脉冲电磁场促进骨折愈合的研究进展1.doc

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1、精品论文推荐脉冲电磁场促进骨折愈合的研究进展1米 彦 1，姚陈果 1，李成祥 1，孙才新 1，唐丽灵 21. 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆（400044）2. 重庆大学生物工程学院，重庆（400044）E-mail: 摘要： 脉冲电磁场可有效促进骨折愈合并已成功应用于临床，经过近四十年的发展，脉 冲电磁场作为一种非侵入的治疗方法取得了非常好的效果。本文通过细胞实验研究、动物实验研究、临床应用研究、作用机理四方面综述了脉冲电磁场促进骨折愈合的研究进展，分析 了影响脉冲电磁场作用效果的各种因素，并在此基础上介绍了此方面研究中还需进一步探讨 的问题，以及脉冲电磁场用于治疗

2、骨折的应用前景。关键词：脉冲电磁场；骨折愈合；研究进展中图分类号：Q64，R318骨折是临床上的常见病，而骨不连、延迟愈合则是临床上疑难病症。传统的方法是采用 手术进行骨移植或内固定，其风险/治愈率比值大，给患者带来极大的痛苦。脉冲电磁场治 疗骨折具有无创、操作简便、适应症广、无并发症等优点，治愈率与骨折时间、皮肤或神经 损伤、年龄、性别及失败的手术次数等诸多条件无关，尤其在局部感染后也可以使用1。自 Bassett 将脉冲电磁场成功用于骨折治疗以来25，人们在临床上已开始了将脉冲电磁场作为 一种非侵入疗法，用于促进脊椎以及腰椎关节愈合6, 7和治疗严重的多处长骨骨折811。本文从细胞实验研究

3、、动物实验研究、临床应用研究、作用机理四方面综述了国内外关 于脉冲电磁场促进骨折愈合的研究进展，并对影响因素以及本研究还需进一步探讨的问题进 行了综合分析，进而展望了脉冲电磁场用于骨折治疗的广阔前景。1. 脉冲电磁场促进骨折愈合的研究进展1.1 细胞实验研究成骨细胞是骨中占主导地位的细胞，是机械和电刺激通过连接间隙传送信号的基本条件 12，是骨发生和骨形成的物质基础，在骨组织的更新活动中是最重要的功能细胞；成骨细 胞的骨形成与破骨细胞的骨吸收两者间保持动态平衡是骨活动保持正常状态的基础13。因 此，脉冲电磁场促进骨折愈合的细胞实验研究大都以成骨细胞和破骨细胞作为研究对象，研 究外加脉冲电磁场对

4、成骨细胞的增殖、分化、活性的影响，以及对破骨细胞形成的影响。1.1.1 成骨细胞实验研究Bassett 等人早在 60 年代就提出外加电能可以改变骨细胞的行为9,14，随后的实验研究 也证实了电磁刺激可以促进成骨细胞增殖、提高成骨细胞的活性15、促使成骨细胞分化16， 加速骨的形成17。如李丽荣等18利用出生后的 SD 仔鼠 2 只，骨组织块培养法分离、培养成 骨细胞。然后将频率为 15Hz、磁感应强度为 8Gs 的脉冲电磁场作用于成骨细胞。应用 MTT 方法、碱性磷酸酶（ALP）测定、四环素荧光标记检测成骨细胞增殖、分化、体外骨形成情 况。实验结果表明：MTT 检测结果显示实验组 A490

5、nm 值明显高于对照组。ALP 检测结 果显示实验组 A410 nm 值明显高于对照组。实验组钙结节数量也明显多于对照组。说明了1 资助项目：国家自然科学基金重点项目（50637020）；高等学校博士学科点专项科研基金（20050611020）。- 8 -脉冲电磁场刺激促进成骨细胞增殖、分化、加速了骨形成。对于脉冲电磁场是如何刺激成骨细胞增殖和分化的，Diniz 等人19则通过实验指出：NO 合成的增加控制着脉冲电磁场促使 成骨细胞增殖和分化。除了促进成骨细胞的增殖和分化，减少其凋亡外，脉冲电磁场还对成骨细胞的矿化功能 有着显著的影响20。1.1.2 破骨细胞实验研究 骨的连续重塑是通过破骨细

6、胞对骨的吸收和与之同时进行的成骨细胞对骨的形成来完成的。这两个过程紧密联系，在保证了骨结构完整性的情况下，使骨骼不断更新。破骨细胞和成骨细胞的不平衡将导致骨骼畸变。Chang 等人21研究了脉冲电磁场刺激下破骨细胞的形 成：利用频率为 7.5Hz、磁感应强度为 16Gs、占空比为 1/444 的脉冲电磁场作用于老鼠的腿 节和胫骨骨髓细胞，每天作用 2 小时，持续 9 天。作者采用了三组磁感应强度变化率，在细 胞膜表面所产生的感应电场强度分别为：4.8、8.7、12.2 V/cm。实验结果表明：感应出不 同电场强度的脉冲电磁场影响了破骨细胞的形成和骨的吸收；与没有外加电磁场作用的对照 组相比，感

7、应电场强度为 4.8V/cm 和 12.2 V/cm 时，破骨细胞的数量分别有明显的减少和 增加，吸收区域的比例也有明显的减少和增加；然而感应电场强度为 8.7V/cm 时，破骨细 胞的形成和骨吸收与对照组相比在统计学上没有差异。说明不同参数的脉冲电磁场可以调节 鼠骨髓培养系统中破骨细胞的形成。1.1.3 细胞间隙通讯研究 近几年来，也有研究者从脉冲电磁场对细胞缝隙连接通讯功能影响的角度来分析脉冲电磁场对骨形成的作用22,23。细胞缝隙连接通讯（Gap Junctional Intercellular Communication,GJIC）是相互接触的相邻细胞间的一种信息通讯，这种功能对于维持

8、细胞正常的生长与分 化起着十分重要的作用。在正常组织再生及细胞增殖时，GJIC 均是抑制的，GJIC 抑制被认 为是其中的关键事件和重要机制。李昌敏等人22用细胞内微注射法就不同强度的脉冲电磁 场对 GJIC 功能的效应进行了研究，并与正弦磁场的作用以及脉冲电磁场所感生的不同电场 的作用进行了比较和探索。研究发现磁感应强度高于 4 Gs 的脉冲电磁场具有抑制 GJIC 的作 用，这种作用与磁感应场强度有关，其抑制 GJIC 的效应比正弦磁场强（对于正弦磁场，磁 感应强度高至 8 Gs 才显示出抑制效应）。并且作者的实验结果还表明：GJIC 的抑制主要由 磁场引起，而与感应电场关系不大。Yama

9、guchi 等人23的实验结果表明，极低频电磁场减少 了骨祖细胞模型中缝隙连接通讯功能，而对完全分化的成骨细胞模型没有影响，因此作者指 出脉冲电磁场只对骨祖细胞、少分化或未完全分化的成骨细胞有影响，是通过对骨祖细胞的 作用来完成骨修复的。脉冲电磁场促进了成骨细胞的增殖和分化，增加了碱性磷酸酶的活性和成骨细胞的矿化 率，调节了破骨细胞的形成及骨吸收，抑制了细胞缝隙连接通讯，这为脉冲电磁场促进骨折 愈合奠定了微观理论基础，同时也为宏观的动物实验研究和临床应用提供了依据。1.2 动物实验研究自 Bassett 的脉冲电磁场促进骨折愈合的实验成功之后5，国内外的大量学者通过不同 的动物模型、不同的实验

10、分析方法来对其做了进一步研究。脉冲电磁场促进骨折愈合的动物 实验，最简单、最直接的分析方法就是去比较脉冲电磁场作用后，骨折部位骨的填充情况及骨的承重能力。Darendeliler 等人24将 30 只 2 周大的豚鼠分成脉冲电磁场组、静磁场组、对照组；在麻 醉的状况下，对所有的豚鼠实施下颌角切除术，然后，前两组利用脉冲电磁场和静磁场每天 治疗 8 小时，共 9 天。组织学结果表明：当对照组的截骨处还是结缔组织的时候，脉冲电磁 场组和静磁场组的截骨处已有新骨填充。Inoue 等人25将 12 只成年杂种犬的中间腓骨横向 切开 2mm 的缝隙，然后包扎固定。手术后 4 周，实验组利用脉冲电磁场每天

11、治疗 1 小时， 持续 8 周。对照组不于刺激。12 周后将这些犬处死，研究评估了其承重能力。实验结果表 明：实验组比对照组愈合快：新骨形成明显增加，具有更高的机械强度。说明了脉冲电磁场 可以提高愈合组织的形成，加速骨折延迟愈合康复。双盲实验结果则更进一步肯定了脉冲磁场促进骨折愈合的效果：早在 1993 年，Valerio 等人26在马掌骨骨干钻孔的双盲实验模型中就证明了低频脉冲电磁场不仅能刺激骨修复， 还能诱导骨的形成。2004 年，Ibiwoye 等人27采用严格的双盲实验方法，对老年大鼠的腓骨 骨干双侧截骨，一后肢利用脉冲电磁场治疗，对侧作为对照组。实验结果表明：与对侧的对 照组相比，骨

12、切开缝隙明显小于对照组。作者指出，其数据证实了脉冲电磁场对有机体骨组 织能产生可测量的生物效应。大量动物实验结果表明，在其它外界因素相同情况下，脉冲电磁场促进了骨折部位骨的 形成，提高了骨折部位的机械强度，加速了骨折的愈合。双盲实验使其实验数据更具有可比 和对照性，进一步肯定了脉冲电磁场促进骨折愈合的效果27,28,29,30。1.3 临床应用研究脉冲电磁场促进骨折愈合的细胞实验研究为临床应用提供了理论依据，而动物实验研究 则为临床应用提供了实例。脉冲电磁场用于临床治疗骨折延迟愈合和骨不连，已有超过 25 年的时间25。这种治疗在很多临床应用报道中都是很有效的31。脉冲电磁场治疗骨折，能明显提

13、高治愈率，并能明显缩短骨折愈合时间：Bassett 5在临 床上较早运用脉冲电磁场治疗 127 例骨折延迟愈合和骨不连患者，通过脉冲电磁场的治疗，87%的骨折病例得到了愈合。Dhawan 等人通过 64 个后足关节固定病人（144 个骨折点）研 究了脉冲电磁场对骨折愈合的效果。实验组每天利用脉冲电磁场刺激 12 小时，结果表明， 对照组平均愈合的时间为 14.5 周，而实验组平均愈合时间为 12.9 周32。脉冲电磁场不仅对骨延迟愈合、骨不连能产生很好的促进愈合效果，对新鲜骨折愈合也 同样具有很好的促进作用。屈承端等人33采用脉冲电磁场骨创伤治疗仪治疗 32 例下肢新鲜 骨折患者：电磁组优良率

14、达 100%，而对照组仅为 31%，电磁组 2 周内出现骨痂 10 例占 31%，3 周内 21 例占 66%，对照组 2 周内无骨痂出现，3 周内出现骨痂 7 例占 22%。表明脉冲电 磁场能显著促使骨痂早日出现，不同类型骨折出现骨痂时间无显著差异；电磁组平均愈合时 间缩短 2.54.8 周。到目前为止，国内外已有很多医院将脉冲电磁场作为一种非侵入疗法应用于临床治疗骨折延迟愈合、骨不连与新鲜骨折，提高了骨折治愈率，缩短了骨折治疗时间；同时脉冲电磁 场还具有止痛消炎的作用，减轻了骨折病人的痛苦。1.4 脉冲电磁场促进骨折愈合的作用机理无论是分子生物学研究，还是动物实验研究与临床应用都证实了脉冲

15、电磁场对骨折愈合 的促进作用，对于其作用机理，目前主要的观点有：1.4.1 压电效应1953 年，Fukada 发现了骨骼中的压电效应（piezoelectriceffect），即在骨组织或肌腱上 施加应力可得到极化电位；同时逆压电效应也得到证明，即给骨组织施加电场时，正负极之 间会产生应力和应变。Pilla34则通过细胞阵列的模型证明：应变与电磁场完全可以通过流动 电位的形式相统一。该现象预示应力可能通过压电效应产生电磁场影响骨细胞的生理功能，由此引发了电磁 场与骨相关疾病关系的研究。骨骼表面为负电位，受力作用下，骨骼间隙内流动液体中部分 阳离子将被吸附向骨表面，致使液体中阴离子过剩，并形成

16、一定的电位差。而外加脉冲电磁 场在骨折部位产生的感应电压，为骨折部位提供了压电效应所需电压，有助于促进骨折愈合。压电效应将电磁作用与成骨理念合理结合，为脉冲电磁场治疗骨骼疾病提供了基本思 路，是分析电磁作用和成骨机制的物理基础。为验证场对细胞的作用究竟是磁场的直接作用还是其诱导电场间接作用，Misakian 等人 曾检测了磁场和与其诱导电场相同大小的电场的独立作用效果，结果发现一部分作用不是由 诱导电场引起的。同时电场能量只占诱导它的磁场能量的极小部分，如果磁场只是通过诱导 电场产生作用的，那么其作用方式不能有效利用磁场的能量。因此在研究磁场对细胞的作用 时，应该考虑磁场对细胞的直接作用。目前

17、关于磁场作用机制有以下几种假说：“回旋共 振”模型（Cyclotron Resonance）；钙离子或其它离子的“参数共振”模型；核磁共振模型；磁场对自由基的作用；磁场与内源铁磁颗粒的相互作用35。1.4.2 钙离子沉积学说Bassett 认为交变磁场影响了局部生物电流，从而影响纤维软骨的钙化，为软骨内成骨 创造了良好的条件34，并认为脉冲电磁场在促进骨折愈合中主要是对钙盐产生动力学影响， 促进钙离子向阴极侧泳动并沉积，加速组织钙化，达到治疗作用28。由于压电效应和外加脉冲电磁场的作用，必将引起骨折部位钙离子的移动。因此，骨折 部位钙离子在外加脉冲电磁场中的沉积现象，是多数研究者证实脉冲电磁场

18、具有促进骨折愈 合作用的方法之一，也是联系脉冲电磁场作用与成骨机制的途径之一，此学说已被研究者广 泛认可。1.4.3 第二信使学说1977 年，Norton 等发现高于 750V/1.5cm、5Hz 的震动电场能使环-磷酸腺甘降低，高于900V/1.5cm、5Hz 的震动电场又能使环-磷酸腺甘含量增高，由此提出电信号对细胞有直接 活化作用，可以激活环-磷酸腺甘，从而激发各种酶系统，作为第二信使促进细胞向成骨方 向转化，Robinson 不仅支持这种观点，进而还提出电磁场可能是通过激活骨折处成软骨细 胞的溶菌酶来促进新骨生长36。第二信使学说则从环-磷酸腺甘与各种酶系统的角度分析了脉冲磁场的成骨

19、机理，目前 也逐步得到了多数研究者的认可37,38。1.4.4 其它学说 由于脉冲电磁场促进骨折愈合的机理尚不明确，还存在许多其它的理论：如低频磁场可以加强骨再生区代谢过程，并有消肿、消炎和增加局部血液循环作用；对细胞的直接作用和微循环的间接作用；调节激素水平；抑制了细胞缝隙连接通讯；细胞的“频率窗效应”等。由于脉冲电磁场具有广泛的生物效应，脉冲电磁场促进骨折愈合的机理是多种学说共同作用的结果，因此比较复杂，仍需大量的实验研究对其进行分析。2. 影响脉冲电磁场作用效果的因素2.1 脉冲电磁场的参数由于电磁场刺激引起的生物效应具有电磁场参数的“窗口效应”，不同的脉冲电磁场参数 所产生的生物效应也

20、不同。对于促进骨折愈合所用的脉冲电磁场，目前各个研究者所采用的 脉冲电磁场的频率、强度、脉宽、波形等参数也不尽相同，由此也引起了研究结果不一致。 即使同一个实验，不同的参数配置所产生的作用效果也不同：宋晋刚等人39探讨了脉冲电磁场诱导人骨髓间充质干细胞（MSCs）成骨分化的适合频 率：选用磁感应强度为 11Gs、频率分别为 5 Hz、25 Hz、50 Hz、75 Hz、100 Hz 和 150 Hz 的脉冲电磁场作用于 MSCs，每天作用 30 分钟，连续作用 21 天。结果表明：从 550 Hz 频段，脉冲电磁场的成骨诱导作用随着频率的增加而增强；从 50150 Hz 频段，脉冲电磁场 的成

21、骨诱导作用随着频率的增加而减弱。因此，作者指出频率是脉冲电磁场诱导 MSCs 成骨 分化的重要影响因素之一，50Hz 可能为诱导 MSCs 体外成骨分化的适合频率。何成奇等人40对 50 只大鼠切除双侧卵巢去势造模，然后随机分成五组（两组对照组， 三组治疗组），治疗组每天在频率为 8Hz、磁感应强度分别为 7.7Gs、38.2 Gs 和 98.7 Gs 的 磁场环境中治疗 40 分钟，共 30 天。实验结果表明：在磁场频率一致和干预时间相同的前提 下，所用三种不同磁场强度的脉冲电磁场治疗具有增加去势大鼠股骨骨钙含量的作用，38.2Gs 的脉冲电磁场较 7.7Gs 的脉冲电磁场更能增加股骨骨钙含

22、量。 清华大学不仅证实了脉冲磁场能够促进 DNA 的合成和影响成骨细胞的增殖与分化41,42，还证实了效果与脉冲磁场的频率和强度存在一定的“窗口效应”4345。龙英等46研究结 果表明：细胞的反应和电磁场频率及场强或磁感应强度没有线性关系，在所实验的频率或场 强或磁感应强度范围内，只有某些参数对细胞有作用，即存在频率和场强或磁感应强度的特 异性。510 Hz 的交变磁场对成骨样细胞（UMR-106 DNA）合成均促进作用，且有效刺激 频率一般在 100 Hz 以下，特别是 10 Hz 附近。0.1 mT 以下的场(磁感应强度 0.01 mT 为计算 值)对细胞没有明显作用，而大于 0.8 mT

23、 的磁场对细胞有抑制作用。毛静在研究脉冲磁场对 SaOS-2 成骨细胞的影响中也观察到频率和磁感应强度的“窗口”效应，细胞只对特定参数范 围内的磁场刺激起反应47。促进 SaOS-2 细胞增殖的主要有效频率范围为 50Hz 以下，其中15Hz 频率对细胞增殖水平提高的作用最明显；促进 SaOS-2 细胞增殖的主要有效磁感应强度 为一很窄的窗口，为 0.40.7mT；在此区间，磁场对细胞增殖水平的作用很接近，且随着时 间的增长（5 天），相对于对照组，脉冲磁场可显著提高成骨样细胞 SaOS-2 的碱性磷酸酶水平35,48。由上可见，脉冲电磁场促进骨折愈合具有“频率窗效应”，强度和波形22,495

24、1也影响了治 疗效果。虽然目前的参数配置治疗骨折取得了比较好的效果，但是参数选择不同，治疗效果 也不一样，最佳的参数配置尚需进一步研究。2.2 其他因素及还需进一步探讨的问题由于脉冲电磁场是矢量，为了使其治疗效果达到最好，就要将产生脉冲电磁场的线圈放 在骨缺损的中央，否则会降低磁场的作用；不同病人所生活的电磁环境不一样，对电磁场的敏感程度就不一样，需要为不同的病人寻找合适的治疗方案；骨折部位不相同，所需的磁场参数也不一样，这就要求针对不同的骨折部位选择合适的磁场参数。还有，每天治疗时间的 长短对脉冲电磁场的治疗效果也有很大影响。另外，脉冲电磁场促进骨折愈合的作用机理依 旧不明确，仍需要进一步探

25、讨。3. 脉冲电磁场促进骨折愈合的前景脉冲电磁场治疗骨折具有无创、操作简便、适应症广、无并发症等优点。并且通过大量 的实验研究证明了其治疗骨折延迟愈合、骨不连、新鲜骨折、骨质疏松、骨关节炎、软骨损 伤、周围神经损伤等症的有效性。特别是对于有感染史、骨移植失败、骨坏死、骨血管重建 的治疗，具有其他保守疗法不可比拟的优势。随着实验的进行，其作用机理将逐步明确，在 临床上就可以根据病人的具体情况选择最有效的治疗方案，让病人以最快的速度恢复健康。 因此，在不久的将来，脉冲电磁场治疗骨折将会在临床上得到广泛应用。参考文献1张峰, 罗二平, 张宏. 基于脉冲电磁场的骨折愈合刺激仪及临床应用 J. 生物医学

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