体外轴向应力促进骨折愈合相关力学参数的计算机仿真优化及实验研究

As we all know, appropriate stress stimulation can promote fracture healing, but the mechanism and optimal parameters of the stress for promoting bone healing is not clear, so that there are no scientific stress interventions for fracture healing in clinical trials. In our preliminary studies, rapping the heel of human or animal (simulating weight) using self-developed non-invasive Rap System of Stress Stimulation, was proved to produce adjustable and controllable axial stress stimulus in the fracture interspace after fixation by different instruments, and can promote fracture healing. This research intends to introduce computerized emulational technology which can emulationally imitate fracture healing process promoted by extracorporeal axial stress with different fixation patterns. Through arithmetic analysis we can initially optimize axial stress related parameters. Then we will establish goat tibial fracture model for different fixation patterns, the axial stress with different strengths and frequencies would be implemented to these models according to optimized related parameters. After that we synthetically evaluate the influences from extracorporeal axial stress for fracture healing in animal model according to iconography, biomechanics, molecular biology and so on. By comparison with computerized emulational results, we would to achieve the optimum axial stress related parameters of bone fracture healing with different fixation patterns, and clarify the mechanism of promoting fracture healing by axial stress, further more provide basic data and theoretical basis for clinical applications and in-depth study of axial stress from rapping.

众所周知在骨折端施加适当的应力刺激可以促进骨折愈合，但最佳的应力参数及促进骨愈合机理尚不明确，骨折愈合仍缺乏科学的应力干预措施。我们在前期研究中利用自行研制的非侵入性体外应力刺激仪，叩击人体或动物足跟部(模拟负重)，证实能使不同固定方式下的骨折端产生可调可控的轴向应力刺激，动物预实验及初步临床应用结果显示其对骨折愈合具有促进作用。 本研究拟引入计算机仿真技术，对体外轴向应力促进不同固定方式下的骨折愈合过程进行计算机仿真模拟，通过运算分析初步优化轴向应力相关参数。再建立山羊胫骨骨折不同固定方式的动物模型，根据优化后的相关参数，施加不同强度和频率的轴向应力，从影像学、生物力学及分子生物学等方面综合评价体其对骨折愈合的影响；对比仿真模拟分析结果，提出不同固定方式下促进骨折愈合所需的最佳轴向应力参数；并分析其促进骨折愈合的可能机制，为轴向应力促进骨愈合的临床应用及深入研究提供基础数据及理论依据。

研究表明在骨折端施加适当的应力刺激可以促进骨折愈合，但最佳的应力参数及促进骨愈合机理尚不明确，骨折愈合仍缺乏科学的应力干预措施。本课题组前期自行研制非侵入性体外应力刺激仪（获国家发明专利，专利号CN1803117.5），叩击人体或动物足跟部(模拟负重)，并证实能使不同固定方式下的骨折端产生可调可控的轴向应力刺激，动物预实验及初步临床应用结果也显示其对骨折愈合具有促进作用。本研究中课题组设计并进行了两方面的研究，一方面采用计算机仿真技术，建立高精度山羊胫骨横断骨折行钢板内固定及外固定架固定两种不同固定方式下的三维有限元模型，仿真模拟应力刺激仪产生的体外轴向应力促进两种不同固定方式下的骨折愈合过程，通过运算分析，确定促进骨折愈合的最佳应力参数在内、外固定组中均为200N、1Hz。另一方面建立了山羊胫骨骨折钢板内固定的动物模型，根据优化后的相关参数，施加不同强度和频率的轴向应力，从影像学、生物力学及分子生物学等方面综合评价体其对骨折愈合的影响，进一步明确了骨折愈合所需的最佳应力参数200N、1Hz，从而印证了计算机仿真模拟及有限元分析的可靠性。通过对动物实验研究结果的分析，我们发现轴向应力促进骨愈合的可能机制有：①在血肿机化期，骨组织中对应力刺激敏感的细胞感知信号，可能通过力学-生化偶联过程完成信号的传导和应答反应，介导CD34阳性细胞的富集，并趋向骨折端，在VEGF等因子的协同作用下促进局部血管化，快速重建血运，以利于骨修复过程中所需营养物质的输送；②体外轴向叩击式应力刺激能增强多种骨生长因子的表达，如TGF-β1、BMP-2等，刺激间充质细胞的增殖、分化，形成原始骨痂；③适当应力刺激能明显促进成骨细胞因子ALP、Cbf-α1、OCN的表达，进而促进骨形成骨愈合；同时明显抑制破骨细胞因子RANKL及促进负反馈因子OPG的表达，从而促进骨愈合。本研究结果为轴向应力促进骨愈合的临床应用及深入研究提供了基础数据及理论依据。