伤的集中力。由此可见，在集中力作用两侧剪力发生突变，是造成暴力性骨折的主要原因。
2.集中力小面积负荷。在实际训练中，集中力一般作用在胫骨的一小段，即C—D区域。在以C截面右侧为×P，在d截面右侧为-×P，在c-d区域截面剪力不发生突变，而是沿直线e-f逐渐由-×P过渡到×P。直线e-f的斜率表明在集中c-d区域内剪力的梯度。在外力一定的条件下，梯度的大小取决于集中力作用区域的大小，区域大则剪力梯度小，区域小则剪力梯度大，梯度大则容易导致骨折。由此可见，集中小面积负荷引发骨折的因素不仅仅由外力的大小来决定，还与外力的作用区域大小有关。
四、胫骨骨折的预防措施
（一）选择场地与改善装备，科学安排训练
控制训练强度，以利于应力性骨破坏和骨修复的平衡，改善装备以吸收震荡而减少应力损伤。
（二）提高训练技巧及应力分布
在训练中不断改变骨的应力集中区，预防应力骨折，降低了胫骨应力骨折的发生率，使胫骨承重时的应力集中区不断变化，减少骨局部的破坏性。
（三）训练前的准备
做好训练前的准备活动和训练后的放松运动，避免在心理紧张和生理疲劳状态下运动和训练。强调带伤训练和疲劳状态下训练的有害性。此外，应重视运动与训练的医务监督，经常询问受训人员的自我感觉，定期检查应力骨折的好发部位以达到尽早发现早期损伤，及时防范应力骨折的发生。
五、结论
胫骨发生应力性骨折，一方面是由于肌肉的疲劳改变肌力在骨上的分布，使骨自身的应力发生改变，骨的疲劳使胫骨能承受的最大应力低于其强度极限；另一方面是由于胫骨实际承受的负荷是“压缩弯曲负荷”，而不是单一的“压缩负荷”。集中力点负荷引发暴力性骨折是由于在用力的作用点两侧剪力发生“突变”。集中小面积负荷引发骨折是由于在力的作用区域剪力的梯度大。
参考文献：
[1]王小勇.治疗股骨干骨折的生物力学初探.成都体育学院学报，1989（3）.
骨的生物力学特性范文
1．1组织学评价
硬组织切片技术的应用始于Donath等［16］1982年报道，该技术改变了传统组织切片需先脱钙才能切片的方法，使附着有软组织的骨组织不经脱钙即可切成5～15μm薄片，以供组织学染色检查，这种效果是常规石腊切片或树脂切片观察所不能代替的。硬组织切片技术可使植入物－组织界面及周围软组织结构保持完整。界面骨组织的量和特性，可用相应的组织形态测量工具来测定。该技术的主要特点是可以测量分析关节假体和螺钉等金属植入物材料的骨整合。至于材料的生物相容性、材料表面结构形态的生物学效应以及材料负荷前后的具体组织学变化，均可在细胞学水平上得到满意分析［17，18］。相比而言，常规组织学切片需要标本脱钙和脱金属，因此无法得到上述数据。应用硬组织切片技术也能研究到硬组织工程材料被多核巨噬细胞吞噬的积极吸收过程，界面组织的巨噬细胞胞质内有时可观察到植入材料颗粒。随着技术改良，硬组织切片逐渐克服了界面裂隙和材料脱片等问题［19］，已经成为评价植入物材料骨整合的金标准。常规染色，包括苏木精－伊红（HE）染色、甲苯胺蓝染色及Masson染色等。HE染色主要用于观察植入材料周围淋巴细胞、巨噬细胞浸润情况，材料与周围软组织的关系及材料对骨膜成骨的影响；甲苯胺蓝染色后成骨细胞、破骨细胞、骨细胞呈蓝色；Masson染色后骨小梁呈蓝色，成骨细胞、破骨细胞呈粉红色，类骨质为大红色［20］。这些成熟的染色技术，是目前骨整合组织学评价中常用的组织显色方法。免疫组织化学染色，是目前骨整合分子机制研究中的一个重要方法。它应用免疫学基本原理———抗原抗体反应（即抗原与抗体特异性结合），通过化学反应使标记抗体的显色剂（荧光素、酶、金属离子、同位素等）显色，以确定组织细胞内抗原（多肽和蛋白质等）并对其进行定位、定性及定量研究，故称为免疫组织化学技术或免疫细胞化学技术。目前研究已知，骨整合过程中存在一些重要的小分子“信使”，通过特定的信号转导途径介导骨整合形成；一些骨组织中的局部生长因子，如转化生长因子（TGF）－β、骨形态发生蛋白（BMP）、胰岛素样生长因子（IGF）、血小板衍生生长因子（PDGF）等，通常以自分泌和（或）旁分泌形式调节细胞增殖分化，促进界面骨组织修复愈合。免疫组织化学染色方法可以将这些小分子显现出来，进而对其分布、密度等参数进行分析［21］。亲骨荧光素染色法，在界面新骨形态计量研究中占据重要地位。四环素与新生骨组织中的钙螯合后，在紫外线激发下可发出强烈的黄绿色荧光，因此在荧光显微镜下很容易观察界面新生骨质。荧光双标记技术则可评估骨形成速度，通常分2个时间点给实验动物注射四环素（或者第一次使用四环素标记，第二个时间点采用钙黄绿素标记，以达到不同荧光显色的效果），处死动物后制作硬组织切片，并通过测定2条荧光带之间的宽度等参数来计算骨质沉积速度（骨矿沉积率＝2条荧光标记线之间距离／标记间隔时间）［22］。此外，茜素红染色也适用于对材料生物活性的体外研究，其原理是利用茜素红与钙发生反应可产生深红色的化合物，使在材料表面接触培养的成熟成骨细胞分泌沉积的钙结节被明显染色，并通过计算钙结节大小和密度等参数来判定材料促进成骨的能力。
1．2细胞与分子生物学评价
材料植入体内时存在成骨细胞与其他细胞（如成纤维细胞等）的表面竞争贴附，因此在评估种植材料的生物活性时观察材料是否能够促进成骨细胞在其表面早期大量附着，并形成良好的细胞形态和功能，是一个重要指标［23］。在众多材料－骨界面体外实验模型研究中，都将成骨细胞在种植材料表面的增殖能力和功能表达，视作评价材料生物活性的一项重要参数［24］。扫描电镜可以清晰直观地观察研究体外培养的成骨细胞在材料试样表面的接触、黏附、伸展、分裂增殖、分泌细胞外基质和凋亡过程。但是，扫描电镜仅能对体外标本进行观察，无法对植入物的体内骨整合进行评价，而目前体外实验还难以模拟出复杂的体内微环境，因此目前扫描电镜观察仅可作为一种材料骨整合的辅助评价手段［25］。四甲基偶氮唑盐（MTT）比色法和新型四甲基偶氮唑盐（MTS）比色法的原理相似，即活细胞中的线粒体脱氢酶可将3－（4，5－二甲基噻唑－2）－2，5－二苯基四氮唑溴盐还原而产生紫色结晶物，其结晶量与活细胞数量成正比。MTT溶解液萃取紫色结晶物后用酶标仪测定490nm处的光密度（OD）值，可反映活细胞数目。MTT法不足之处是产生的还原产物不溶于水，添加溶解液萃取的同时也使活细胞裂解死亡，不利于对材料－细胞相互作用的动态研究。经改良，MTS法的还原产物可溶于细胞培养液，提取简便，不损害实验细胞［26］。骨钙素是由分化成熟的成骨细胞分泌的一种非胶原骨基质蛋白，是骨形成的决定因素，能够调节矿物质形成速率和方向。碱性磷酸酶（ALP）是参与骨组织再生、代谢的一种重要物质。利用试剂盒测定在材料表面接触培养的成骨细胞外骨钙素水平，以及在细胞内的ALP活性变化，可以了解成骨细胞分化成熟程度和细胞成骨矿化能力，从而反映材料的生物活性。ALP高表达可以启动细胞外基质矿化和钙磷沉积过程，它的作用可能是通过促进机体局部形成高浓度PO43－，从而为骨组织内羟基磷灰石（HA）的成核、结晶提供条件。逆转录－聚合酶链式反应（RT－PCR）技术，是将RNA的反转录和互补DNA（cDNA）的聚合酶链式反应（PCR）相结合的技术，可用于检测细胞中基因表达水平。骨组织中成骨细胞的分化和增殖受到多种细胞因子的调节，因此对骨组织细胞因子的研究显得尤为重要，RT－PCR技术可以对BMP、纤维粘连蛋白、血管内皮生长因子、骨保护素等多种骨组织细胞因子的mRNA进行定量分析［27］。Kodama等［28］报道对钛基进行表面改性，并利用RT－PCR技术检测其表面成骨细胞中骨粘连蛋白和骨钙素mRNA水平，以评价其表面的骨形成能力。
2医学影像学评价
医学影像学技术在过去10多年发展迅猛。双能X线吸收法（DXA）、外周骨定量CT（pQCT）和显微CT（micro－CT）等已广泛运用于临床和基础骨形态计量学研究，可提供骨（面、体）密度和微观结构的重要数据。纳米CT（nano－CT）已在实验室得到应用，主要用于骨陷窝数量、大小和形态的定量研究。MRI技术有了很大发展，不仅可描述关节软骨形态，还可定量软骨体积和生化成分的变化，其扩散张量成像（DTI）技术更可定量评价胶原纤维网络的连接性和方向排列；MRI分辨率也不断提高，目前临床使用的3TMRI和试验使用的7T显微MRI（micro－MRI）均已达到微米级别［29］。因此，医学影像学技术已成为骨关节疾病临床早期诊断和预后判断的希望所在。随着计算机软硬件水平的提高和有限元技术在生物力学中不断深入应用，近年关于骨与关节生物力学研究已从传统的对骨性结构的简单线性模拟，逐渐提高到对骨与关节及其附属韧带与肌肉组织的非线性仿真计算上。利用影像学技术（主要为CT和MRI）数据采集模式获取原始数据，通过高仿真度非线性三维有限元分析与先进的生物力学离体标本测试手段探讨骨与关节非线性力学特征，可为骨与关节稳定性评估、骨与关节功能重建、骨科植入物研制、关节假体设计、脊柱畸形矫正等临床重点难点问题提供理论指导。
2．1X线检查
通过廉价简便的X线摄片可随时观察植入物位置，并对植入物在体内情况进行评分，通常参考Lane－SandhuX线片评分标准［30］。Tiedeman等［31］研究认为，这一评分标准与评价骨缺损愈合情况之骨密度、骨刚度、骨干重及抗扭曲强度等常用客观指标有高度相关性，因此仍在一些实验研究中应用。但是，普通X线检查对骨组织与生物材料界面的评估既缺乏敏感性也缺乏特异性，故目前仅用于对植入物置入位置及植入情况作简单筛查。有研究将X线与组织切片技术相结合，得到高分辨率图像，并应用此技术对生物材料与骨组织界面上的相互作用进行评价。
2．2micro－CT
常规CT检查由于分辨率偏低、金属伪影较大等限制因素，一直无法广泛应用于生物材料与骨组织界面的分析研究，但是随着micro－CT的产生，CT分辨率得到极大提高，扫描协议的改进也显著减少了伪影干扰。近年来，有相关研究探讨了含有金属植入物骨组织标本的界面分析，如在关节假体松动模型中对金属植入物－骨界面的评价，micro－CT扫描较传统的硬组织切片方法具有更高的分辨率（最小可达2μm），同时通过三维重建可精确测量骨标本内部骨小梁三维结构参数与密度参数［32，33］，并可获得三维立体的植入物－骨界面信息，对骨整合的评价更加客观和全面。然而由于目前仍存在技术上的缺陷及缺乏有效的评价方法，micro－CT对骨整合的评价受到限制。一方面金属物均会产生较强伪影，可干扰金属与骨组织界面接触的观察和定量分析［34］；另一方面，由于软件分析方面的限制，对骨整合界面的分析仍然停留在对金属物内骨长入量、骨小梁结构、骨密度等方面的简单评价，而这些指标并不能客观、有效地评价植入物与骨组织之间的相互作用及结合强度，对骨整合及假体松动等的评价仍然缺乏说服力。但不可否认，随着扫描协议的改进及图像分析技术的提高，micro－CT对骨整合的评价仍然是今后的一个热点。
2．3micro－MRI
近年来，MRI对于骨组织的显像开始受到关注并取得了一些进展，定量MRI显像为骨小梁的结构和功能研究提供了新的手段。它可以为一些疾病的进展和转归提供不同于CT的结构信息。此外，MRI技术为骨丢失机制研究提供了完全无创的途径，在一定程度上可补充甚至取代骨活检功能。然而，目前在图像的获取与处理方面仍然有许多技术问题。受目前技术限制，MRI分辨率仍然不能够满意地评价骨小梁结构，而且这种对于骨小梁结构的有限分析仍主要局限于四肢骨骼，而临床最为常见的骨折多发生于股骨近端和椎体。通过场强提高、脉冲技术改进以及参数矫正技术，一些不足正在得以改进。与CT和X线相比，micro－MRI不仅能够区别出骨与非金属类植入材料，而且可以将不同类型的软组织区分开来。目前的研究显示，micro－MRI图像上的信号强度与组织学切片上组织结构有明确关联。有研究［29］认为，micro－MRI可用于分析脊椎融合过程中非金属类植入物材料的骨整合过程，同时也可用于监控可生物降解的网笼材料的降解过程；micro－MRI在评价与分析生物可降解性材料和非金属类材料骨整合中将起到重要作用。随着MRI分辨率不断进步，临床上运用MRI对这些材料的骨整合进行评价和分析将为之不远。总之，micro－MRI有望成为评价早期骨整合的重要方法之一，在科研和临床上发挥更大作用。
2．4核医学显像
临床上，核医学显像在鉴别硬组织工程材料在人体内骨组织界面发生的是无菌性抑或感染性松动方面，具有独特优势。单纯X线平片在两者鉴别上既不灵敏也不特异，而CT断层显像及MRI因受到伪影的干扰而作用也十分有限，核医学显像反映的主要是病变的生理变化而不是解剖结构，因而不受假体伪影的干扰，是目前比较公认的首选方法。单纯99锝－亚甲基二膦酸盐（99Tc－MDP）静态显像具有良好的阴性预测值，且可明确指出松动的具体部位，对术前评价病情有重要意义，可作为一项初步检查。以往比较经典的99Tc－MDP静态显像判断假体无菌性松动或感染性松动的标准是将沿着假体周围呈弥漫性分布的异常放射性浓聚判断为伴发感染，而认为假体远端或两端骨组织放射性增高多为单纯假体松动所致。可是有研究报道，99Tc－MDP静态显像对鉴别假体无菌性与感染性松动的准确率并不高。因此，有学者试用骨三相显像来鉴别假体无菌性和感染性假体松动［35，36］，并显示较高的特异度和敏感度。近年通过与CT技术相结合，核医学显像技术得到新发展。单光子发射CT（SPECT）与正电子发射断层显像（PET）同样是功能性评价技术，它们与CT相结合后即产生SPECT／CT和PET／CT技术，相比一般核医学成像，多了CT利于定位的优势［37，38］。近年这种技术开始应用于对金属植入物骨整合的评价［36］，其中对植入物相关性骨髓炎的诊断就很有价值［39］，其原理是基于对注射到患者体内的一种放射性物质产生的正电子进行检测，而PET和CT联合成像将使感染的诊断更加准确、及时。但是PET／CT对金属植入物界面的评价也存在明显缺陷，即PET／CT图像中金属伪影仍然比较明显［40］。目前可通过多种方法减轻金属植入物对PET／CT成像的影响，其最为彻底的办法还有赖于CT重建算法的发展。针对消除金属伪影的各种CT重建算法的效果已得到一定证实，但部分成果还未完全应用于临床，还需要经过更多模拟和临床试验对这些方法的可靠性进行评估。
3生物力学分析
3．1传统分析方法
近年有学者提出假体生物力学相容性的概念，认为良好的应力分布是人工关节取得理想效果的前提条件。常用研究植入物生物力学性能的指标，包括顶出实验、牵拉实验、扭转实验等［41，42］。植入物的拆卸扭力常作为反映骨整合的生物力学尺度，因而植入物拆卸扭力增大，能反映种植体骨整合强度的增加［43］。对于植入物－骨界面形成骨整合后的力学分析实验或模型的研究很多［41－44］，总体上传统生物力学分析方法仍是目前评价植入物骨整合中生物力学参数的金标准，然而由于其为有创性等缺点，目前主要应用于体外研究，并且难以对骨整合的生物力学参数进行动态分析。
3．2有限元分析方法
由于标本来源受限、实验条件控制困难等原因，实验生物力学的研究受到一定限制。计算机有限元分析法应运而生。有限元这一概念最早出现于20世纪40年代，有限元分析法是一种用于结构分析的矩阵方法，其在机械工程学的成功应用促进了其在生物学领域的应用研究。有限元分析法应用于骨生物力学研究已有30余年，并在人工关节、假肢等领域取得广泛成功［45－47］。在人工关节领域［46］，有限元分析法主要应用于对关节假体松动的力学分析，其中包括应力分析、摩擦界面磨损分析、固定界面微动分析、关节活动度及稳定性分析、骨整合和改建过程模拟等方面。假肢残端与接受腔形成的人机界面［47］，是生物力学分析的另一个重要方面，也是有限元分析的另一个重要应用领域，但是与其他力学问题不同的是，建立人机界面有限元模型，需要人体组织力学性能，而且更深入的问题是外力作用对人体组织的影响。Belytschko等［48］于1974年首次将有限元分析法用于脊柱生物力学研究，近几十年来有限元分析法在脊柱生物力学研究中的应用日益广泛与深入［49－51］。由于植入物骨整合的复杂性，以往的实验方法如电测法、光弹法等，难以获得全域性信息。有限元分析法具有无创性、全息性的独特优势，尽管目前仍然存在数学模型建立困难、难以建立合理的复杂问题简化模型等问题，但今后仍可能成为生物力学分析的主要方法，具有广阔前景。
骨的生物力学特性范文
1口腔肿瘤术后下颌骨缺损及其并发症
1.1口腔肿瘤术后下颌骨缺损
口腔颌面部具有一个丰富的淋巴系统，口腔癌一般都有下颌骨骨膜的侵犯。Sudhir对22例口腔癌是否侵犯下颌骨进行研究，分别用X线、CT检查，发现有21例均有下颌骨的侵犯，并且与术后组织学相对照，其阳性率是一致的［2］。Tsuchimochi等用99mTcMDP骨扫描显示肿瘤引起了下颌骨松质骨的侵犯［3］。因此从肿瘤外科原则出发，必须作下颌骨切除，势必会引起下颌骨的缺损。
1.2下颌骨缺损的并发症
下颌骨缺损不仅仅影响面部美容，更重要的是可以引起如言语、吞咽、呼吸等功能的障碍。McConnel等对下颌骨切除后的病人进行口咽吞咽效率(OPSE)的检测，发现平均的OPSE值明显低于正常值，30个病例中有8例不能进食，其余只能进点流质［4］。Haribhakti也证实了下颌骨缺损可引起呼吸困难、睡眠质量差、下齿槽神经损伤的各种并发症，使患者的生活质量大大降低［5］。
2组织工程学骨再造的主要研究进展
组织工程学(tissueengineering)是生物医学工程中的一个新的分支，是应用生命科学工程学的原理与技术，设计、构造、改良、培育和保养活组织，以修复或重建组织器官的结构，维持或改善组织器官功能的一门新兴的边缘学科。其基本方法是将体外扩增的正常组织细胞，吸附到一种生物相容性良好并可被机体吸收的生物材料上，然后植入机体缺损部位，细胞在生物材料逐渐降解吸收过程中形成新的组织，达到修复缺损，重建功能的目的。Vacanti［6］等运用组织工程技术在裸鼠身上再生软骨，国外已有较多的关于软骨组织的组织工程［7］；国内曹谊林教授首次采用组织工程技术在裸鼠体内再生了带血管的骨组织，并用于修复骨缺损，为骨组织缺损的修复提供了一条新的思路和途径。
骨组织的再生要求有三个基本的生物学因素参与，即细胞、生长和分化因子、细胞外基质材料，这也是当今组织工程研究中的三大课题。源细胞经过培养可以分化成成骨细胞；生长分化诱导因子可以促进成骨细胞的分化增殖，保持成骨细胞不衰老；生物可降解材料可作为细胞支架，支持细胞的附着、迁移和分化［8］。
2.1种子细胞(成骨细胞)
2.1.1来源的选择
理想的骨组织工程学种子细胞应具备下列特点：(1)取材容易，对机体损伤小；(2)在体外培养中易定向分化为成骨细胞和具有较强的传代繁殖力；(3)植入机体后能适应受区的环境并保持成骨活性，有以下四种来源［9］。
2.1.1.1胚胎骨：
目前较多使用的是胚胎或新生动物骨或人胚胎骨。由骨分离出的细胞主要含有4种成分：骨内膜细胞、骨外膜细胞、骨细胞、未分化的间充质细胞。在体外培养中表现为两种形态：可贴壁的成纤维细胞样细胞和不贴壁的圆球型细胞。利用骨作为来源获得的细胞在体外较易定向分化为成骨细胞，且具有生长迅速，传代繁殖快的优点。但此法会对患者造成手术损伤且供源有限。
2.1.1.2骨外膜：
骨外膜分为内外两层。其中内层含有较多的骨原细胞和成骨细胞。已有较多的研究证实［10］来源于骨膜的细胞具有很强的传代繁殖和定向分化成骨细胞的能力，植入机体后能适应受区的环境，保持成骨活性，并最终通过软骨成骨而修复骨缺损，是目前广泛应用的成骨细胞来源。
2.1.1.3骨髓：
骨髓分造血和基质两大系统，其成骨能力来源于基质，骨髓基质细胞称作成纤维细胞集落形成单位，它具有多向分化潜能。骨髓具有取材方便、对供体损伤小、有流动性和可经皮注射等优点，具有广阔的发展前景。
2.1.1.4骨外组织：
骨外组织如表皮细胞、成纤维细胞，这些起源于胚胎时期间充质的骨外部位的骨祖细胞称作诱导性祖细胞(IOPC)。此法取材容易，对人体的创伤较小，体外培养传代繁殖力较强，提供了一条新的成骨细胞来源。
2.1.2成骨细胞与生物降解聚合物的体外培养
Attawia［11］等将成骨细胞种植在聚羟乙酸支架上，并在含10%胎牛血清的培养液中培养。7～10天后，成骨细胞粘附到聚合物支架上，并发生增殖，培养液中有钙化骨形成。Cooper［12］也进行了类似的研究，将成骨细胞分别种植到PMA、CPH、PMA/CPH共聚物上，2周的体外培养期间，成骨细胞发生了粘附、增殖，表达了较高的碱性磷酸酶活性，并有胶原合成。这些研究说明：种植到支架上的成骨细胞在合适的营养环境中，能与聚合物很好地结合，并保持其增殖和成骨功能。
2.1.3成骨细胞形成骨组织的最佳细胞浓度
种子细胞的选择是组织工程修复缺损的关键步骤。适当的种子细胞浓度既可以直接修复缺损，又可以通过分泌细胞生长因子，促进间充质未分化细胞向种子细胞转化，加速愈合［13］。浓度过低，基质和细胞因子分泌不足，将限制细胞的生长。浓度过高，细胞之间将过早发生接触抑制，在取材上也有困难。夏万尧、曹谊林等的实验选择浓度从10×106/ml～70×106/ml的细胞进行研究，并作HE、Safranin染色观察，结果确定接种细胞浓度为50×106/ml时形成的软骨组织最佳［4］。至于骨组织形成的最佳细胞浓度尚有待进一步研究和探索。
2.1.4成骨细胞与环境的关系
2.1.4.1成骨细胞与细胞基质(ECM)的关系：
成骨细胞的ECM包括无机和有机两部分，无机盐以羟基磷在石形式存在，主要作用为增强骨组织的力学强度；有机成分以Ⅰ型胶原为主，还包括骨钙素，骨桥蛋白，骨连接蛋白，纤维连接蛋白，层粘连蛋白等无定形基质。目前认为有机成分在成骨细胞增殖、分化过程中发挥重要作用。Nolan［15］等证实成骨细胞在脱钙骨基质上有很强的粘附和增殖能力。其中Ⅰ型胶原可刺激多潜能间充质细胞向成骨细胞方向转化，并促进成骨细胞表达碱性磷酸酶。
2.1.4.2成骨细胞与物理力的关系：
把细胞基质结合物放入铸模里，使它们承受减切力、张力和其他一些在生长过程中受到的已知力，这也是设计和组织工程所需要的。施加物理力是形成和推动基因活动的重要因素，研究证实机械应力可促进成骨细胞表达β1Intergrin，从而增加成骨量［16］。
2.1.4.3成骨细胞与血管内皮细胞的关系：在骨的改建过程中，成骨和血管化是密切相关的。血管内皮细胞可合成和分泌一系列可溶性的调节介质，包括生长因子和细胞因子，这些因子具有控制成骨细胞增殖、分化等作用；另一方面，Wang［17］等证实成骨细胞能分泌血管内皮细胞生长因子(VEGF)、FGF等促血管形成因子，作用于内皮细胞，促进血管形成。
2.2生物可降解材料
生物可降解材料又称为细胞外支架材料，理想的材料应具备下列条件：(1)良好的生物相容性；(2)良好的生物降解性，材料可最终被受植床组织完全替代；(3)易加工成型，并具一定的强度，抑制后能保持原状；(4)材料表面易于细胞粘附且不影响其增殖分化。
组织工程中应用的材料有天然材料和人工合成的高分子聚合物材料。天然材料如胶原、脱矿骨等；目前最受人青睐的材料是一些合成的生物降解聚合物如聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)和PLA/PGA共聚物。PLA和PGA具有良好的生物相容性和生物降解性，其代谢产物可通过代谢途径或经肾脏排出体外。学者们对这类材料研究取得了较大的进展，如Whang等［18］采用层压技术将聚合物制成三维立体多孔结构，其孔隙率达90%，孔的平均大小在16～32microm，组织形态学观察其成骨量要明显高于对照组，这样的微孔结构给种植细胞提供了较大的粘附面并有利于粘附的细胞与周围环境交换营养、气体和废物排泄。
最近有学者用脱乙酰的甲壳质(chitosan)和磷酸三钙(TCP)复合的海绵球作为成骨细胞培养的基质，发现该材料促进了成骨细胞的增殖和分化，有较高的碱性磷酸酶的表达及矿物化；光镜和电镜显示成骨细胞很好地附着在海绵球表面，并在14天时看到骨样物质的沉积［19］。
2.3生长调节因子
生长调节因子主要是生长因子和细胞因子。在组织工程中，某些种子细胞在体外传代培养后，经过一段时间后，细胞极易衰老，而生长因子能调节骨种子细胞的增殖和分化。对成骨细胞起着重要调节作用的生长因子有转化生长因子β(TGFβ)，胰岛素样生长因子(IGF)，骨形态发生蛋白(BMP)，碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)，血小板衍生生长因子(PDGF)等。
成骨细胞本身可合成分泌TGFβ，细胞膜上有TGFβ的特异性受体，TGFβ作用于体外培养的成骨细胞，抑制其DNA的合成和AKP活性，促进胶原蛋白和非胶原蛋白的合成［20］。bFGF起着形态发生因子和促有丝分裂作用，刺激骨细胞的DNA合成，减弱OC、AKP的mRNA表达。PDGF可促进成骨细胞增殖，但对胶原合成无影响。BMP可诱导血管周围间充质细胞不可逆地向成骨细胞系方向转化，提高成骨细胞的AKP活性。IGF在骨组织中含量较高，约(1mg/kg)，可刺激成骨细胞增殖，促进胶原蛋白的合成。
Strayhorn［21］等采用鼠成骨前细胞株MC3T3E1和Northern杂交分析法研究了各类生长因子对成骨细胞增殖及相关基因的表达，显示单用PDGF抑制IGFmRNA的表达，阻断了骨钙素基因的表达，而单用IGF及BMP增加相关基因的表达。研究同时发现PDGF/IGF合用明显增强增殖分化相关基因的mRNA表达，促进了骨的形成。由此可见，生长因子之间的协同或拮抗作用还是很明显的，单一生长因子的作用或其浓度和剂量的改变是否会影响成骨细胞的增殖分化尚待进一步研究。
2.4临床前试验研究
临床前试验也即动物实验，其目的在于了解成骨细胞在体内的生长代谢、成骨情况以及生物材料的特性。
2.4.1成骨细胞—生物降解材料复合物移植于皮下的成骨作用
Levy［22］等在体外培养研究的基础上，将成骨细胞—PGA复合体移植到裸鼠背部皮下观察其成骨情况。植入后6周观察有软骨形成，在侵入的血管周围有新生的骨组织；20周时，可见大块骨组织形成。由此可见，成骨细胞—生物材料植入体内后先形成软骨，然后经历血管侵入和形态发生而形成骨组织。
2.4.2成骨细胞—生物降解材料复合物移植修复缺损
Lewandrowski［23］等用种植有成骨细胞聚合物修复骨缺损，以单纯聚合物植入作对照，发现实验组在术后1周即出现编织骨组织形成，至第4周时，新生骨组织渐趋成熟，至第8周时，缺损完全为骨组织充填，生物材料已完全降解吸收，未见免疫细胞浸润，Safrainin0染色阳性。
用带血管蒂的骨修复骨质缺损有很多优点，但这种移植材料取材极有限，能否利用组织工程技术来制造这种带蒂的骨修复材料又是当今的一大热点。已有学者［24］从胎牛肱骨骨膜分离的成骨细胞种植到聚合物支架上，体外培养2周后，将成骨细胞—聚合物复合体移植到无胸腺大鼠的右股血管周围，术后9周形成了新生的骨组织，最终形成了带血管蒂的小梁骨。
3组织工程学在颌骨缺损修复中的应用
下颌骨缺损的修复(尤其是肿瘤性的)一直是口腔颌面外科的难题，研究合适的骨缺损修复材料显得尤为必要。Henning［25］等在制作小猪下颌骨缺损模型的基础上，把聚乳酸和成骨细胞的复合物植入缺损区，再加上bFGF，采用三维模式观察骨组织的生长情况。结果发现新生骨组织均可在此支架上附着，并提出了较适宜的bFGF浓度为8μg/ml。组织工程骨再造在颌骨缺损修复的临床前试验有待进一步研究。
4组织工程骨再造的应用前景和存在问题
以细胞和生物降解聚合物复合移植来恢复、保持和改善组织功能为特征的组织工程学技术为骨的修复提供了新的方法［26］，与其他骨修复方法相比具有以下优点：(1)需要的供体组织少(细胞可在体外培养、增殖)；(2)可根据修复缺损的需要将植入物制成精确的三维形状。我们可以通过成骨细胞与生物降解材料的混合培养、骨的塑形及动物实验来进行特定形态骨再造的研究，以此可以修复大量的肿瘤性骨缺损的病例，其应用前景是光明的，但仍存在下列问题：(1)现有的合成性生物降解聚合物强度不足，受力时易变形，这样会损伤移植的细胞，材料性能有待进一步研究；(2)种子细胞的衰老问题，尚需进一步研究生长因子对成骨细胞的作用；(3)对于特殊解剖形态的颌骨部位，如何将细胞—生物材料复合体固定到骨缺损区也是一个重要问题。
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