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作者：裴国献,陆海波

出版社：科学技术文献出版社

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同种异体骨移植试读：

前言

同种异体骨移植技术已有逾百年的历史。作为一种骨修复材料，同种异体骨在骨缺损的修复中一直扮演着重要的角色，发挥了重要的治疗作用。随着现代免疫学、生物材料学及相关高新技术的发展与应用，有关同种异体骨移植的相关基础研究，如免疫排斥反应的机制、排斥反应的防治、同种异体骨移植的愈合机制及生物力学、现代骨库技术、同种异体骨临床应用技术、同种异体骨重组复合及应用拓展等方面已发生了重大变化，同种异体骨移植这一传统骨缺损治疗技术的内涵、作用及价值已远今非昔比。随着再生医学、组织工程学的产生与快速发展，同种异体骨已不仅仅单纯作为一种骨修复材料，而已发展成为一种“旧材新用，一材多用”的“新型生物材料”，已衍生出诸多新的功用，即其可作为一种生物载体复合生长因子用于促进骨的生长与愈合；可作为组织工程骨的支架材料复合种子细胞而用于组织工程骨的构建。因此，在21世纪医学发展的今天，同种异体骨移植已蕴含了新的概念与新的功用。对此，我们特组织有关从事免疫学、病理学、生物力学、生物材料学等领域的研究人员与临床医师编写了此专著，旨在进一步挖掘同种异体骨移植的潜在巨大价值，更充分发挥同种异体骨移植这一传统技术在现代临床骨科治疗中的新的重要功用。

本书是我国第一部有关同种异体骨移植的专著。本书旁征博引，涉及到免疫、病理、生物力学、材料及临床等多个学科；引经据典，参考了大量的经典著作及论文综述；推陈出新，在忠实引述同种异体骨移植发展历史的前提下，又重点介绍了同种异体骨移植的最新研究成果与进展；图文并茂，配合文字引用了大量的原始图片并绘制了百幅精美插图。

本书详细介绍了同种异体骨移植基础研究及临床应用的主要方面，反映了该领域的最新进展，实用性强，可作为临床骨科医生、从事骨库技术人员、骨修复材料研究、骨组织工程研究的科研人员和研究生的参考书。对于本书的不全、不妥，乃至错误之处，祈盼同道不吝雅正。裴国献第1章　同种异体骨移植的发展简史第1节　同种异体骨移植的历史一、骨移植的定义及分类

骨移植（bone transplantation）是指骨骼被从生长的原处移位到另一位置或另一个体体内的手术过程。

植入的供体骨组织称为骨移植物（bone graft）。根据骨移植物的来源及其受体的差异，骨移植可以分为自体骨移植（autograft bone transplantation）和非自体骨移植（non-autograft bone transplantation）两大类。而非自体骨移植根据供体与受体基因型的差异又可以分为孪生/同基因骨移植（isograft/syngraft bone transplantation）、同种异体骨移植（allograft bone transplantation）和异种骨移植（xenograft bone transplantation）。本书将重点围绕同种异体骨移植展开讨论。

除自体骨移植不存在免疫排斥外，其余各种非自体骨移植均存在免疫反应，因此根据取骨后保存及去抗原的处理方式又可以将骨移植物分为新鲜骨（fresh bone）、深冻骨（deep-frozen bone）、冻干骨（freeze-dried bone）、去抗原自溶骨（antigen-extracted autolysed allogeneic bone,AAAB）、脱钙骨基质（decalcified bone matrix,DBM）、骨基质明胶（bone matrix gelatin,BMG）等。二、骨移植的历史

人类的历史是一个不断探索自然的过程，伴随实践人类的医学也在不断进步，骨科学的历史也是不断尝试和进步的过程。早在中国古代就流传着“柳条接骨”的故事，国外在16世纪时，就有将金、银等金属材料和玻璃、牛骨、象牙等非金属材料植入人体内以固定骨折或替代骨缺损的尝试。17世纪曾有荷兰的医生用狗的部分颅骨移植来修补一战士的颅骨缺损，后来医生在试图取出植入骨时发现移植骨已经愈合了。1867年法国人Ollier对兔、犬等进行了骨移植动物实验，实验的结果验证了骨移植的可行性和有效性，并明确了自体骨移植、同种异体骨移植和异种骨移植的概念，开创了现代骨移植的新纪元。有报道的第一例人同种异体骨移植是在1880年由苏格兰医生Macewen完成的，他利用一佝偻病患儿矫形手术切取的胫骨作为移植物植入了一名因肱骨骨髓炎行肱骨干切除术的男孩体内，在此后的七年中植入的骨整合进入受者肱骨的近端和远端，并塑型形成了新的骨干修复了缺损。Macewen的尝试不仅证实了同种异体骨移植的可行性，也标志着同种异体骨移植时代的来临。早期同种异体的骨关节移植的报道中较为著名的是德国医生Lexer的，在1908年他报道了23例全关节和11例半关节的新鲜异体骨关节移植的结果。在随后的17年他对术后情况进行跟踪评估，发现肢体保留的成功率约为50%，由于当时尚未有有效的解决免疫排斥的方法，故异种骨移植的结果不甚满意。1915年，美国人Albee出版了《骨移植外科》，同种异体骨移植才逐渐被各国骨科医师所关注，但免疫排斥仍然制约着这一技术的疗效和临床应用。

1947年，Bush和Wilson借鉴了血浆的低温保存技术，将冷冻法应用于异体骨的保存中，他们惊喜的发现异体骨的排斥降低了。直到1951年，Krewz和Turner首次报道了冻干骨保存技术，并应用辐射灭菌法，不仅使异体骨可以在真空容器中于室温保存，异体骨的抗原性也显著下降了。20世纪50年代Frank Parrish在骨肿瘤治疗中大量应用了股骨远端和胫骨近端的异体骨移植，他报道了满意的功能恢复，但无法预料移植物的最终命运。20世纪70年代Man-kin进行了大样本量的临床长骨异体骨移植治疗骨肿瘤的研究，有75%的患者获得满意效果，他认为化疗和放疗的联合应用会降低移植的疗效。

1984年第一例因为异体骨移植感染HIV的病例在美国出现，骨移植引起的肝炎、艾滋病等的传播引起了广泛关注。经过大量的研究，一系列的骨捐赠供体筛选条例和异体骨处理规则出台，使传染性疾病经由异体骨移植感染的几率大大下降。自1985年最后一例HIV骨移植感染报道后，美国至2000年已安全进行了1000000余例的异体骨移植，而没有明显证据显示有AIDS或肝炎的传播。这一结果不仅重新证明了异体骨移植的安全性和可行性，也对各国有重大的借鉴意义。

在临床探索骨移植的同时，相关的基础理论研究也蓬勃兴起。1893年Barth最早提出了“骨传导”学说，核心内容是新鲜植骨的细胞均要死亡，移植骨随着新生血管侵入，逐渐被破骨细胞吞噬，并被新骨组织取代。在“骨传导”理论的基础上，1907年Axhausen提出了“爬行替代”理论，他认为移植骨在骨愈合中起到的是一种支架的作用，骨修复依赖于宿主骨外膜、骨内膜、骨髓及周围结缔组织的侵入，宿主自体成骨细胞产生新骨逐步代替骨移植物。1965年，Urist首先证实了骨内含有骨诱导物质，经过大量研究终于从骨基质中提取出骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein,BMP）。这一类物质可以诱导骨髓基质细胞、成纤维细胞等在骨骼或骨骼外形成软骨和骨组织，从而提出了骨移植的又一重大理论“骨诱导”学说。

在移植免疫方面大量的研究也取得了一定的进展，1956年Curtiss等人的研究发现深低温冷冻可以降低异体骨的免疫原性，减少免疫排斥的发生。1976年，Friedlaender等报道冻干皮质骨抗原性几乎为零，冻干松质骨抗原性是轻度的，1982年他又提出轻度的免疫排斥对移植骨愈合不是坏事情。在移植是否需要配型这一问题上存在着两种不同看法，Muscolo等人认为HLA配型与同种异体骨移植的愈合无明显相关性；而Stevenson等的动物实验则显示成骨表面积在配型相合供体明显大于不相合供体。Heiple的实验提示异体骨于宿主愈合的优劣顺序为：冻干骨＞深冻骨＞脱钙骨＞冷冻+辅照骨＞新鲜骨＞脱蛋白骨。在免疫抑制剂应用方面虽然有大量实验证明免疫抑制剂能增加诱导成骨，促进移植骨愈合，但考虑到其副作用目前临床尚不推荐使用免疫抑制剂。

在预防骨移植传染疾病方面医学科学工作者也作了大量基础研究，化学、辐照灭菌以及去除骨髓、血液成分均被认为是有效的方法。但Campbell等的研究显示89kGy的γ射线辐照才能完全杀灭HIV病毒，但此剂量的辐照使骨组织强度急剧下降，因此严格的供体筛选是避免骨移植传播疾病的重要途径。

经历一系列的曲折的发展历程，同种异体骨移植目前已广泛应用于临床的骨缺损及骨融合治疗，并取得了较好的临床疗效。与自体骨移植相比同种异体骨没有取骨的创伤、骨源充足、植入物形态多样且操作方便，在规范的采集、储存和应用下其安全性和免疫原性等问题也得到较好的解决。异种骨移植由于免疫原性的问题，限制了其在临床方面的应用，至今仍主要集中于基础研究方面。尽管目前组织工程骨的研究如火如荼，但种子细胞的安全性问题尚无法解决、支架材料的生物相容性、结构强度及生物活性等也未达到取代人骨的程度。因此作为一项成熟的骨科常规技术，同种异体骨移植仍有很大的发展空间。三、骨库发展简史

骨库（bone bank）是按照一定标准和技术选择供体，收集、加工、灭菌、检验、储存和发放骨组织的机构。它的存在已逾半个世纪。1910年Bauer发现异体骨可以在冷却环境中储存3周，并在狗身上移植获得成功，这提示了骨存在储存的可能。Alexis Carrell在1912年提出建立组织器官库的构想，认为可以将组织器官储存起来以备今后医疗需要，这一构想逐渐被越来越多的人接受。第二次世界大战期间，Inclan尝试将异体骨储存在含枸橼酸盐的冷血液中，并在随后的移植中取得成功。1942年他还第一个提出了建立骨库的设想。1947年美国马里兰国家海军医疗中心的Bush和Wilson发展的低温异体骨储存技术使得异体骨的长期储存成为现实。

人类历史上第一个骨库出现在20世纪50年代，马里兰国家海军医疗中心的George Hyatt建立了海军骨库以应对朝鲜战争中伤员救治对骨、组织的大量需求。他在该中心募集志愿捐献者，首次将供体的筛选原则应用到骨库，并从尸体和截除肢体上获取骨供体组织。他还开创性的将储存血浆的冷冻干燥技术应用于骨储存方面，使得处理后的骨可以在室温下保存。然而遗憾的是该骨库于1982年停止了运作，但在人类骨移植史上它仍有着举足轻重的地位。1971年美国麻省总医院建立的院内骨库则可被认为是现代院内骨库的典型代表，目前大多数院内骨库均参照该骨库建立。

1976年美国成立了美国组织库协会（American Association of Tissue Bank,AATB），它与美国食品及药品管理局（FDA）共同作为两大对骨库质量监控和审查的权威机构。AATB的技术手册和美国红十字组织库标准（ARCTS）成为包括中国在内的世界各国建立骨库的重要参考标准。1988年和1991年亚太外科组织库协会（APASTB）及欧洲组织库协会（EATB）也纷纷成立。此前缅甸在1984年建立了亚洲第一家组织库，而荷兰、比利时等国也纷纷建立了骨库，并以惊人的速度发展着。

1950年屠开元和朱通伯曾在上海中美医院建立我国第一所骨库，利用硫柳汞浸泡来保存异体骨，但未能持久发展。1988年中国辐射防护研究所在联合国原子能机构资助下建立了我国第一个组织库——山西省医用组织库，经过近20年的发展已经初具规模，并成为国内目前最大的骨供应单位。在发展专业化骨库的同时我国各大医院也在院内建立了许多现代院内骨库，其中历史较悠久的有北京积水潭医院、北京解放军总医院、上海交通大学附属第九医院以及第四军医大学西京医院等，以上院内骨库均积累了丰富的异体骨保存、骨库管理及临床骨移植经验。（王秋实　裴国献）第2节　同种异体骨移植目前的发展概况

同种异体骨移植修复骨缺损已有120多年的历史，由于在早期认识和技术的局限性，不可避免地出现免疫排斥反应以及一些疾病的传播和并发症，这直接导致同种异体骨移植的发展一度陷于停顿。但随着医学免疫学，细胞生物学，微生物学等学科的发展以及骨组织低温保存技术和手术技术研究的深入，同种异体骨移植已成为骨缺损修复的常用治疗手段。随着骨库的出现与发展，同种异体骨组织产品最终实现了产业化，仅在美国每年就有15万件以上的同种异体骨移植。目前，同种异体骨已成为临床上使用最多的骨替代材料，过去多个国家经验表明同种异体骨移植是有效和安全的。一、同种异体骨的制备

同种异体骨的来源主要来自患者捐献。包括死亡供体的捐献接受、筛选检验和组织的获取，要依靠分散在各地医院的遗体捐献中心和器官移植中心的合作，获取后运送到骨组织库中制备。随着骨移植手术广泛的开展，必然会带来供体的明显不足。为了扩大供体的来源，必须通过政府倡导遗体捐献运动和媒体的宣传。为此美国于1997年出面倡导遗体捐献。新的法令要求医院向器官获取机构随时报告所有死亡病例，这些机构是骨组织材料获取的骨干力量。

为了减少免疫反应，应对同种异体骨进行物理或化学的方法加以处理，目前临床应用效果较好，国内外骨库应用最多的是冷冻法和冻干法。冷冻法是采用逐渐降温法，先将移植骨放入-4℃的冷库中，12 h后再逐渐降至-80℃保存。可贮藏5年。冻干法是将新制成的冷冻骨放入干燥机内，使骨组织内剩余水分降低到5%以下，然后进行无菌包装，置于无菌真空容器中常温保存。可贮藏5年。冷冻法适用于各种骨移植材料保存，是要求保留软骨活性的同种异体骨、关节保存的首选方法，它对移植骨的生物学及生物力学性能无明显影响。冻干法具有常温保存、便于运输的特点，但它对骨强度有明显影响，对大段的和需要承重的移植骨，应尽量避免应用冻干法保存。

对供体严格筛选，在无菌状态下制备，仍然无法避免细菌污染。因此，灭菌是制备同种异体骨的重要环节。目前的灭菌方法多趋向于用环氧乙烷熏蒸灭菌和γ射线辐照灭菌。环氧乙烷因其穿透能力差，对致密的皮质骨仅能穿透6mm，应用范围有限，目前，仅推荐用于颗粒状骨材料的消毒。辐照灭菌操作方便，25kGy的γ射线辐照不影响移植骨力学强度，并保留部分骨诱导能力，且无明显的临床危害作用。目前推荐使用的辐照有效剂量为15～25kGy，适用于各种骨移植材料灭菌，是现在大多数组织库最常使用的灭菌方法。二、同种异体骨移植的愈合机制

到目前为止，被大多数学者所认同的有两种学说来阐述同种异体骨移植的愈合机制。

爬行替代学说：移植骨大部分的细胞成分均坏死，但移植骨能起到支架作用，移植骨周围的宿主骨膜、骨髓、周围组织及毛细血管能沿植入物的机械引导作用侵入其内，实现爬行替代过程，促进新骨的形成。

骨诱导学说：移植骨内含有多种活性成分，其中最重要的是骨形态发生蛋白（BMP），可诱导移植骨周边宿主结缔组织中的骨前体细胞定向分化为成骨细胞促进新骨的生成。

但这两种学说各有其片面性，故有学者提出将这两种学说结合起来，从而比较全面地说明同种异体骨移植后的愈合机制。但目前骨愈合的机制尚无全面完整而确定的定论。三、同种异体骨移植的免疫反应

同种异体骨移植在一定程度上存在免疫排斥反应。异体组织的免疫排斥反应是由供体主要组织相容性复合体（MHC）抗原引起的宿主对异体基因供体组织的免疫攻击。为了克服同种异体骨的免疫原性，目前主要通过以下三种途径：①MHC组织配型。虽然Muscolo报道整体上HLA配型与同种异体骨移植的愈合无明确的相关性，但多数学者认为组织配型对同种异体骨移植是有意义的，研究的组织配型主要有HLA-A、B、C、D。就目前而言，在临床应用上尚没有对同种异体骨移植进行组织配型。②免疫抑制剂的使用。由于免疫抑制剂长期使用所带来的副作用得不偿失，因此，临床上并不推荐使用免疫抑制剂，但是在大块骨移植术后，应用免疫抑制剂也是有意义的。特殊的是对于肿瘤切除后大段骨移植的保肢手术，由于免疫抑制剂有可能促进肿瘤的复发和扩散，故不推荐使用免疫抑制剂。局部应用免疫抑制剂可以起到抑制排斥反应的作用，也能避免或减轻免疫抑制剂所带来的全身副反应，具有较好的研究与应用前景。③同种异体骨的抗原性的消除。Heiple的实验表明同种异体骨与宿主愈合的优劣顺序为：冻干骨＞冷冻骨＞脱钙骨＞冷冻+辐照骨＞新鲜骨＞脱蛋白骨。冻干骨的免疫原性最小，受体局部淋巴结无反应，血清中测不到相应抗体。这也是目前冻干骨得以广泛应用的原因。四、同种异体骨移植的临床应用

目前各种同种异体骨材料已广泛应用于临床，是临床上使用最多的骨替代材料。同种异体骨移植已被公认为是治疗各种原因引起的骨缺损、脊柱间融合手术等的有效方法之一。自1992年发现的一例同种异体骨移植导致的HIV传播以来，同种异体骨临床应用的安全性曾一度值得怀疑，随着骨库技术的发展，这种疑虑已经不再存在。在美国新近报道的同种异体骨10年应用情况的报道中，在逾1000000例同种异体骨移植患者中，无一例出现HIV和肝炎的传播；葡萄牙Coimbra大学骨库在1982—2003年22年中3953例移植患者中也无一例感染。目前同种异体骨的主要并发症有深部感染、骨延迟愈合、不愈合、疲劳性骨折等。1990—1999丹麦敖德萨骨库总结10年在300例患者骨移植术中的感染率为7%。最近的一些大型骨组织库报道中，同种异体骨产品应用的总体情况还是较为安全的。例如，澳大利亚肌骨骼组织库在10年的应用中，总共有5276个供体中，经过严格筛选，共有1672个供体组织被拒绝，总的供体拒绝率为32%。在调查的2321例受体患者中术后感染率为4.9%（113/2321），其中术后感染多为葡萄球菌感染；而新加坡国立骨库在总结1998—2003年骨库在854例移植术中出现并发症的比例仅为2.2%。五、骨库的形成与产业化

随着临床对同种异体骨的需求不断增大以及同种异体骨储存方法的突破，人类历史上第一个骨库出现在20世纪50年代，马里兰国家海军医疗中心的George Hyatt建立了海军骨库以应对朝鲜战争中伤员救治对骨、组织的大量需求。1971年美国麻省总医院建立的院内骨库则可被认为是现代院内骨库的典型代表，目前大多数院内骨库均参照该骨库建立。由于后来出现过同种骨移植引起的HIV传播，因此美国政府食品药品管理局（FDA）加强了对组织库的质量管理，并禁止未经FDA审查的组织产品进口到美国。一些小的组织库难以承受严厉管理程序所需的成本，难以满足客户对产品品种与规模的多种需求以及支持高昂的技术开发投资成本，于是骨库出现了集中化。为了向客户提供更好的产品与服务，骨库的最终发展实现了产业化。

骨移植手术的广泛开展，必然会带来供体的明显不足。为了扩大供体的来源，必需通过政府倡导遗体捐献运动和媒体的宣传。为此美国于1997年倡导了遗体捐献运动，并执行新的法令要求医院向器官获取机构（OPO）随时报告所有死亡病例，在美国各地的OPO共有63处，这些OPO机构是骨组织材料获取的骨干力量。骨产品制备由建立完善的操作程序和产品质量管理制度的组织库来进行。FDA对那些向社会提供产品的组织库提出严格的管理条例，目的是保证产品的安全与有效，而组织库的产业化和集中生产有利于贯彻严格的质量管理。

美国每个大型产业化组织库都有自己的专利技术与产品，以及高水平的技术开发队伍、设备和资金。很多大型组织库已经通过国际ISO 9000质量体系认证。产业化凭借着产品批量生产、质量安全保证、产品品种多样性上的优越性以及快捷的联网供应使很多分散的小型医院骨库失去存在的必要。美国的产业化骨库不仅提供传统的小块骨和大段骨，而且还开发了很多新技术和新产品。美国最大的骨与结缔组织产品制作公司为Osteotech，该公司成立于1986年，迄今为止，该公司已为世界上2300000例患者提供过同种异体骨产品治疗，主要用于脊柱融合术、骨肿瘤切除术、关节手术以及修复韧带肌腱损伤，平均每天为500多例等待移植的患者提供该公司产品。在美国组织库产业化的影响下，欧洲和澳大利亚在2000年APASTB会议上也提出产业化问题，其它一些发达国家的医院骨库也正逐步转向产业化，例如瑞士的Sulzer Medica公司等，而一些发展中国家正逐步建立行自己的骨库。

我们骨库起步较晚。为推动骨移植的开展，在卫生部有关部门领导的支持下，《中华外科杂志》和《解放军医学杂志》编辑部于1995年在太原联合召开全国首次骨移植讨论会，当时只有少数骨库使用深低温冷冻、冷冻干燥和辐照灭菌技术。目前我国一些地方已经建立了现代骨库，如山西省医用组织库、北京积水潭医院、北京解放军总医院、上海二医大九院、西安第四军医大学附属医院等。

山西省医用组织库是在联合国原子能机构（IAEA）资助下，经山西省卫生厅批准，于1994年建立并开始向临床批量供应组织移植材料，是目前国内最大的骨供应单位。随着我国体制改革的推进和临床技术发展的需求，1999年，国家药品监督管理局（SDA）将同种异体骨移植纳入了管理范畴并定为三类医疗器械，并将异体骨的加工、应用纳入了正规的监控之中。另外同种异体骨的产业化要求有相应的市场化机构来运作，在此背景下，1999年在山西省组织库基础上成立了山西奥瑞（OsteoRad）生物材料有限公司，这是我国首家通过ISO 9000国际质量体系认证的公司，同种骨移植材料于2001年获国家药监局国内首家准产注册，公司质量管理体系于2004年通过CMD ISO9001认证。到目前为止，该公司已形成了3大类、4大系列上百个品种的产品体系。公司部分技术和工艺领先世界同行业水平，是亚太地区最大的同种骨材料生产基地，产品国内市场占有率达80%。美国1990年同种骨的年用量为35万件，1999年已达65万件（图1-1），其用量远远超过当年山西组织库供应量；2003年我国同种异体骨的用量也仅为美国的1/20，且多用于填充与融合，而用于大段骨移植保肢与假体翻修的甚少。荷兰Leiden骨库建于1988年，最早期的5年里供应量以每年30%的速度递增。同国外骨库相比，我国骨库存在很大的发展空间，及时了解国外骨库的动态对发展我国的同种骨移植与骨库事业具有重要意义。图1-1　1990—2000年美国异体骨材料应用趋势

我国组织库和骨库以前面临的主要问题是没有器官与组织捐献的立法。在社会各界特别是医学界的呼吁下，中国卫生部通过了《人体器官移植技术临床应用管理暂行规定》，新的法规自2006年7月1日起施行。相信立法后我国的遗体捐献活动和组织移植与器官移植一定会在不久的将来有迅速的发展。六、同种异体骨移植的展望

同种异体骨在宿主体内主要是通过骨诱导和爬行替代机制而逐渐为新生骨替代，而已有的临床研究结果表明，长的大段骨在宿主体内经过数年也难为新生骨所替代，这就导致异体死骨在宿主机体内长期存在，从而使诱发感染的几率增高，且会因为疲劳性骨折而致移植的失败，因此目前摆在首位的是如何促进异体骨的成骨速度。通过物理方法修饰同种异体骨可促进新骨的形成，例如通过激光来增加异体骨的孔隙来促进血管的长入而促进新骨的形成已取得较好的成效。吻合血管的同种异体骨移植可以促进新骨的形成并实现了大段骨移植，但目前技术尚不完善，免疫排斥问题仍有待解决。以异体骨为载体复合生长因子，如BMP-2，BMP-7，PRP（富血小板血浆）等均可促进新骨的形成，但目前仍需大量的临床应用结果来支持这些因子的应用，而且这些因子的应用剂量、应用方式、相互间的组配结果如何均有待研究。随着组织工程学的发展，将同种异体骨作为支架材料复合种子细胞修复骨组织缺损，是目前同种异体骨研究的新热点之一。虽然取得较好的实验结果，但目前研究只停留于实验研究阶段，其临床应用情况还有待临床实验的进一步证实。（程文俊　裴国献）参考文献

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自1908年Lexer首次报道同种异体骨移植的临床经验至今，异体骨因其具有维持骨组织的自然结构、形态、强度及骨诱导能力等优点，以及其他移植材料目前无法替代的作用，越来越受到重视。1941年提出骨库概念以后，异体骨移植已广泛应用于临床，取得了满意疗效。

同种异体骨移植可以诱发宿主产生免疫排斥反应。目前临床上多采用经冷冻、冻干或化学处理的异体骨，其细胞成分多已坏死，与自体骨移植有一定差异。Burchardt将移植骨与宿主的愈合分为3型。Ⅰ型：愈合过程与自体骨移植相似，没有疲劳骨折，移植16周后移植骨与宿主骨连接，移植骨的成骨量、塑型均与自体骨移植接近。提示供体与宿主的组织相容性抗原差异很小或没有差异。Ⅱ型：愈合过程缓慢，较多发生不连接或延迟连接；移植骨周边被吸收或移植骨面积变小；移植骨内部被吸收范围扩大，延伸至间质板层；移植骨机械强度明显下降，提示供体与宿主的组织相容性抗原有较大差异。Ⅲ型：没有修复征象，移植骨迅速地被吸收。提示供体与宿主之间存在着强烈的组织相容性抗原差异。去除抗原的处理可以改善异体骨移植与宿主的愈合。第1节　同种异体骨移植的免疫反应

为了有助于深入介绍同种异体骨移植排斥发生的机制和移植免疫耐受诱导的原理及其方法，在此简要叙述移植免疫的基本概念，免疫应答发展的一般过程以及免疫调节机制。一、移植免疫的基础理论

1954年，Joseph Murry在同卵双生子间进行了肾移植，这是人类首例成功的同种异体器官移植。近代，随着免疫生物学和免疫遗传学的发展，阐明了移植排斥反应的免疫学本质及其遗传学基础，使器官移植学研究获得了真正突破，并为临床开展人类同种移植奠定了基础。数十年来，由于组织配型技术、器官保存技术和外科手术方法的不断改进，以及高效免疫抑制剂的陆续问世，器官移植的应用范围日趋扩大，移植物存活率不断提高，器官移植已成为治疗多种疾病的有效手段。迄今，临床上已开展同种肝脏、心脏、肾、脾、胰岛、小肠移植，以及肝肾、肝胰、心肺等联合移植。（一）移植的基本概念及其类型

移植（transplantation）是用手术或其他方法将细胞、组织或器官从原部位移植到自体或异体的一定部位，以替代或补偿移植部位所丧失的结构与功能。经移植后，如供者和受者的遗传背景有差异，移植物可刺激受者的免疫系统，同时受者的组织抗原也可刺激移植物中的免疫细胞，而引起免疫应答，这种免疫应答即为移植免疫（transplantation immunity）。在组织器官移植中，被移植的细胞、组织或器官称为移植物（graft）。提供移植物的个体称为供者或供体（do-nor），接受移植物的个体称为受者或受体（recipient）。

根据移植物来源及供、受者遗传背景的差异，一般将组织器官移植分为四类：①自体移植（autograft）是指移植物取自受者自身，如烧伤后将自身健康的皮肤移植至烧伤创面上，这种移植不会发生移植排斥反应，如无继发感染，移植物可终生存活。②同基因移植（syngraft）/同系移植（isograft）是指遗传背景完全相同的两个个体间移植，如同卵双生子间或同系动物间移植。这种移植如同自体移植，移植后一般不发生排斥反应。③同种移植（allograft）是指同种不同个体间的移植，移植物取自同种间遗传背景不同的另一个体，移植后常出现排斥反应，排斥反应的强弱取决于供、受者遗传背景差异的程度，差异越大，排斥越强。目前临床上进行的移植多属此类。④异种移植（xenograft）是指不同种属个体间的移植，如将猪的心脏移植给人。由于供、受者间遗传背景差异较大，此类移植可产生较强的排斥反应（图2-1）。图2-1　移植的分类

研究移植免疫的主要目的是了解移植排斥反应发生的机制，以预防和控制排斥反应的发生，使移植物能在受体内长期存活。（二）同种移植排斥的机制

在进行同种移植后，由于供、受者之间的组织相容性抗原不同，移植物可刺激受者的免疫系统产生免疫应答，导致排斥反应。移植排斥（transplantation rejection）一般指受者免疫系统识别移植抗原后产生免疫应答，进而破坏移植物的过程。移植排斥反应发生与否及其强弱，取决于供、受者之间的组织相容性抗原的差异程度、受者的免疫功能状态、移植物种类以及排斥反应防治措施是否得当等因素。同种移植中出现的排斥反应称为同种反应（allo-reaction），引起排斥反应的抗原称同种抗原（allo-antigen），受者T细胞对同种抗原的识别称同种识别（allo-recognition）。

1.引起同种移植排斥的抗原

引起移植排斥的抗原为移植抗原（transplantation antigen），即组织相容性抗原，是移植排斥的分子基础。其中，能引起较强排斥反应的组织相容性抗原称为主要组织相容性抗原（MHC抗原）；引起较弱排斥反应的组织相容性抗原称为次要组织相容性抗原（mH抗原）。移植成功的关键即取决于供、受者间组织相容性抗原是否一致或相近。

1）主要组织相容性抗原　人类的主要组织相容性抗原称为人类白细胞抗原（human leu-kocyte antigen,HLA抗原），HLA复合体位于人第6号染色体短臂6p21.31，DNA片段长度约4分摩或3600kb，占人体整个基因组的1/3000。HLA复合体结构十分复杂，表现为具有多基因性和多态性（图2-2见彩插）。其中与移植排斥有关的主要为HLA-Ⅰ类和Ⅱ类抗原（图2-3见彩插）。HLA-Ⅰ类抗原广泛表达于一切有核细胞表面，Ⅱ类抗原主要表达在活化的Mφ、B细胞、树突状细胞等抗原提呈细胞、血管内皮细胞及活化的T细胞表面（表2-1）。在群体中，HLA等位基因及其产物具有高度多态性，故在随机人群中很难找到HLA基因型或表型完全相同的供者和受者。

2）次要组织相容性抗原　大量实验研究和临床资料均证明，即使主要组织相容性抗原完全配合，仍可能发生排斥反应，但其强度较轻，速度较慢，从而提示还存在其他可诱导排斥反应的抗原。此类抗原被称为次要组织相容性抗原，它们表达于机体组织细胞表面，被降解形成的肽段具有同种异型决定簇，可被MHC分子所提呈。

次要组织相容性抗原包括非ABO血型抗原及性染色体相关抗原。例如男性Y染色体上有编码次要组织相容性抗原的基因，称为H-Y基因，女性受者可针对男性供者H-Y抗原产生排斥反应。另外，在不使用免疫抑制剂的情况下，即使主要组织相容性抗原完全相同的同胞兄弟姐妹间进行移植，仍会发生移植排斥，这是由次要组织相容性抗原所引起的，这些抗原可能定位在其它染色体上。由于组织配型技术的改进，在主要组织相容性抗原引起的排斥反应基本被控制后，次要组织相容性抗原引起的排斥反应将引起人们的关注。

3）其他参与排斥反应发生的移植抗原

人类ABO血型抗原：ABO血型抗原不仅存在于红细胞表面，也广泛存在于肝、肾等组织细胞和血管内皮细胞表面，尤其是血管内皮细胞表面的ABO血型抗原在诱导排斥反应中起重要作用。若供者与受者ABO血型不配合，则受者血清中天然血型抗体与移植物血管内皮细胞表面的血型抗原结合，可激活补体，造成血管内皮细胞损伤和血管内凝血，引起超急性排斥反应。

组织特异性抗原：表达在特定细胞、组织和器官表面的抗原称为组织特异性抗原，属独立于HLA抗原和ABO血型抗原之外的一类抗原系统。同种不同组织器官的组织特异性抗原不同，移植后发生排斥反应的强度亦各异。皮肤移植引起的排斥反应最强，其次为肾，肝脏移植物较易成活。血管内皮细胞（vascular endothelial cell,VEC）表达特异性VEC抗原，可诱导受者产生强的细胞免疫应答。

2.移植排斥反应的过程

供、受者间组织抗原不同的移植可产生排斥反应，其过程类似于机体对微生物产生的特异性免疫应答，不同之处在于受者淋巴细胞识别的抗原为移植抗原。动物实验证明：移植后1周左右，初次移植的皮肤开始出现排斥现象，10天左右皮片脱落，称初次排斥；发生初次排斥后再移植同一供者的皮片，术后6～8天皮片脱落，称再次排斥。在发生初次排斥后，若再次移植的是第三供者的皮片，则出现初次排斥。上述实验依据表明，移植排斥反应具有特异性免疫应答的基本特点：即特异性、记忆性和区分“自己”与“非己”的特点。

1）T细胞的同种识别途径　发生移植排斥反应时，尤其是急性排斥反应早期，移植物中常出T细胞浸润，先天无胸腺小鼠（裸鼠）体内无成熟T细胞，其接受同种或异种移植后不发生排斥反应，表明T细胞在移植排斥过程中起核心作用。

移植术后，受者和移植物内的可移动细胞能相互流动（immigration）。其中以APC和淋巴细胞的移动最为重要，这是移植抗原被特异性T细胞识别的前提。受者T细胞的TCR通过直接和间接两条途径识别移植物上的同种异型MHC抗原（表2-2，图2-4见彩插）。

直接识别途径（direct recognition）：是指受者T细胞TCR特异性识别供者APC所提呈的同种异型MHC抗原，既可识别完整的同种异型MHC分子天然结构，也可识别同种异型MHC分子-抗原肽复合物。即过路白细胞表面的MHCⅡ类分子或MHCⅡ类分子-抗原肽复合物可+直接被受者的CD细胞识别，无需经过受者APC处理（图2-5见彩4插）。学者们对这种直接识别方式与免疫应答的MHC限制性的矛盾有不同的解释，其中一种解释是：同种异型的MHCⅡ类分子-供者抗原肽可能模拟受者MHCⅡ类分子-抗原肽的结构，因而发生了交叉识别或交叉反应所致（图2-6见彩插）。而同种异型MHC分子天然结构可以看作是外来抗原，通过间接的抗原提呈途径被T细胞识别。直接识别途径的特点是速度快、强度大，在急性排斥反应中起主要作用。参与直接识别的T细胞约占T细胞总数的1%～10%，被称为同种反应性T细胞（allo-reactive T cell），它们对免疫抑制剂（如环孢素）比较敏感。

间接识别途径（indirect recognition）：受者APC对供者MHC抗原进行加工、处理，以MHCⅡ类分子-抗原肽复合物的形式提呈给受者T细胞，使之活化，引起排斥反应（图2-7见彩插）。间接途径有赖于受者的APC对同种异型抗原进行加工、处理，其所引起的排斥反应出现较晚。参与间接识别的T细胞约占T细胞总数的0.01%～0.1%，由于此种T细胞须识别与自身MHC分子结合的移植抗原才能产生免疫应答，故又被称为自身MHC限制性T细胞（self-MHC-restricted T cell）。间接识别途径对免疫抑制剂相对不敏感。

2）移植排斥反应的细胞基础　参与同种移植排斥反应的细胞主++要包括受者CDT细胞、CDT细胞、NK细胞及移植物内的过路白细48胞。+（1）T淋巴细胞：在同种移植排斥反应中，受者CDT细胞（Th）4++和CDT细胞（CTL）所起的作用不同：CDT细胞主要识别MHCⅡ84+类分子+APC所提呈的抗原；CDT细胞主要识别MHCⅠ类分子+APC8所提呈的抗原。几乎所有体细胞均表达MHC I类分子，它们主要由++CDT细胞识别。活化的CDT细胞可产生IL-2、IFN-γ、TNF-α等作用84+于淋巴细胞、Mφ等，引起迟发型超敏反应。CDT细胞可产生细胞4因子并作用于CTL，产生细胞毒效应，损伤移植物。（2）过客白细胞（passenger leukocyte）：是指在移植物血管内或组织中的供者白细胞，其中主要是树突状细胞（dendritic cell,DC）。移植术后，树突状细胞可从移植物中移出并进入受者体内，通过直接途径，将供者移植抗原提呈给受者T细胞。（3）NK细胞：人NK细胞表达杀伤细胞抑制受体KIR。KIR与自身组织细胞表达的MHCⅠ类分子或MHCⅠ类分子-自身抗原肽复合物结合，通过胞浆内ITIM介导，产生负调节信号，抑制NK细胞的杀伤活性。移植术后，因受者NK细胞的KIR不能识别移植物细胞表面的异型MHC抗原，可通过胞浆内ITAM激活信号途径使NK细胞活化，产生杀伤作用，参与对移植物的排斥。

3）免疫分子在同种移植排斥反应中的作用　细胞因子、黏附分子和抗体等免疫分子均参与同种移植排斥反应的发生。活化的Th细胞分泌的IL-2、IFN-γ可激活CTL和NK细胞，通过细胞介导的细胞毒作用（cell mediated cytotoxicity,CMC）损伤移植物。活化的Th细胞产生IL-4、IL-5，促使B细胞活化、增殖并分化为浆细胞，分泌免疫球蛋白，发挥抗体依赖的细胞介导的细胞毒作用（ADCC）和补体依赖的细胞毒作用（complement dependent cytotoxicity,CDC）破坏移植物，主要损伤血管内皮细胞。活化的Th细胞分泌的IFN-γ和TNF-β能激活巨噬细胞，通过介导炎症反应而参与排斥。另外，急性排斥反应中同种反应性T细胞高表达细胞间黏附分子-1（ICAM-1）、血管细胞黏附分子-1（VCAM-1）等，参与T细胞活化、归巢。

3.单向移植排斥模式和双向移植排斥模式

1）单向移植排斥模式　正常个体接受同种异体移植术后，其免疫系统将会对移植物发动免疫攻击，即发生宿主抗移植物反应（host versus graft reaction,HVGR）；免疫功能严重低下的个体接受含有大量免疫细胞的异体移植物（如骨髓）后，移植物中的免疫细胞可被受者的组织相容性抗原激活，产生针对受者组织器官的免疫应答，导致受者组织损伤，即移植物抗宿主反应（graft versus host reaction,GVHR）。上述有关器官移植排斥反应机制的经典理论被称为单向移植排斥模式（one-way paradigm）。

2）微嵌合状态与双向移植排斥模式Starzl于1992年报道，在临床资料中发现：某些肝、肾移植长期存活患者的皮肤、淋巴结、骨髓、胸腺等多种器官中可检出供者来源的遗传物质或供者来源的白细胞；取患者的这些淋巴细胞与供者淋巴细胞在体外进行混合培养，结果不发生明显的增殖反应。上述事实提示，这些受者对供者组织相容性抗原产生了免疫耐受。据此，Starzl于1993年提出了“双向移植排斥模式”（two-way paradigm）。该理论认为：实体器官或骨髓移植后，受者体内均会同时发生HVGR和GVHR，差别仅在于不同移植类型中二者的强度不同，但最终均形成二者共存的现象。（1）双向排斥与微嵌合的形成

在带血管的器官移植中，血管一旦接通，移植物中过路细胞即可进入受者体内，过路细胞表面的组织相容性抗原可刺激受者免疫细胞，使之激活和增殖，发生HVGR。另一方面，受者白细胞也会进入移植物内，可刺激移植物内供者来源的免疫细胞，使之激活并发生GVHR。由于长期存活的移植受者一般均持续使用免疫抑制剂，其移植排斥反应的方式和特点与自然状态存在差别。在受者处于免疫功能低下的情况下，其体内HVGR和GVHR均被削弱，双方彼此制约而形成一种无反应的微嵌合状态（microchimerism）（图2-8）。实验研究证明，过路白细胞越多的移植物，移出的白细胞也越多，故容易形成供-受者嵌合状态。长期的微嵌合状态有可能导致对移植物的免疫耐受。图2-8　嵌合体形成示意图（2）微嵌合与移植耐受

Starzl发现，某些移植后长期存活的患者自动停药或遵医嘱停药后，其移植的脏器并未被排斥且功能正常，嵌合体检查均为阳性。据此他认为，长期的微嵌合状态可能导致对移植器官的耐受。

在微嵌合及移植耐受形成中，长期存在于受者体内的供者DC（主要是不成熟DC）起着关键作用。DC是体内一类重要的APC，按其成熟程度可分为三类：①DC祖细胞（DC progeni-tor）：其表达极微量的MHCⅠ类分子和MHCⅡ类分子，不表达B7等协同刺激分子。DC祖细胞不仅存在于骨髓，也可以进入血液，并分布于各种淋巴组织（如胸腺，脾淋巴结）和肝、肾等非淋巴组织中，它们的主要功能是进一步分化成为不成熟的DC。②不成熟DC（immature DC）：其表达低水平的MHC分子和FcR，但缺乏B7等协同刺激分子，此类DC具有极强的摄取、处理抗原的能力，也有一定的抗原提呈能力，但由于缺乏B7分子，故在抗原提呈过程中非但不能激活T细胞，反而可能导致抗原特异性T细胞变为不应答。不成熟DC主要分布于非淋巴组织中，如肝、肾、心等脏器的过路细胞多为不成熟DC。③成熟DC：其表达高水平的MHC分子、FcR、B7分子等。此类DC吞噬和处理抗原的能力较弱，但具有极强的抗原提呈能力和共刺激效应，是激发免疫应答的主要APC。成熟DC主要分布在淋巴组织，如脾和淋巴结中。

在上述三类成熟程度各异的DC中，不成熟DC主要参与免疫耐受的诱导，而成熟DC参与诱发免疫应答。全身各组织器官均存在这三类DC，但数量和比例不同。肝脏中DC最丰富，且多为不成熟DC和DC祖细胞，故肝移植后发生的排斥反应最弱。临床已发现，含有过路细胞越多的器官（如肝脏），其移出的细胞越多，更容易形成供受者嵌合状态，也因此更容易形成移植耐受，从而长期存活。Starzl还证实，实质脏器移植前输入骨髓细胞（内含造血干细胞、DC前体细胞和不成熟DC等），或增加供体过路细胞的数量（如肝肾联合移植），可明显减缓排斥反应，延长移植物的存活。

目前对微嵌合状态的形成机制及其与移植耐受的关系还存在不同观点。例如：①已发现，某些发生移植排斥的患者也可能出现微嵌合状态，而某些长期存活的移植患者并不一定能检出微嵌合体。因此，尚不能简单地将微嵌合体形成等同于移植耐受，或作为移植后可以停止使用免疫抑制剂的指标。②尚不清楚，微嵌合究竟是移植耐受的“果”还是“因”。③诸多问题有待阐明。例如：长期免疫抑制状态下移植排斥反应的规律性变化；微嵌合状态形成的确切机制；微嵌合状态与移植物长期存活的关系；等等。（三）移植排斥反应的类型

移植排斥反应分为宿主抗移植物反应（HVGR）和移植物抗宿主反应（GVHR）两大类。前者见于一般器官移植，后者主要发生在骨髓移植或其他免疫细胞移植。

1.宿主抗移植物反应（HVGR）

进行同种移植后，移植抗原（即组织相容性抗原）可刺激受体的免疫系统发生免疫应答，通过细胞免疫和体液免疫的共同作用（一般以细胞免疫为主）使移植物受损，称为宿主抗移植物反应。宿主抗移植物反应即实质脏器移植所发生的排斥反应。根据排斥反应发生的时间、强度及病理学改变及其机制，可分为超急性排斥反应、加速排斥反应、急性排斥反应和慢性排斥反应（表2-3）。

1）超急性排斥反应：超急性排斥反应是在移植物血液循环恢复后数分钟或数小时（也可在24～48小时）内发生的排斥反应，由体液免疫介导。其原因是：受者体内预先存在抗供者同种异型抗原（如HLA抗原、ABO血型抗原等）的抗体。移植术后，抗体与移植物细胞表面相应抗原结合，激活补体，导致血管通透性增强，中性粒细胞和血小板聚集，纤维蛋白沉积，血管内凝血和血栓形成。其组织病理学特点是早期引起毛细血管内大量中性粒细胞聚集，小动脉血栓形成，继之出现缺血、变性、坏死。

超急性排斥反应可见于移植术前反复多次输血、多次妊娠、长期血液透析或再次移植的个体，也可由于移植抗原与病原微生物具有共同抗原所致。应用免疫抑制药物对抗此类排斥反应效果不佳。

2）加速排斥反应：由于再次免疫应答引起的排斥反应，即在第二次移植同一供者的组织后1～2天发生的加速排斥现象。这是因为受者针对初次接受的组织已经形成免疫应答，当再次移植同一供者的组织时，迅速发生免疫排斥反应，以致使移植物加速坏死。由预致敏淋巴细胞引起，以移植物急性功能衰竭为主要表现，病理损伤类型属Ⅳ型超敏反应。

3）急性排斥反应：急性排斥反应是同种移植后最常见的排斥反应，多发生在移植后1周至3个月内。发生急性排斥反应的快慢和轻重，与供者组织相容性抗原差异程度、免疫抑制剂使用情况及受者免疫功能状态有关。若早期应用免疫抑制剂，急性排斥反应多可缓解。

急性排斥反应以细胞免疫为主，受者T细胞直接识别供者APC表面同种异型MHC抗原，发生激活和增殖，并通过不同效应机制损伤+移植物。例如：CD4T细胞介导迟发型超敏反应性炎症；CD8+T细胞特异性杀伤移植物细胞；活化的Mφ对靶细胞的直接或间接杀伤作用；NK细胞的ADCC作用等。

在急性排斥反应中可出现急性血管排斥反应（acute vascular rejection），也称急性体液排斥反应（acute humoral rejection）。在急性血管排斥反应中，受损伤的组织主要为移植物血管，其发生机制可能是：①体液免疫应答，受者产生针对移植物血管内皮细胞MHC抗原的IgG类抗体，通过激活补体而导致细胞损伤；②细胞免疫应答，+移植物内皮细胞表面的同种抗原激活T细胞。CD4T细胞产生细胞因子，活化炎症细胞；CTL可直接杀伤靶细胞，造成移植物血管内皮损伤。

急性排斥反应的发生率极高，其临床表现取决于供、受者之间组织相容性程度、移植后的免疫抑制方案以及诱发因素（如感染等）。一般而言，急性排斥反应发生越早，其临床表现亦越严重；移植后期发生的急性排斥大多进展缓慢，临床症状较轻。

4）慢性排斥反应：慢性排斥反应多发生于移植术后数月或数年，病程缓慢。应用免疫抑制药不能治疗慢性排斥反应。慢性排斥反应的机制尚不十分清楚，目前的观点有如下几种：

免疫学因素：慢性排斥反应是急性排斥反应反复发作的结果，导致移植物组织的退行性变。细胞免疫和体液免疫应答均参与慢性排斥反应：T细胞和Mφ介导迟发型超敏反应；B细胞产生抗体，通过激活补体及ADCC破坏血管内皮细胞；炎症细胞、组织细胞及血管内皮细胞产生的IGF-1、PDGF、TGF所致血管平滑肌增生、动脉硬化、血管壁炎性细胞浸润，等等。

非免疫学因素：局部缺血、再灌注损伤、免疫抑制剂毒副作用、巨细胞病毒（cytomegalovir-us）感染、高血压、糖尿病等均可参与慢性排斥的发生。

2.移植物抗宿主反应

由于移植物中的淋巴细胞识别宿主抗原而引起致敏、增殖分化，直接或间接攻击受者靶组织而发生的一种排斥反应，其结果使宿主受损，称为移植物抗宿主反应。GVHR的发生需要一定的特定条件：宿主与移植物间组织相容性抗原不符；移植物中含有足量的能识别宿主组织相容性抗原的免疫活性细胞，尤其是T细胞；移植受者处于免疫无能或免疫功能极度低下的状态。

GVHR常见于骨髓、胸腺、脾等免疫器官移植或大量输血后，其发生原因是：受者免疫功能严重低下，移植物中含大量免疫活性细胞，供、受者间组织相容性抗原不符等。GVHR最常发生于同种骨髓移植后，由此造成对宿主的损伤称为移植物抗宿主病（graft versus host disease,GVHD），其主要的临床表现是炎症性疾病，病人可出现皮疹、腹泻、肺炎等（表2-4）。除MHC I类和Ⅱ类抗原不符外，次要组织相容性抗原（mH抗原）不符也可导致GVHD。

骨髓移植物中成熟T细胞是介导GVHR的主要效应细胞。供者+CD4T细胞识别宿主组织相容性抗原，发生活化、增殖、分化，产生IL-2、IFN-γ、TNF-α等细胞因子，进一步激活CTL、Mφ、NK细胞，直接或间接杀伤宿主靶细胞。另外，T细胞产生的多种细胞因子可诱导生成淋巴因子激活的杀伤细胞（lymphokine activited killer cell,LAK），因其可不受MHC限制而直接杀伤靶细胞，被认为是引起GVHD的重要因素。免疫抑制剂对GVHR的治疗效果不佳。

3.排斥反应的特殊情况

1）免疫赦免区：免疫赦免区（immunologically privileged site）是机体接受同种或异种移植后不发生或仅发生轻微排斥反应的部位。这些特殊的解剖部位包括胸腺、角膜、眼前房、软骨、脑、胎盘滋养层、内分泌腺等。其不易发生排斥反应的机制可能是：这些部位与血液循环和淋巴循环相对隔绝，有些部位还有特殊的屏障结构，故淋巴细胞和抗体不易进入；某些组织（如软骨）抗原性较弱，不易发生排斥反应；某些赦免区组织细胞高表达Fas L，同种异体反应性T细胞进入该部位并被激活后，可高表达Fas抗原，从而通过Fas/FasL途径使激活的特异性T细胞凋亡（apoptosis），导致对移植物的耐受（图2-9见彩插）。

2）母胎耐受：胎儿可视为一种特殊的同种移植物。胎儿不被排斥的原因在于母体对其产生免疫耐受，可能的机制为：胎儿组织相容性抗原长期刺激母体淋巴细胞，使其兴奋性下降，刺激阈升高；胎盘滋养层有屏障作用，阻挡母体淋巴细胞进入胎儿体内；滋养层细胞不表达经典的HLAⅠ类和Ⅱ类抗原，但表达非经典的HLA-G抗原，后者通过与滋养层局部的NK细胞和CTL表面的KIR结合，启动抑制信号，抑制效应细胞的细胞毒作用，从而形成妊娠免疫耐受。（四）移植排斥反应的防治原则

器官移植术的成败在很大程度上取决于移植排斥反应的防治，其主要原则包括正确合理的组织配型、抑制受者免疫功能、诱导移植耐受以及移植排斥反应的免疫监测等。

1.正确合理的配型，选择理想供者

大量临床资料已证明，器官移植的成败主要取决于供受者间的组织相容性。因此，必须进行一系列的检测，以保证尽量选择较理想的供者。

1）红细胞血型检查：人红细胞血型抗原是重要的组织相容性抗原，移植前应检测供者与受者的血型是否相符，最佳选择是二者血型相同，或至少符合输血原则。此外，其他红细胞血型抗原系统（如Rh抗原）也可能影响移植物的存活时间。

2）HLA分型：发生移植排斥的主要原因是供者与受者HLA抗原的差异。因此，HLA分型是选择供体的重要指标。临床资料证明，移植肾长期存活与供受者HLA抗原密切相关，各HLA基因座位的重要性依次为HLA-DR、HLA-B、HLA-A。骨髓移植物中含有大量免疫细胞，HLA不匹配的移植易产生强烈的GVHR，故要求供、受者HLA型别完全一致。HLA分型技术包括血清学分型法（微量淋巴细胞毒试验）和基因分型法。目前，以PCR为基础的HLA基因分型技术正逐渐代替传统的血清学分型方法。

3）受者血清中细胞毒性预存抗体的测定：为了防止超急排斥反应，术前须检测受者体内是否存在抗移植物抗体。某些曾多次接受输血或移植的患者体内存在有抗多种HLA抗原的抗体，移植后可发生超急排斥反应。

4）交叉配型：由于对某些同种抗原差异应用目前的HLA分型技术尚难以检出，故有必要进行交叉配型，这在骨髓移植中尤为重要。交叉配型方法为：将受者和供者淋巴细胞进行混合培养（mixed lymphocyte culture,MLC），细胞增殖反应的水平与供、受者间组织相容性程度呈负相关。若增殖反应过强，说明供者选择不当。

5）mH抗原分型：男性个体组织细胞表面表达与性别相关的mH抗原。在HLA抗原匹配的情况下，女性受者可能排斥男性供者的移植物。因此，宜尽可能选择同性别的供者。某些情况下，mH抗原对GVHD的发生起重要作用。

2.移植物或受者的预处理

1）移植物的预处理

实质脏器移植时，尽可能清除移植物中过路细胞将有助于减轻或防止HVGD的发生。在同种骨髓移植中，为预防可能出现的GVHD，可对骨髓移植物进行预处理。其原理乃基于清除骨髓移植物中的T细胞。但应用去除T细胞的异基因骨髓进行移植，可能发生的GVL效应也随之消失，导致白血病复发率增高，且骨髓移植的存活率也明显下降。

2）受者的预处理

在实质脏器移植中，供受者间ABO血型不符可能导致发生强的移植排斥反应。在某些情况下，为逾越ABO屏障而进行实质脏器移植，有必要对受者进行预处理。其方法为：术前给受者输入供者特异性血小板；借助血浆置换术去除受者体内的天然抗A或抗B凝集素；受者脾切除；免疫抑制疗法等等。

3.抑制受者的免疫应答

由于群体中HLA具有高度多态性，个体间mH抗原的差异也极为复杂，因此，除自体移植和同卵双生子间移植外，一般难以避免排斥反应的发生。为延长移植物的存活时间，临床上均常规进行免疫抑制治疗。

1）免疫抑制剂的应用

常用的免疫抑制剂有以下几种：

化学性免疫抑制剂：临床上常用者为：环孢素（cyclosporin A,CsA）、糖皮质激素、硫唑嘌呤（azathioprine）、环磷酰胺、雷帕霉素、FK506等。其中，联合使用CsA、糖皮质激素、硫唑嘌呤可增强抗排斥疗效。CsA的作用机制为：抑制Th细胞产生IL-2、IFN-γ等细胞因子，使移植排斥反应中的效应细胞不能被激活。糖皮质激素的药理作用是诱导活化的T细胞凋亡；降低抗原呈递细胞（APC）的功能及MHC表达。硫唑嘌呤可抑制次黄嘌呤核苷酸代谢，干扰DNA合成，从而抑制T淋巴细胞增殖（图2-10见彩插）

生物性免疫抑制剂：临床上已使用的生物性免疫抑制剂及其作用机制为：①抗淋巴细胞球蛋白（ALG）或抗胸腺细胞球蛋白（ATG），可与相应靶细胞结合，通过补体依赖的细胞毒作用杀伤淋巴细胞或胸腺细胞，抑制排斥反应；②抗某些免疫细胞膜分子的抗体（如抗CD3抗体、抗CD抗体等），其作用原理同上；③某些融合蛋白，如抗4CD抗体-蓖麻毒素融合蛋白可杀伤过路白细胞；IL-2-白喉毒素融合45蛋白能特异杀伤表达IL-2受体的活化T细胞；CTLA4-Ig融合蛋白可阻断B与CD结合，抑制T细胞活化；④反义寡核苷酸（antisence 728oligonucleotide），可阻断相应细胞因子或黏附分子的表达。

中草药类免疫移植剂：某些中草药（如雷公藤、冬虫夏草等）已用于抗移植排斥反应。据报道，雷公藤多甙与硫唑嘌呤的免疫抑制作用类似，却无肝肾毒性。

2）清除预存抗体

移植前进行血浆置换，可除去受者血浆内预存的特异性抗体，以防止超急排斥反应。

3）其他免疫抑制方法

临床应用脾切除、放射照射移植物或受者淋巴结、血浆置换、血浆淋巴细胞置换等技术防治排斥反应，均取得一定疗效。

4.诱导免疫耐受

诱导免疫耐受是控制排斥反应的最理想方法。但是，除少数方案已在临床得到应用外，诱导移植耐受的方法迄今多处于实验研究阶段。

1）移植前输供者血或供体骨髓

移植术前给受者少量、多次（100～200 ml/次，间隔2周，共3次）输注新鲜供者血，可提高移植物存活率，此为供者特异性输血（donor-specific transfusion,DST），其作用机制可能是：使Th2细胞活化并产生IL-4、IL-10，抑制Th1细胞和CTL功能；白细胞表面HLA分子可刺激受者产生抗HLA抗体，后者可阻断CTL作用，并激活Ts，诱导对移植抗原的免疫耐受；供者血中含造血干细胞，它们能在受体内长期存活，从而形成嵌合体。此外，通过输注供者骨髓也可诱导受者产生移植耐受，其机制为：骨髓中富含造血干细胞（约为外周血干细胞的10～100倍），故输注供者骨髓后更易形成嵌合体。

2）胸腺内注射供者抗原

移植术前将供者组织、细胞或MHC抗原植入受者胸腺内，可诱导移植耐受。其机制为：正常情况下，胸腺细胞在胸腺内经历阴性选择，能识别并结合自身抗原的T细胞均发生凋亡，从而建立中枢性自身耐受。若胸腺内存在同种异体抗原，即可“驯化”出对异体抗原耐受的T细胞。

3）T细胞疫苗

TCR分子存在的独特型可被相应抗独特型抗体所识别，在体内形成独特型-抗独特型调节网络。应用供者抗原刺激，使受者的移植抗原特异性T细胞克隆化，增殖后制备成T细胞疫苗。接种此疫苗可诱导受者产生针对移植物抗原的免疫耐受。

4）移植物的预处理

术前充分灌洗移植物，以尽可能彻底地清除其中的过路白细胞，有助于预防HVGR。应用抗淋巴细胞球蛋白等预处理骨髓移植物，可去除其中的T细胞，有助于预防GVHR。

5）免疫隔离

采用合适材料将移植组织或细胞包裹在囊中，以与宿主免疫系统隔离。由于免疫隔离材料属半透膜，小分子营养物质可以进入，细胞代谢产物也可被排出，该方法适用于通过分泌活性物质而发挥作用的组织或细胞（如胰岛）移植。

5.移植后的免疫学监测

同种异体移植除同卵双生外，必然发生免疫排斥反应。因此有必要对免疫排斥反应进行监测，以便及早采取措施，使移植物尽量延长存活期。另外，免疫监测对选择免疫抑制剂的种类、剂量和疗程等也有一定的参考价值。

目前已建立多种免疫监测实验方法，但一般需结合多项指标及临床表现进行综合分析。临床上常用的免疫学检测技术包括：①淋巴细胞亚群的百分比和功能测定；②免疫分子水平测定（如血清中细胞因子、抗体、补体、可溶性HLA分子水平、细胞表面黏附分子、细胞因子受体表达与密度等）。此外，与移植脏器功能有关的临床监测也是重要的指标。二、同种异体骨移植的免疫反应

骨移植在修复骨缺损、治疗骨不连中起着重要的作用，最常用的方法是自体骨移植。因为其具有较好的成骨活性，不存在免疫学方面的问题，容易被机体所利用。但缺点是需另做切口取骨，且延长了手术时间，使供骨区的强度减弱，存在取骨区术后疼痛等不足之处。有时，自体植骨材料来源受限，故常用同种异体骨移植，甚至异种骨移植材料来代替。同种异体骨移植与其它实质脏器移植不同，按照严格的定义，同种异体骨是植入物（implant），而不是移植物（transplant）。尽管异体植骨比其他组织移植的免疫排斥反应弱，但临床遇到的异体骨所致的免疫排斥反应、骨折和关节软骨的退变等问题并不少见。本节将在论述同种异体骨的免疫原性的基础上，介绍同种异体骨移植的免疫反应及临床表现。（一）同种异体骨移植免疫学研究背景

尽管颗粒状异体骨在良性骨囊肿刮除后骨腔填塞、脊柱融合等治疗中成功率已达到90%以上，然而对于将大块异体骨关节移植用于肿瘤保肢、关节形成、创伤后骨关节缺失等治疗中仍有25%～35%因各种并发症导致移植失败，其中主要有深部感染（14%）、移植骨骨折（10%）、骨不连（9%）和关节不稳（3%）等，引起这些并发症的细胞和分子水平的机制还不是很清楚，但异体骨移植后植骨处都将发生明显的炎性反应包括大量淋巴细胞和巨嗜细胞的聚集，由此有人提出假说，认为异体骨和其他移植器官一样作为“异己”会受到宿主免疫系统的攻击，由于免疫排斥导致了移植失败。

50年代，移植免疫学和骨生物学两个领域都取得了重大进展，Herndon及其合作者进行了一系列研究，证实了由于免疫排异反应的存在导致了一些骨移植手术的失败，并提出深低温冷冻可以降低异体骨的免疫性，减少免疫排异的发生率。此后Bonfiglio（1955），Chalmers（1959）等最先较系统的研究和阐述了骨移植的免疫反应。在他们的基础上，大批学者在异体骨引起的细胞和体液免疫两个方面展开了广泛的研究。（二）同种异体骨的免疫原性

作为异体组织，骨与其它组织一样具有免疫原性，由其诱导产生的局部和全身的免疫反应在决定异体骨移植的最终结局上可能起着一个重要的作用。同种异体骨能诱导产生以出现活化的淋巴细胞和细胞毒性抗体为特征的免疫反应，但其免疫原的确切性质及来源尚未完全阐明（图2-11，见彩插）。

骨骼是复合组织，具有多种潜在的免疫原，如细胞、基质、胶原和无机矿物质等。目前尚无证据表明羟基磷灰石晶体具有免疫原性。胶原由于同种个体之间的差异不大，因而只有在佐剂的存在下才可能成为一种弱的免疫原。其他的骨基质成分如蛋白多糖（proteoglycan）和连接蛋白（link protein）在适合的条件下也能诱发免疫反应。但这些免疫反应相对地较弱，其临床意义尚未明确。

同种异体骨移植主要的抗原来自于主要组织相容性抗原复合物（MHC）决定的细胞表面糖蛋白抗原。目前普遍认为由MHC所控制的骨内细胞表面移植抗原是骨抗原性的主要来源。最经典的实验是Stevenson等以狗的桡骨模型将异体移植骨分为四组：①HLA匹配的新鲜骨；②HLA匹配的冷冻骨；③HLA不匹配的新鲜骨；④HLA不匹配的冷冻骨，术后定期检测动物血和关节滑液中特异性抗白细胞表面抗原的水平，以体内抗体峰值和持续时间来评价移植骨的免疫原性，发现免疫反应的强度直接和HLA匹配程度相关。另外，MHC位点不同的大鼠间的交换植骨能诱导受体动物产生体液及细胞免疫反应，而MHC位点相同的同系移植则不产生免疫反应。临床上，从接受冻干异体骨移植的病人体内能检查到抗HLA的抗体，该抗体针对存在于骨供体体内的移植抗原。这些结果均表明MHC产物具有很强的免疫原性。

除上述主要组织相容性抗原外，还有一类由体细胞基因编码的次要组织相容性抗原，如血型抗原、组织特异性抗原、同工酶等。虽然它们在骨移植中不起决定作用，但是对MHC相配的移植骨长期生物学行为却有很重要的作用。近年有研究认为同种骨移植中由血型抗原引起的免疫反应很少见，也不能检出血型抗体。

移植骨的抗原性是影响同种异体骨与宿主愈合的重要因素。对于一块完整的新鲜骨而言，骨髓的抗原性最强。因为骨髓中富含造血细胞、内皮细胞、树突状细胞、巨嗜细胞等多种细胞成分，这些细胞表面多有Ⅱ类抗原表达，可以直接激活宿主的T淋巴细胞。Horowetz和Friedlaender将从小鼠脾脏分离所得的T淋巴细胞与同系小鼠新鲜异体+-骨组织进行体外培养，发现表型为CDCDT淋巴细胞被致敏并发生84增殖，而去骨髓对异体骨的这种致敏作用没有明显影响，可见骨组织本身也具有抗原性。早在1976年Muscolo等就发现小鼠骨细胞带有Ⅰ类和Ⅱ类主要组织相容性抗原、次要组织相容性抗原以及非MHC类抗原。此后，Skjod等证明了体外培养的人类成骨细胞也有HLA2DQ和HLA2DR抗原的表达。动物实验发现异体去骨髓皮质骨移植后受体血中血球凝集素水平显著升高，说明移植骨中残存血液成分的血型抗原也能引起免疫反应。骨胶原基质一般被认为是免疫中性物质，不仅在同种异体间差异不大，而且在同种间差异也很小，但Friedlaender等认为骨胶原和基质（糖蛋白和胶原蛋白）也能激发免疫反应，但这种反应相对比较轻，对移植骨远期转归是否具有临床意义还不明确。总之，骨组织中的骨髓组织、成骨细胞、破骨细胞、血细胞以及神经纤维和结蒂组织的细胞基质都具有一定的抗原性，只是强弱不同，相对而言骨髓最强，骨细胞次之，骨基质最弱。

带血管的大段异体骨移植主要用于肢体肿瘤术后保肢。吻合血管的同种异体骨移植和其他器官组织移植一样，不可避免会出现排斥反应。但在移植免疫学上有其自身的特殊性：第一，排斥反应相对较其他器官组织移植弱，很少产生严重致命的移植物抗宿主反应；第二，对组织配型要求相对较低，且可通过各种处理降低其免疫原性；第三，经临床应用证实，只需短期内应用免疫抑制剂，其愈合速度与自体带血管蒂的骨移植相近，生物力学性状相似，且无需长期使用免疫抑制剂。

吻合血管的同种异体骨移植与其他的器官组织移植一样，在吻合动、静脉的同时，即建立移植物与受者间的血液循环，供骨中富含的“过客白细胞”，可通过这个血流通道向受者的淋巴样器官组织（如胸腺、脾脏或淋巴结等）归巢，然后到达非淋巴样器官组织。这些“过客白细胞”通过与受者免疫活性细胞互相作用和（或）释放某些细胞因子致使受者反应性T细胞克隆激活并随即发生凋亡，从而形成耐受。同时，移植组织中的多能干细胞在耐受形成后，可定居在受体的淋巴样组织微环境中进行繁殖分化，提供恒定的供体细胞群，随血流分布到全身的器官组织形成微嵌合。

冷冻大段同种异体骨移植后，机体的全身免疫反应不明显。其原因可能是深低温冷冻处理破坏了异体骨各种细胞表面的抗原结构，从而降低了其抗原性；在冻融前后，采用髓腔刷和高压脉冲，反复冲刷髓内组织，从而清除了产生排斥反应的重要免疫致敏原。放射性核素骨扫描显示移植的异体骨段所对应或相连的自体骨端放射性核素浓集明显高于正常对称部位，提示冷冻异体骨段植入人体后，宿主的反应是以局部炎症为主的免疫过程，此过程在植入7个月后逐渐开始减弱。组织学改变说明此过程数年后仍存在，主要为细胞免疫反应，这可能与异体骨在成活替代或吸收过程中，缓慢释放具有极弱抗原性的有机物质有关。

Heiple的实验表明同种异体骨与宿主愈合的优劣顺序为：冻干骨＞冷冻骨＞脱钙骨＞冷冻+辐照骨＞新鲜骨＞脱蛋白骨。因此，可采用深低温冷冻法和冷冻干燥法进一步减弱同种异体骨的抗原性。孙磊等在对新鲜异体骨、脱钙骨基质（DBM）、自消化抗原去除骨（AAA）、骨基质明胶（BMG）的免疫学研究中发现新鲜异体骨反应最强烈，AAA骨的免疫反应最弱，BMG和DBM虽然免疫反应已经明显减弱，但在同种异体的移植和同系的移植之间仍然有显著的差异。这种结果可能是因为异体骨经过连续的化学剂处理，除掉了骨基质内的脂肪、酸溶性蛋白、大分子糖蛋白和磷蛋白后，降低了异体骨的抗原性。（三）同种异体骨移植免疫排斥反应的机制

当同种异体骨被植入后，机体通过辅助细胞对抗原摄取、处理和提呈，从而导致T细胞和B细胞活化、增殖和分化，最终产生细胞免疫和体液免疫，这就是同种异体骨移植免疫反应的基本过程（图2-12见彩插）。Horowitz和Friedlaender提出假说，认为同种异体骨移植免疫排异反应可分为2期：第1期由同种异体抗原刺激宿主产生特异的细胞毒淋巴细胞和抗体，直接作用于靶细胞，这一期反应与实质脏器移植的排异反应类似；第2期表现为激活的免疫细胞产生细胞因子，这些细胞因子激活破骨细胞，造成移植骨的吸收。

在免疫排斥反应中，抗体和细胞均能介导细胞毒作用。细胞介导+的细胞毒作用在免疫排斥反应中占有主要作用，它是由CD细胞毒T8淋巴细胞（Tc）介导的。Tc细胞表面的抗原受体（TcR）与靶细胞表面的抗原MHC-Ⅰ类分子复合物结合，从而活化并释出溶细胞性介质，导致靶细胞溶解、破坏。同种异体骨移植可诱导产生抗移植物特异性抗体，大块骨移植尤其如此。在体液免疫方面，同种异体骨移植能诱导抗体依赖性细胞介导细胞毒作用，即通过抗体产生特异性反应，然后由非特异性杀伤细胞介导杀伤作用。

在同种异体组织移植的抗原识别中，抗原呈递细胞（APC）起关键作用。根据APC的来源可将免疫反应分为直接和间接两个途径。直接途径指在抗原识别中由植入供体组织中存活的APC（亦为过客细胞）参与抗原呈递，直接使宿主Th细胞致敏；间接途径指植入组织中没有存活的细胞，需要由来自宿主的APC参与抗原呈递。冷冻骨中没有存活细胞，但是死亡细胞特别是死亡的骨髓细胞表面仍会含有MHC抗原片段，可被进入植骨内的宿主APC摄取加工处理，通过间接途径呈递给宿主T细胞，激起免疫应答反应。目前认为，启动免疫识别与排斥的间接途径的效率明显低于直接途径。虽然器官移植和急性排斥主要通过直接途径，但骨移植时的慢性排斥主要通过间接途径。深冻和冻干不但使骨内细胞死亡，还会破坏膜结构并影响膜上的MHC抗原，因而影响间接途径。清除残余的骨髓组织会有效地削弱间接途径的来源。同种异体骨移植的特点是宿主APC需要深入到坚实的供体骨基质内部才能与供体MHC抗原相接触，这也是骨移植免疫排斥出现较晚和程度较轻的原因。

很多临床和实验研究发现免疫排斥反应的直接结果是发生移植骨的溶解和吸收，从而引起骨折和骨不连等并发症，最终导致移植失败，其中细胞因子起了主要的作用。和其他脏器的移植免疫一样，宿主对异体骨的免疫排斥过程中也有大量的细胞因子参与，如由T淋巴细胞分泌的白介素-1，6（IL-1，6）、单核-巨嗜细胞集落刺激因子（GM-CSF），由巨嗜细胞分泌的巨嗜细胞集落刺激因子（M-CSF）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等，这些细胞因子在对免疫反应进行调节的同时，在移植骨的替代和再生过程中也起到了重要的作用，Elford等发现GM-CSF、M-CSF、IL-6等细胞因子能激活破骨细胞引发移植骨的溶解和吸收，他们将这些细胞因子称为骨吸收因子（bone-resorbing cytokine），他们还发现这类因子的产生主要受IL-1的调控。（四）同种异体骨移植免疫排斥反应的病理与临床表现

同种异体骨移植后，主要的免疫排斥现象一般是在移植骨区，表现为局部淋巴细胞浸润，起初围绕在血管周围，后来逐渐向移植骨浸润。同时，移植物血管增厚、闭塞，血管长入迟缓，毛细血管玻璃样变，胶原纤维排列紊乱，新骨形成减少，最终导致植骨愈合缓慢，移植骨疲劳骨折以及植骨疏松、吸收。

早期的研究主要限于动物模型的活体内观察。组织形态学观察显示，与自体骨相比，异体植骨处炎症反应更明显，植骨周围有多量的淋巴细胞、巨噬细胞及散在的嗜酸性粒细胞浸润，炎症反应持续时间较长，从而间接表明异体骨可诱发局部的免疫反应。

与器官移植不同，同种骨移植的免疫排斥出现较晚，通常缺乏足够的特异性。植骨术后早期，部分病例可能有发热、白细胞增加、血沉加快、局部肿胀、所属淋巴结肿大，局部引流有少量清亮液体，通常两周内逐渐恢复正常，很难肯定是来自免疫排斥，因为其他骨科手术也会有类似反应。若有排斥反应多出现在术后几个月，表现为植入骨的过度吸收或伴有骨不连、骨折和深部感染，但是也不能断定这些后果是否完全由免疫因素造成。

小块骨移植极少发生免疫排斥。小块骨多为松质骨，体积小，骨髓容易洗净，其骨小梁的骨诱导性良好，比皮质骨更容易被新骨爬行替代。加之它们多被植于血供较好的部位，周围组织中常有间充质细胞的渗出以及掺用自体骨，因此即使出现排斥吸收也不容易被察觉。加之自体骨移植也有可能发生吸收，以致一些作者认为小块同种骨与自体骨的疗效没有明显差别。

大段同种异体骨植入后的骨密度降低不同于创伤后的局部骨质疏松。创伤后的骨质疏松常导致快速的骨量减少，而这种骨量丧失又属于高转化型的，即骨形成与骨吸收均增加，但骨吸收超过前者而形成骨量丢失。

曹前来等研究发现异体骨植入后的骨密度降低多发生在18个月以后，30个月以后最为明显。虽此时异体骨与宿主骨早已愈合连接，但异体骨与对侧相应部位正常骨骼的骨密度比较仍明显降低。异体骨植入后的骨密度降低，不能被各种功能锻炼所逆转，全身也没有骨代谢、性激素水平的明显变化。异体骨植入早期类似生物惰性材料，基本上保持原有的生物力学强度，一旦血管长入，重建血液循环，其成骨替代开始，而这种情况在整个异体骨代谢中不是同步的。Goldberg等研究证明：破骨细胞的破骨速度50μm/d，而骨母细胞的成骨速度1μm/d，两者的结果是骨吸收大于骨形成，导致骨皮质变薄，吸收腔形成，骨密度下降，骨生物力学强度降低。这揭示了异体骨植入后发生骨密度下降和易骨折的病理基础。说明了临床上移植骨早期不易发生骨折，而18个月以后骨折明显升高的原因所在。

当异体骨内吸收腔扩大到一定程度，破骨细胞的活性逐渐减弱，成骨细胞活性增强，骨形成大于骨吸收，大量新骨、骨基质矿化沉积在吸收腔周围，骨小梁、骨皮质厚度增加，骨孔隙率降低，骨密度升高，导致移植骨的力学强度逐步恢复。但异体骨的愈合修复不同于自体骨，其爬行替代或组织活化过程相当长，提示大段异体骨植入后，骨密度恢复，骨生物力学提高非常缓慢。在异体骨植入后期，移植骨内部新骨替代比例逐渐增大，血管化也愈来愈完全，异体骨逐渐转变为一个对应力起反应的活骨组织，患肢活动、负重刺激，移植骨则按Wolf定律，适应新的力学环境进行自身改建、塑造。此时异体骨的生物力学性能就会得到改善和提高。（五）同种异体骨移植免疫排斥反应的防治

对同种异体骨的移植免疫排斥反应进行防治，可以通过对移植骨抗原的处理，供者与宿主组织配型，宿主的免疫抑制以及围手术期的对症处理四个基本途径来达到目的。

1.移植骨抗原的处理

同种异体骨移植与实质脏器移植不同，移植骨可以没有存活细胞，因此可以采用多种方法，尽量去除或杀死移植骨内的细胞成分，以减弱其抗原性。彻底刮除移植骨的骨髓、骨膜，反复洗涤，是简单有效的去除抗原方法，但机械方法不可能完全去除移植骨的细胞成分。目前常采用深低温冷冻、冻干和脱矿处理进一步减弱同种异体骨的抗原性。

而骨中所含的多种生长调节因子对免疫细胞功能亦有调节作用，已有研究证明骨骼中所含的骨诱导活性物质对免疫反应有明确的抑制作用。骨中的钙盐对骨形态发生蛋白（BMP）有抑制作用，脱钙有利于移植骨中BMP的释放，增强其骨诱导作用。虽然脱钙使骨中的无机物丢失，影响了骨移植材料的力学特性，但是为了便于新骨长入，临床常采用表面脱钙的方式修复负重区的骨缺损。尽量保存骨中的各种生长调节因子，不仅可加强移植物的骨诱导作用，而且可以减少移植的排斥反应。

20世纪80年代以后，冷冻骨与冻干骨成为各国骨库的常规制备。虽然，目前冷冻骨和冻干骨已被看成是无免疫原性植入物，但是各种实验表明，冷冻骨和冻干骨的免疫原性虽然较新鲜同种异体骨减低或明显减低，但是仍能引起受者的免疫反应。

丁鸿才等应用现代免疫技术，采用敏感的乳酸脱氢酶（LDH）释放法测定经深低温处理后的同种异体骨植入后宿主机体的细胞免疫学反应，结果表明：异体骨抗原性的降低与冷冻时间有关，经冷冻处理一周后，异体骨的抗原性已降低至与同基因骨相似的程度。

冷冻骨虽可减低免疫原性，但并不能完全消除，同种异体骨经冷冻处理后，引起的体液免疫明显减弱，而细胞免疫仅有轻度影响。Muscol等却认为同种异体骨经过冷冻处理后，由于细胞死亡和细胞表面抗原发生变化，受者T细胞是通过间接途径致敏的，从而引起慢性排斥反应或产生免疫耐受，延长了移植骨的存活时间。深低温冷冻对异体骨机械性能无明显改变，不损害骨诱导活性以及不影响移植骨与宿主骨的整合。Jinno等用-70℃深低温冷冻同基因和同种异体基因皮质骨，与新鲜同基因和同种异体基因皮质骨移植比较，-70℃深低温冷冻处理不影响同种异体基因皮质骨移植的自然整合过程；影响移植骨再血管化和移植骨与宿主骨整合的决定因素是同种异体基因。

相对于冷冻骨而言，冻干骨的免疫原性更加减弱，受体局部淋巴结无反应，血清中不能测得抗体。冻干骨致免疫原性减弱的原因，目前认为有如下几点：①通过冻干，移植物中各种细胞数量减少，因此致免疫反应的抗原量减少。②组织相容性抗原由于冻干而使其在黏附于细胞表面时发生改变，因而针对这些抗原的抗体不再与未发生变化的细胞表面蛋白反应。③冻干后细胞膜的物理变化（如折叠）也改变了表面抗原的表达，因而减少了对免疫系统的刺激。

但冻干处理可使骨发生纵向细微或明显的裂纹，冻干骨再水化后抗弯曲应力较新鲜骨减少了45%以上，抗旋转应力减少了61%。有人在临床上模拟同种异体骨移植失败的模型，选用人的胫骨标本做螺钉拔出实验，发现冻干骨使螺钉拔出的力量明显减小，比正常对照组减小约30%。在动物体内移植骨的免疫原性与其生物愈合程度成反比，而通过冷冻处理降低异体骨的免疫原性有利于移植骨的愈合。

同种异体骨移植灭菌的原则不在于成功地保存移植骨的细胞代谢活性，而是在尽量减少对骨诱导活性物质以及机械性能干扰的前提下寻求安全有效的灭菌方法。目前常用于同种异体骨移植灭菌的方法有烷基化剂和辐照灭菌。

烷基化剂通过对微生物的蛋白质、DNA、RNA产生烷基化作用，引起微生物的新陈代谢失活而将其杀灭，液体和气体均有灭菌作用，常用其气体灭菌，其作用特点为杀菌谱广，杀菌力强，毒副作用低。医学和工业消毒应用最广泛的烷基化剂为环氧乙烷（Ethyleneoxide,EO），环氧乙烷有很强的穿透能力。能渗透进入物体的孔隙和网状结构内和穿透包装物（布、纸袋）。EO气体杀菌能力比液体强，对细菌繁殖体及芽胞、真菌和病毒均有良好的杀灭作用。普遍认为环氧乙烷灭菌对同种异体移植骨诱导能力和力学强度不会造成损害，不影响移植骨与宿主骨的整合。但环氧乙烷可能损害冷冻同种异体骨移植的骨传导性。

辐照灭菌是利用γ射线、X线或电子辐射能穿透物品、杀灭其中微生物的性能进行低温灭菌的方法。辐照灭菌分为直接作用和间接作用，直接作用是射线激发的电子作用于DNA，使分子键断裂；间接作+-用是射线引起细胞内水的解离，生成H、OH离子及H、OH自由基，从而生成过氧化物，作用于核酸、酶和蛋白质而使其灭活。大多数国家以平均吸收剂量25kGy作为医疗用品灭菌的合适剂量，可保证残存-6活菌减少至10，也可保证厚度5cm以下的皮质骨完全无菌及乙肝病毒、艾滋病病毒（HIV）的灭活。辐照灭菌对细菌繁殖体、芽胞、真菌和病毒等均有良好的杀灭作用。γ射线辐照常用来作为同种异体组织库的灭菌措施，也可来降低或消除同种异体皮质骨板移植的异体抗原性。

γ射线辐照会导致异体移植骨骨诱导活性和生物力学强度的损害，辐照后皮质骨抗三点弯曲和剪切能力明显下降。γ射线辐照使骨组织氧化脂肪增加，释放出细胞毒性物质，辐照骨与成骨细胞体外培养，表现为辐照骨对成骨细胞毒性增加，辐照前除去骨组织中脂肪有助于减少辐照骨的毒性反应。皮质骨强度的下降与辐照剂量和辐照温度有关，室温下辐照相对于-78℃条件辐照皮质骨的脆性增加。辐照过程中来源于水分子的自由基对骨基质胶原A交连的破坏，使骨脆性增加。冷冻条件下辐照，减少水分子的流动性，从而减少了自由基的产生，减小了骨基质胶原A交连的破坏。然而另外一些作者则发现γ射线辐照对骨生物力学特性影响不大。低剂量γ射线辐照不影响同种异体基因皮质骨移植的自然整合过程，影响移植骨再血管化和移植骨与宿主骨整合的决定因素是同种异体基因。

2.供者和宿主的组织配型

为了克服同种异体骨的免疫排斥，曾试图像器官移植那样进行MHC组织配型，减少供体与宿主间的组织不相容性，从而提高同种异体骨移植的成功率。Stevenson等根据白细胞抗原确定供体宿主间的组织相容性，分为组织相容组和不相容组，对犬进行桡骨移植。结果显示松质骨的骨小梁厚度在相容供体与不相容供体间无明显差异，但成骨表面积相容供体明显高于不相容供体。后来又利用大鼠按供体与受体组织匹配程度，分为同源性、低度不合和高度不合组，把冷冻和新鲜皮质骨植入股骨中段，发现高度不合组供体特异性的细胞毒性抗体为阳性，而同源性组和低度不合组为阴性，且同源性组血管重建明显快于高度不合或低度不合组。移植骨的整合和排斥反应是受微血管系统调节的，MHC不匹配加速同种异体骨的排斥反应。在实验动物比较容易控制组织配型，但人类由于HLA的多态性，除同卵孪生外，不可能达到完全的组织配型。

3.免疫抑制剂的应用

为了克服免疫排斥反应，曾试图像器官移植那样使用免疫抑制剂。同种异体骨移植应用免疫抑制剂能够抑制骨移植后受者对移植骨的免疫反应，促进新骨形成和移植骨愈合（图2-13见彩插）。国外有报道，同种异体骨移植术后应用环孢素（CsA），早期虽有暂时增加骨吸收的作用，但同时也增加了骨诱导作用，促进了新骨形成，并且是以后者为主。因此，在同种异体骨移植，尤其是大块骨移植术后，应用免疫抑制剂是有意义的。动物实验证明它可以获得与自体骨相似的成骨效果，但是持续应用会引起伤口感染、白细胞减少等并发症和部分动物死亡。

但是冷冻和冻干同种骨是死骨框架，其免疫原性远低于活的器官，且排斥反应不会危及生命，而器官移植使用免疫抑制剂是为了使器官存活和维持生命。临床上大段骨的应用主要是肿瘤切除后植骨的保肢手术，免疫抑制剂有可能促进肿瘤的复发和扩散，再加上长期使用免疫抑制剂所带来的肝肾损害，骨质疏松等严重的全身性并发症使得应用免疫抑制剂带来的受益远低于损害。因此，目前临床上在同种异体骨移植时并不推荐全身应用免疫抑制剂。

然而，以上论述仅仅是指全身应用免疫抑制剂，而我们现在的观点则倾向于免疫抑制药物的局部应用，使其在最需要的地方发挥作用，且可减少全身应用带来的毒副作用。因此，我们设想是否可以在同种异体骨上附载免疫抑制剂，以观察它对成骨及免疫反应的影响。

4.积极防治术后感染

异体骨移植后出现的免疫反应与感染的关系目前也尚不清楚。目前报道感染率多在9%～15%左右。胡永成等认为感染除与手术种类、手术范围有关外，尚与术后辅助治疗有关。其5例创伤性骨缺损病例，应用异体骨移植后未发生感染（0/5）；恶性或者侵袭性骨肿瘤组，术后感染率达15.6%（5/32）。化疗1个疗程后继发感染者，可能与化疗后机体免疫功能下降有关。放疗后可出现局部软组织炎性反应，因异体骨对炎性渗液再吸收能力差，可诱发深部组织感染。对于感染应采取下列措施进行预防：①术中彻底止血，避免残留死腔，尽量缩短手术时间，严格掌握无菌原则，预防医源性感染；②重视局部切口的处理，异体骨周围丰富血供的软组织覆盖是预防感染的重要防线。为此，对于异体骨移植后软组织覆盖不良者，尤其是胫骨近端，建议应用肌瓣或者肌皮瓣移植以降低感染率；③术后必须充分负压引流，引流时间至少48h，必要时可适当延长引流时间；④术后应用足量抗生素，其中静脉应用抗生素2～3周，随后口服抗生素2～3个月，直到患者对移植骨的反应消失；⑤在异体骨移植时，应用免疫抑制剂，可以促进异体骨的愈合，减少感染率的发生，但其临床应用价值有待进一步观察；⑥对行大段异体骨移植的患者，术后辅助化疗时间有必要延迟1～2周，防止患者的抵抗力过早降低而发生感染。（六）同种异体骨移植免疫反应与骨重建的关系

异体骨移植免疫反应和骨重建关系的研究兴起于异体关节移植蓬勃发展的20世纪70年代。Burchardt等首先创建了狗的腓骨移植模型，以组织学和影像学结果为指标，将异体骨的愈合分为3型，Ⅰ型移植骨被完全修复和替代，Ⅲ型移植骨出现明显的骨吸收、骨折、骨不连，Ⅱ型介于两者之间。他们发现85%的自体骨移植以Ⅰ型愈合，而在新鲜的异体骨移植中只有20%以Ⅰ型愈合。为了进一步阐明组织配型在移植骨愈合过程中所起的作用，Stevenson等以同样的动物模型，术后定期给动物注射荧光素，11个月后通过移植骨对荧光素的吸收程度来反映植骨的愈合，结果显示：白细胞抗原匹配的冷冻骨的生物愈合与自体新鲜骨相似，而白细胞抗原不匹配的新鲜骨的愈合最差。可见在动物体内移植骨的免疫原性与其生物愈合程度成反比，而通过冷冻或组织配型降低异体骨的免疫原性有利于移植骨的愈合。在异体骨移植中，松质骨的愈合是通过在坏死的骨小梁上直接形成新骨，骨小梁间的肉芽组织会阻碍成骨作用，Stevenson等发现移植骨的免疫原性与骨小梁间纤维结缔组织的量成正比，由此可见免疫反应对松质骨的愈合是不利的。国内胡蕴玉等将异体新鲜骨、自消化抗原去除骨、骨基质明胶、脱钙骨基质分别植入小鼠肌肉，发现四种移植物均诱发免疫排异，以新鲜骨最强烈，骨基质明胶最弱；自消化抗原去除骨、骨基质明胶、脱钙骨基质都能在体内诱导异位成骨，而骨基质明胶的骨诱导活性最强，由此得出同种异体骨移植诱发的免疫排异反应与其骨诱导活性呈负相关的结论。

人类作为地球上最高等的动物，免疫系统已高度完善，与动物相差极远，故仅依靠动物模型来反映人类异体骨移植的免疫情况是不可靠的。虽然同种异体骨移植和其他器官移植有许多共性的地方，但就排斥反应而言，我们很难找到一种有效的方法（像在肾移植中我们可以通过血浆肌酐水平来反应肾功能情况，从而对其免疫排异的程度做出评价）对其进行定性和定量的测定，目前大多数的研究机构都还只局限在对临床和影像学资料的总结。Enneking和Mindell总结了1975—1990年间接受大块异体骨移植（术前未行组织配型）治疗的骨肿瘤病例，对16例因各种原因进行翻修的手术标本进行了组织学检查，其中只有2例发现有免疫排斥现象，组织学表现为移植骨表面被一层慢性炎性组织所包裹，影响了软组织的覆盖、植骨的愈合与修复。Muscolo等按照骨肿瘤协会评分系统对46例接受冷冻异体骨移植的患者进行疗效评价，发现组织学上表现出免疫反应的得分显著的降低，部分HLAⅠ类抗原匹配的移植物的得分高于完全不匹配的移植物。Friedlaender等对33位接受大块冷冻异体骨移植的患者进行了远期随访，分析了远期疗效和宿主对HLA抗原反应之间的关系，结果显示HLAⅡ类抗原的匹配有利于提高异体骨移植的远期疗效。以上研究均显示对于人类而言，组织抗原的差异对异体骨有影响但并不像在动物身上表现的那么明显。文献对这种现象有很多解释，Ken-neth等发现抗体滴度与植骨愈合无显著的相关性，所以认为循环抗体对植骨没有危害；他们还认为植骨被宿主替代过程中抗原物质的缓慢释放客观上对宿主起到了脱敏作用，使宿主发生免疫耐受；也有学者认为异体骨移植早期有淋巴细胞的浸润，但新骨的形成可将残存异体骨包裹，避免宿主的免疫活性细胞接触免疫原；1975年Langer实验证实异体骨移植的免疫反应过程中B细胞会产生一种名为封闭因子（blocking factor）的抗体，它可以保护移植物阻止免疫反应进一步扩大，明显延长移植物的寿命，以上解释都还只是推测，具体机制还有待进一步的探讨。

免疫反应和骨改建之间的关系无疑是今后研究的重点，虽然目前两者各自的机制尚未完全搞清楚，但Horowitz和Friedlaender研究已发现一些来源于骨髓的同源细胞同时参与了两者的发生过程，而一些免疫活性细胞分泌的细胞因子（转化生长因子β、白介素22、白介素26等）在骨的修复和重建过程中起着重要的调节作用。在此基础上，Horowitz提出假设认为异体骨抗原通过激活宿主T淋巴细胞引起了细胞和体液免疫反应，这些免疫活性细胞和靶细胞的相互作用产生大量细胞因子，其中部分因子对骨重建有重要调控作用，这就为两者间找到了一条直接联系的纽带。进一步的研究表明这些细胞因子的反应强度是受某个遗传基因所控制，现已证实转化生长因子β的表达水平与该基因信号区的多态性有关，而TNF-α的水平受该基因启动子的多态性所调节，代表这些细胞因子的基因型表达强度正反映了机体对异体骨抗原可能产生的免疫反应的强度以及骨愈合的程度。（戴金良　姚旺祥）第2节　同种异体骨移植的骨愈合一、骨的愈合过程

骨组织的愈合是骨折或骨缺损的修复过程，其生物学过程及伴随的组织学变化已得到公认。本节着重在骨折方面阐述骨的愈合过程。骨折是指骨的完整性和连续性的丧失，但是骨具有较强的修复能力，最终能达到新骨的完全替代，恢复骨的原有结构和功能。和其他软组织的愈合不一样，骨折愈合后不会遗留瘢痕。（一）细胞水平上的骨折愈合过程

1.细胞的聚集

骨折作为一种损伤启动了骨的修复机制，促使部分原始细胞发生分化、增殖，进而使骨折得以修复。而修复需要大量的细胞聚集到骨折部位才能进行。其中一部分是来源于包括骨膜纤维层、血管周围及软组织，具有多能、多向分化特点的细胞，被称为诱导性骨祖细胞（induc-ible osteoprogenitor cell,IOPC）。此外，存在于骨内、外膜及骨髓的，本身具有成骨能力的定向性骨祖细胞（determined osteoprogenitor cell,DOPC）也参与骨折的修复过程。

2.细胞的激活

IOPC在各种力学因素、生物生理因子及生物化学因子等的刺激下，转化为成骨细胞，才具有成骨能力。而DOPC不能主动参与骨生成的过程，也只有经过一定刺激和调整才能发挥效力。

3.新骨形成

上述被激活的细胞，在局部形成模板，通过骨传导作用在三维空间产生和沉积新骨，增加断端的桥接能力，骨中的有机物如胶原和羟基磷灰石等形成传导界面，控制骨祖细胞诱导作用的各种因子起重要作用。（二）组织学水平的骨折愈合过程

骨折能启动一系列的炎症、修复及再塑型反应，最终恢复到原始状态。损伤后炎症反应马上开始，随后修复阶段启动，损伤的细胞和基质被替代修复后，就开始了较长时间的再塑型期。在炎症期能量需求增加，在修复期达到顶峰，这时骨痂中的细胞增殖，大量新生基质合成。当再塑型开始，细胞浓度和活性降低，骨折愈合的能量需求有所减少。

1.炎症

骨折能破坏细胞、血管和骨基质，还能损伤周围骨膜、肌肉等软组织，在骨折断端和骨膜下形成血肿，而血管破坏，使骨细胞失去血供导致坏死。周围的软组织损伤都形成骨折部位的坏死物质。血小板和坏死受伤的物质释放炎性介质从而引起血管扩张，血浆渗出，形成骨折局部的急性水肿。在各种炎性因子作用下，多型核粒细胞、肥大细胞、淋巴细胞等向损伤部位移动，并释放细胞激动素，能刺激新生血管形成，随着炎症反应的消退，坏死组织及渗出物被吸收，成纤维细胞出现并开始产生新的基质。

2.修复与塑型

直接愈合：AO/ASIF提倡用坚强内固定所引起的骨折愈合称为直接愈合（一期愈合），犹如骨的焊接，其X线及组织切片显示骨折区域没有特异的骨痂形成，骨折断端表面也无吸收，无骨痂愈合本身并不是目的，只是在绝对稳定和良好的血供条件下所显示的一种特殊的生物学特性，直接愈合被称为最佳的愈合方式。Shenk和Willenegger描述了直接愈合的两种形式：接触愈合与间隙愈合。当两端皮质紧密接触时，破骨细胞如钻头般在哈佛管前沿进行骨吸收，其后成骨细胞沿扩大的毛细血管周围被自身分泌的类骨质包埋而变成骨细胞，类骨质逐渐钙化称为新生骨基质，其中含有骨细胞和血管，组成哈佛系统，或称为“初级骨单位”，这一过程称为“接触愈合”（contact healing）。但坚强内固定后并非整个骨折端都能获得紧密接触，同时存在不同大小的间隙，这些不同的间隙影响了骨折处新生骨形成的基质、结构、速度。在小间隙中，先形成一薄层交织骨，将间隙填充，随后骨单位重建直接越过断端。其新骨可来自骨外、内膜，细胞沿垂直长轴的方向一层一层地形成板层骨。随后通过骨再塑型，成为与板层骨结构和方向均相同的骨质，进一步再通过间隙的内塑型和（或）从间隙到皮质的内塑型，称为间隙愈合（gap healing）。

间接愈合：一般的自然愈合，包括应用非坚强固定的愈合称为间接愈合（二期愈合）。其过程包括血肿诱导，纤维血管型肉芽组织，软、硬骨痂直至重建，以恢复骨的连续性及结构。血肿的机化一般认为是骨折修复的第一步，血肿以及包绕血肿的软组织合页的完整对修复的早期有重要作用，血肿能提供纤维支架以便于修复细胞的移动。肉芽组织作为骨痂前提，虽然在内固定中并非必需，但作为修复组织则是需要的。此外，骨折后局部的血管增生，早期主要是骨膜血管床的增生，随后髓腔内营养血管增生，起重要作用。骨折后X线片上出现明显间隙是其中一个特点。这是由破骨细胞作用造成的。骨折端的成骨细胞增生、分化生成骨痂，它主要由纤维组织、软骨组织、网织骨组成。骨痂充填并包裹骨折端，在早期，骨痂有两种：硬性或骨性骨痂，软骨痂或软骨骨痂。骨膜内成骨形成的周边骨痂为硬骨痂。软骨痂形成于中央部分，主要由软骨构成。通过软骨内成骨过程骨逐渐替代软骨，增加了硬骨痂量，提高了骨折端的稳定性。这一过程不断继续，直到骨折端骨性桥接，骨连续性得到恢复。随后再塑型开始，多余的骨痂被重吸收，包括破骨细胞对多余的排列紊乱的骨小梁的吸收，以及依应力方向重新排列的骨组织。（三）骨折临床愈合标准

临床愈合是骨折愈合的重要阶段，此时病人已经拆除外固定，通过功能锻炼，逐渐恢复患肢功能。目前较为常用的临床愈合标准为：①局部无压痛及纵向扣击痛；②局部无异常活动；③X线片显示骨折处有连续性骨痂，骨折线模糊；④拆除外固定后，如为上肢能向前平举1 kg重物并持续1分钟，如果为下肢不扶拐杖能在平地连续步行3分钟，并不少于30步；⑤连续观察2周骨折处不变形。临床愈合时间为最后一次复位之日至观察达到临床愈合之日所需的时间。检查肢体异常活动和肢体的负重情况时应予以慎重，不宜解除固定后立即进行。二、同种异体骨移植的愈合过程

骨移植是将一部位之骨组织离体后移植于人体内另一骨骼有缺损或需要加强或固定处的一种手段，是组织移植中最常用的方法之一，根据其来源的不同又可以分为自体骨移植、同种异体骨移植和异种骨移植。从生物体获取的骨组织的保存也要比皮肤、筋膜、肌腱、血管以及其它移植组织容易的多。这是因为被移植的骨组织不完全取决于它成活的细胞，而是需经过受区缓慢的爬行替代过程，代之以新的有生命的骨组织，由于所产生的免疫排斥反应低，是最先移植成功的组织。

同种异体骨移植后的愈合过程同自体骨移植的愈合过程在很大程度上有相关性，但也存在着一定的差异。

在同一人体上将骨从一个部位移植到新的部位，称自体骨移植（autograft bone transplanta-tion）。它的成骨潜能最大，可提供一些活的骨细胞，以松质骨最多，细胞存活时间也长。植骨的成功很大程度上取决于自体骨的质量、植骨床血供及有血运丰富的软组织覆盖。还必须有足够的固定，消除软组织与植骨之间的剪性活动，有利于新生血管长入植骨。在完成爬行替代过程中，植骨总会有一定程度的吸收，同时有新骨沉积在其表面。新鲜自体植骨会提供一些活的骨细胞，这已得到充分证实，问题是骨痂的形成是植骨存活细胞本身生长造成，还是受区骨祖细胞所致。许多权威人士一致认为，这些细胞的主要来源包括植骨受区骨表面的成骨细胞、骨髓细胞、受区的软组织、以及血中循环的游离成分。某些表面细胞和在陷窝的骨细胞（陷窝最深0.30 mm）是成活的，对早期形成的血管能够长入初期网质骨支架中，起着极其重要的作用。成骨性细胞的其他来源包括植骨骨内膜和骨膜的生骨层。自体骨移植所携带的骨膜，对新骨的形成，是一种强烈的刺激剂，在动物实验中，应用游离骨膜桥状植于骨缺损部位，取得成功。松质骨移植，有利于组织液扩散和血管肉芽组织的侵入，而皮质骨对组织液的扩散起屏障作用，血管肉芽性组织，只有通过哈佛管进入。而且，松质骨有较大的骨内面（endosteal sur-face），对受区骨痂的形成，提供丰富的骨祖细胞来源，但皮质骨的骨内膜几乎对受区骨痂的形成无作用。松质骨（特别是髂骨）含有丰富的红骨髓，内含原始的网状细胞、未成熟的造血细胞、以及骨髓血管的内皮细胞等，均能提供丰富的骨祖细胞。在松质骨，新骨的形成先于坏死基质的清除，而皮质骨坏死的基质被清除之后，新骨才能形成，因而骨的替代过程显得较长。髂嵴，胫骨前内侧面和腓骨中段，常作为自体骨移植的供骨区。其他供区有股骨大粗隆和肋骨。

同种异体骨移植是指同一种属个体之间的骨组织移植。同种异体骨移植可以诱发宿主产生免疫排异反应，目前临床上多采用经冷冻、冻干或化学处理的同种异体骨，其细胞成分多已坏死，因此同种异体骨移植在与宿主愈合过程中的表现、作用机制和生物力学特征等方面，与自体骨移植有一定差异。（一）同种异体骨移植在宿主的愈合过程

同种异体骨移植在宿主的愈合过程与自体骨移植有许多不同，主要表现为同种异体移植骨的成骨与血管穿入的速度和程度都不及自体骨，而同种异体移植骨更易被吸收。新鲜同种异体骨移植的早期宿主反应与自体骨移植类似，移植术后1周在同种异体移植骨周围发生明显的炎症反应，第2周时炎症反应达高峰，淋巴细胞为主要的浸润细胞，此后2个月淋巴细胞仍为主要浸润细胞，在移植骨周围有炎性纤维包膜形成，炎症反应因移植骨抗原性的差异而渐渐减轻，或持续至8个月以上。早期同种异体移植骨周围血管再生与自体骨类似，但端-端吻合形式的再生少见，移植1周炎性细胞包绕再生血管，血管壁出现透明变性，管腔闭锁，移植骨存活细胞进行性坏死。新鲜同种异体骨移植早期，移植骨周边存活细胞可产生类似自体骨的成骨现象，但由于再生血管的闭锁和炎细胞浸润，导致这种初期成骨被吸收。在移植后4周左右，宿主来源的组织侵入移植骨，发生二期成骨，但这种成骨的速度和成骨量远不及新鲜自体移植骨。冷冻、冻干等处理的同种异体骨，已几乎没有存活细胞，故移植至宿主后不产生早期的自身成骨，而完全依靠宿主组织侵入后发生二期成骨。

为了探讨同种异体骨移植后骨修复的生物学过程和病理组织学变化，胡永成等收集了自2002年2月～2004年3月因临床并发症取出的异体骨标本5例及因大段异体骨移植后不愈合再次植骨手术中活检病例2例，共7例。通过观察骨吸收的病理组织学特点发现骨吸收主要集中在5例病例中，其临床特点可以归纳为：①X线片所示有严重的骨吸收，无伤口问题；②X线片显示有骨吸收伴有窦道，渗出；③伤口化脓。后者可以认为是骨组织的化脓性感染引起的骨吸收，前两种情况骨吸收可以分为：一是破骨细胞性骨吸收，常伴有新骨形成；二是炎症性骨吸收，吸收部位有较多的慢性炎性细胞，骨表面缺乏破骨细胞和成骨细胞，无新骨形成。3例有明显骨吸收者可以观察到血管内皮细胞增生、管腔闭塞。由此认为，破骨细胞骨吸收是机体对异体骨修复和骨重建的过程，炎症性骨吸收的出现是异体骨移植中的不良组织学反应；如出现血管病变表示排斥反应重，异体骨移植可能失败。（二）同种异体骨移植后的免疫反应对愈合过程的影响

Burchardt认为同种异体骨移植与宿主的愈合主要受移植骨抗原性影响，他根据动物同种异体腓骨移植实验，将移植骨与宿主的愈合分为三型：Ⅰ型：愈合过程与自体骨移植相似，没有疲劳骨折，移植16周后移植骨与宿主骨连接，移植骨的成骨量、塑型均与自体骨移植接近，提示供体与宿主的组织相容性抗原差异很小或没有差异；Ⅱ型：愈合过程缓慢，表现为：①较多发生不连接或延迟连接；②移植骨周边被吸收或移植骨体积变小；③移植骨内部被吸收范围扩大，延伸至间质板层；④移植骨机械强度明显下降，提示供者与宿主组织相容性抗原有较大差异；Ⅲ型：没有修复征象，移植骨迅速地被吸收，提示供者与宿主之间存在着强烈的组织相容性抗原差异。各种消除抗原处理可以改善同种异体骨移植与宿主的愈合。Heiple的实验表明新鲜自体骨移植与宿主骨的愈合最优，同种异体骨移植与宿主骨愈合的优劣次序为：冻干骨＞冷冻骨＞脱矿骨＞冷冻+辐照骨＞冻干+辐照骨＞新鲜骨＞脱蛋白骨。同种异体骨移植的修复程度还与移植骨的性质和大小有关，较小的松质骨粒移植容易达到完全修复，而大段皮质骨移植则不能达到完全修复。Enneking等对16例同种异体骨干或关节，移植后4～65个月的临床标本进行放射学和组织学观察，发现移植皮质骨与宿主皮质骨的愈合连接缓慢，依靠宿主皮质来源的外骨痂连接，而移植松质骨与宿主松质骨的愈合连接较快，主要由宿主松质骨来源的内骨痂来连接，移植骨内部修复十分缓慢，而且主要发生在移植骨浅表面和两端，移植后5年，移植骨仅有20%被新骨替代，深层未修复部分仍保持原有的结构。（三）同种异体骨移植愈合过程的生物力学特征

在自体皮质骨移植由于早期破骨细胞活跃，造成骨吸收，移植术后6周～6个月，移植骨的机械强度较正常骨下降约40%～50%，术后1～2年新骨渐渐形成，移植骨的机械强度逐步恢复正常。同种异体骨移植诱发宿主免疫排异反应，早期骨吸收较自体骨移植更为明显，移植骨的机械强度亦有更显著的减弱，其机械强度减弱的程度受组织相容性抗原差异大小的影响，此外同种异体骨移植术后的辅助治疗，如放疗、化疗也会降低移植骨的机械强度。在同种异体移植骨没有一定程度被宿主组织替代和血液供应重建前，不能对反复作用的较小应力发生生理适应性塑型，因此易发生疲劳性骨折。（四）同种异体骨移植促进局部骨愈合的过程

骨移植促进骨愈合的过程起始于植入骨周围血肿的形成。血肿可以释放某些生物活性分子，如生长因子及来自脱粒血小板中的细胞素，随之发生移植物的坏死，并激发局部的炎症反应。几天之内，纤维血管基质产生，其中的产生于宿主的血管和成骨祖细胞向移植物迁移。最终，破骨细胞进入移植物，并启动移植物合并过程的吸收相。由于移植物中只有很少的细胞在移植后仍保持存活，因此，移植物对于骨折愈合的主要贡献来自于它的骨传导特性。移植物吸收过程中释放的骨诱导因子，局部炎症反应刺激及伴随的细胞素，均有助于骨折的愈合。已有研究表明宿主对于松质骨和皮质骨移植物的反应，在修复的速度和完全性方面有所不同。松质骨组织较为疏松的特性，使得其较皮质骨而言，可以产生更快速的血管化和更完全的被合并、替代。此外，尽管目前对于松质骨移植生物学行为的理解表明，移植物吸收的过程先于成骨细胞的成骨反应过程，但对于自体皮质骨移植而言，相反的过程也许同样成立。尽管松质骨移植物合并过程的吸收相出现较少，时间短暂，且常常在影像学上难以观察到，其却是启动新骨形成过程的必由之路，而新骨形成又是一个包括特异性细胞因子促进成骨祖细胞有丝分裂的过程。松质骨移植物最早缺乏结构完整性，但是，这种情况随着原先存在的骨性结构中的骨整合（新骨形成及合并）而迅速改观。反之，皮质骨移植物在骨整合过程开始之前即首先提供结构性支撑，随着破骨细胞的活性增加，移植骨逐渐被重建和吸收，到6～18个月时，其强度仅剩余原来的1/3。

大段异体骨移植有其独特的生物学特征。Bauer等指出，在力学结构稳定的矿化异体骨移植材料中，骨形成的途径是膜内成骨而不是软骨内成骨，只有在界面有活动时才可看到移植区有软骨形成。他们观察到移植物与骨断端的连接来自重新形成的骨外膜膜内骨化，并非宿主骨断端延伸。大多数移植物的外表面有1～2mm由膜内骨化形成的新骨沉积，表面其它区域可看到未经修复的腐蚀吸收区，有破骨细胞排列，填充疏松纤维组织和少量炎性细胞。三、同种异体骨移植的愈合机制（一）自身成骨作用

新鲜同种异体骨移植，其移植骨存活细胞具有早期成骨能力，但因免疫排异反应，移植骨中供体来源的细胞被杀死，早期成骨被吸收，因此新鲜同种异体骨的自身成骨作用是无效的。库存同种异体骨的细胞成分多已死亡，也就不具有自身成骨能力。McGaw和Harbin早在1934年就证明骨髓具有成骨作用，Gray和Elves的研究表明自体骨移植成骨作用60%以上来自骨髓和骨内膜，30%来自骨膜，10%来自骨基质对局部组织的诱导。骨髓中含有定向成骨前体细胞和可诱导的成骨前体细胞，如将宿主骨髓与同种异体骨复合后移植，移植骨可获得早期成骨能力。（二）骨诱导作用

骨基质中提取的骨诱导物质，骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein BMP），最早是由美国加州大学Urist教授发现，他将不同方法制作的脱矿物质骨植入动物肌肉内，观察到异位成骨现象，证实了骨诱导物质的存在。后来，经过一系列的研究，他们从骨基质中提取出骨诱导物质，即BMP。可在体外诱导结缔组织中的间充质细胞、骨髓基质细胞、滑膜细胞、成纤维细胞呈现软骨细胞及骨细胞表型，诱导这些细胞在骨骼和骨骼以外的组织中形成骨和软骨组织，这就是Urist的骨诱导理论。将BMP植入啮齿类动物肌肉、皮下等处，可引起软骨内成骨过程。未脱矿的同种异体骨植入动物肌肉内很难观察到骨诱导现象，这可能是由于矿盐与基质蛋白的紧密结合，抑制了BMP的释放，也可能在未脱矿骨中存在着某种BMP抑制因子。为了增加同种异体骨的骨诱导作用，需将其进行脱矿处理。同种异体骨的诱导成骨活性和宿主对诱导成骨物质的反应，不同种属间有明显差异。啮齿类动物的骨诱导现象明显强于高等动物（如狗及灵长类动物），在高等动物BMP的靶细胞可能主要存在于骨骼系统，而骨外诱导的成骨前体细胞对BMP的敏感性较差；在高等动物需要高浓度BMP才能异位诱导成骨。（三）骨传导作用

骨传导作用也就是支架作用，是移植物周围组织床的血管、骨祖细胞沿植入物的机械引导侵入其内部的过程。骨传导作用也被称作骨愈合的“爬行替代”，其最早在1893年由Barth提出，其理论核心是认为移植骨的细胞均要死亡，移植骨未经吸收就被宿主骨来源的新骨替代。随着这方面研究的深入，Axhausen在1907年提出移植骨除骨膜细胞外，其余的细胞均坏死，移植骨的愈合依赖宿主骨内外膜细胞，骨髓和周围的纤维结缔组织细胞侵入，间充质干细胞首先转变为破骨细胞，吸收移植骨，然后转化为成骨细胞，产生新骨，替代移植骨，使骨移植得到愈合。Lind和同事们的研究发现移植部位的同种异体骨先是出现大量的骨吸收，然后在吸收后的空腔内出现大量表达Ⅰ型胶原的细胞，这些细胞可以促进后来新骨的形成和骨愈合。在局部血供良好的情况下，从移植区周围长入的新生血管可以带来血管旁的间充质干细胞，开始二期成骨，坏死骨被吸收后由新骨替代。在这一过程中新生血管的长入是其核心。移植术后4周，移植段的哈佛管扩张，有破骨细胞和成骨细胞侵入，可能是由移植骨周围间充质干细胞和成骨细胞通过原有的骨小管和新生血管达到移植骨中央产生的变化。新鲜自体骨具有骨传导作用，其它无存活细胞的植入物，如库存同种异体骨、羟基磷灰石、聚乳酸、磷酸三钙等材料也具有骨传导作用。骨传导作用仅见于移植物植入骨骼系统内，若将无活性的植入物（无自身成骨作用和骨诱导活性）植入骨骼系统以外，仅能引起纤维组织替代，形成瘢痕。Nielsen在兔的双侧桡骨造成1cm的骨和骨膜缺损，在一侧用聚氨酯膜卷成管状，桥接骨缺损；对侧骨缺损不处理，作为对照；术后5周植聚氨脂膜组膜外来自两端的骨痂会师，并有骨膜形成，而对照组发生骨不连接，这个实验显示了骨传导作用的重要性。

黄长明等采用新西兰大白兔股骨中段切除1.5cm骨干和骨膜实验动物模型。将36只兔随机分成实验组和对照组。实验组植入深低温保存的同种异体骨，对照组植入自体新鲜骨，均用直径3mm的髓内针固定。于术后第1、第2、第3个月分别行X线摄片、ECT、大体标本、组织学观察（四环素荧光标记、HE染色）以及BMP免疫组织化学染色。结果深低温保存的同种异体骨移植愈合与自体骨相似，ECT显示术后第1个月骨代谢活跃，2、3个月趋于稳定。移植骨BMP表达阴性，新生骨及其周围类基质表达阳性。其愈合是从宿主骨向移植骨，从周围向中央，从哈佛管向其四周逐渐进行爬行替代的过程。从而得出结论，同种异体骨移植愈合过程是移植骨全方位活化的过程，即全方位再血管化、新骨形成和宿主与移植骨接连的过程。其主要通过骨传导实现成骨，骨诱导亦发挥积极作用。（四）移植骨的转归

无论是自体骨移植还是异体骨移植，其移植骨在愈合之前都会在宿主体内发生不同的转归，他们大都存在相同之处，移植骨的转归（changes of transplanted bone）对于理解骨愈合的机制有着重要的作用，许多学者也在这方面做了大量研究。

松质骨和皮质骨在移植后的初期阶段的改变是相似的。由于初期的炎症反应，常有组织水肿，因为缺乏血供，绝大部分移植骨发生坏死。由于骨的特殊组织结构，营养物质能够到达移植骨内细胞的量是有限的，没有充足的营养，大部分骨细胞难以成活，只有通过哈佛管和骨小管，移植骨的最内层细胞才能获得一些营养物质。因此，惟一能够成活的骨细胞是最靠近受区，能从周围组织获得营养物质的部分骨细胞。不能成活的骨细胞发生自溶性坏死，遗留无数空的骨细胞陷窝，坏死组织由逐渐长入的巨噬细胞清除。受区肉芽组织逐渐充填了空的骨细胞陷窝。肉芽组织只含有毛细血管和原始的间充质组织。间充质组织的生长受毛细血管生长的影响，因为在缺乏血液供给的情况下，这些细胞不能成活，因而，受区血运不良时，使这一过程减慢，植骨前和术中注意改善植骨床的血运是很重要的。这一阶段至少持续2周。

在松质骨，原始的间充质细胞很快转化为成骨性细胞（osteogenic cells），绝大多数成骨性细胞来自宿主。随着成骨性细胞的形成，骨样组织沿着坏死小梁骨的边缘沉积，移植骨中心部分发生的坏死被有活性的破骨细胞吸收。因为老的坏死基质主动的被活的骨小梁替代，但骨的大体解剖结构相对没有发生变化。最后阶段是老的骨髓腔被有活性的新的骨髓细胞充填，最终完成整个爬行替代过程。

皮质骨移植后的修复过程与松质骨略有不同，虽然也发生有活性的血管肉芽组织长入，但比松质骨显得特别慢。这是因为，松质骨的结构有利于营养物质的弥散，这对存活的部分骨细胞很有利。而且，受区的血管肉芽组织也易于长入。营养物质不易通过皮质骨，因而对皮质骨内存活的骨细胞继续生存和受区肉芽组织的长入均受影响。皮质骨块植入后，其暴露缘被受区破骨细胞吸收，哈佛管转变为小的髓腔，肉芽组织侵入，原始间充质组织充填大的腔隙。这一过程一直持续到髓腔达到预想的大小，此时吸收中止，修复过程显得突出，以成骨细胞充填腔隙为主，同时伴有活性的骨样组织沉积。在外侧面新骨的沉积，限制了在内侧面坏死基质内破骨细胞发生的量，这种机制的发生是由于坏死的皮质骨内含有许多小的具有主动形成新骨的骨单位，由于这一过程不一致，因此外侧面的骨质主动地被替代，而内侧部分的替代却受到限制。

移植骨本身的结构决定了皮质骨和松质骨替代过程的速度有所不同。皮质骨移植后再生缓慢，是因为发生骨坏死的区域较松质骨大，而这些死骨必须经过血管肉芽组织的侵入、哈佛管的扩大、以及进行性破骨细胞的吸收与成骨性细胞的增殖才能被去除。不论是密质骨还是松质骨的骨小梁，必须被替代。移植骨的结构内骨小梁越多，被活骨所替代的过程就越快。骨质越密，替代就越缓慢，因而采用皮质骨移植时，应考虑到替代过程缓慢的缺点，但具有支撑固定的优点。松质骨移植的优点是替代过程易于进行，缺点是支撑作用较差。在移植骨表面可能有一些细胞是存活的，正如前所说，惟一能成活的骨细胞是最靠近受区，能从周围组织获得营养物质的部分移植骨。松质骨存活的骨细胞量，要比皮质骨存活的量大。

Enneking等人证实，所移植的皮质骨在6周后，其结构将会变得疏松，强度减弱。这种情况至少要持续6个月。只有在1年以后，约有60%的结构由替代的新骨组成，皮质骨的力学强度才有了一定的恢复。移植骨早期的疏松改变，是坏死骨的吸收所造成。其强度的减弱与疏松有关，而与坏死骨与活骨的混杂无关。而大段同种异体骨的愈合更是一个漫长的过程，在最初几年里其愈合可以预见，但受到骨折愈合、二期自体骨移植和肿瘤复发等因素的影响。在对73例大段异体骨移植的患者进行了2个月到156个月不等的随访后，发现对每一例接受植骨的患者来说，只要采用游离骨片（块）移植，不论是自体骨、同种异体骨，还是各种方法保存的骨（冻干、冷冻、硫柳汞浸泡、煮沸或高压灭菌、甚至脱钙骨），都要经过这一死而复生的爬行替代过程。而且这一过程是逐渐、缓慢、持续不断的过程，皮质骨对皮质骨的愈合显得尤为缓慢，移植后3年半移植物和宿主皮质之间已有外骨痂生长（图2-14），但其移植界面缝隙依然清晰（图2-15），移植后5年才有少量哈佛管长入移植骨与宿主界面（图2-16），移植后7年观察，移植骨和宿主骨两侧皮质之间距正常骨组织仍有较大差异（图2-17）。最终将移植骨完全吸收，而代以新的、有生命的骨组织。图2-14　皮质骨对皮质骨移植后3年半移植物和宿主皮质之间外骨痂生长图2-15　移植界面缝隙依然清晰图2-16　移植后5年少量哈佛管长入移植骨与宿主界面图2-17　移植后7年，界面哈佛管仍未达到正常皮质骨状态

在有些病例，移植骨有时不能完全被吸收替代。在少数成人接受皮质骨移植后，没有被替代的量可高达90%，可长期遗留在体内，有的长达20年之久。在儿童，骨的吸收替代过程以及骨的塑型都比成人快，术后第2年，只有通过显微镜，才能识别出移植骨的结构。

Urist把移植骨的转归分为5个阶段：

第一阶段为术后数分钟至数小时的变化，主要表现为受区炎性反应和成骨细胞前体（preosteoblast）和破骨细胞前体（preosteoclast）的增殖。移植骨中的BMP以及各种分解产物引起受区细胞的趋化转移反应（chemotactic directional migration），使受区细胞与移植骨内外侧暴露面接触。第一阶段为移植骨的反应期，不论移植骨取自自体还是同种异体，也不论是取自活体的新鲜骨还是贮存骨，反应是相似的。

第二阶段和第三阶段是第一阶段的延续，从1～7 d开始发生，为手术损伤消退以后的变化，主要特征为，受区形成的成纤维细胞样间充质细胞与移植骨的BMP之间的反应。在自体移植中，成骨细胞的分泌物也能产生BMP的转移和骨的诱导（osteoinduction）反应。在同种异体储存骨移植中，还需增加BMP从有机基质中转移至间充质细胞表面的过程。BMP能被高压或辐照灭菌方法破坏。BMP的骨诱导反应可被高敏样反应（hpyersensitivity-like reaction）所抑制，而且在组织不相容性免疫反应中，可观察到浆细胞、网状细胞及其他细胞浸润。这种抑制现象，在接受活体同种异体新鲜植骨后第3周出现，在接受粗制的冻干同种异体植骨后第4周出现。

第四阶段为术后数月至数年，主要为移植骨与受区骨发生传导。这种骨传导（osteocon-duction）的发生，取决于受区的新骨长入。新生血管和新骨除长入生物性结构的移入物外，还可长入非生物性结构（nonbiologic structure），例如甲基丙烯甲酯（methylmethacrylate）、陶瓷（ce-ramics）以及硫酸钙，还能长入已变性的生物结构（denatured biologic structure）的植入物中，例如，经辐照灭菌的骨和高压消毒灭菌的骨。骨传导可被植入物与受区之间形成的纤维组织膜所阻止，但植入物与受区之间的间隙存在接触压力时，能促进骨连接发生。在骨连接中，植入物的结构仅起被动作用。未变性的可吸收性植入材料比非生物性不能吸收的植入材料容易发生骨传导。

在第五阶段，自体骨移植或同种异体移植逐渐地恢复力学特性。此阶段可长达2～20年，取决于植入材料的质量与形状。成功的自体移植、同种异体移植以及非生物性植入物最终与受区骨结构混杂在一起。第五阶段与第四阶段同样重要，因为随着修复过程的消退，大约有10%容积的植入物需塑型。因此，无活性的骨（有骨细胞陷窝而无细胞存在的骨）要占成功的自体或同种异体植骨总量的90%。（五）植骨吸收细胞及细胞因子

移植骨的吸收是由细胞介导的，但吸收细胞的表型特征一直未得到肯定。目前对植骨吸收细胞有两种看法，一是认为骨移植物吸收是由破骨细胞介导的；另一种看法则认为骨表面的单核细胞和多核巨细胞决定着骨吸收，并指出这些单核及多核巨细胞同破骨细胞之间存在本质的差别。

支持第一种观点的依据有：①破骨细胞由循环中的单核细胞融合形成，这些单核细胞起源于骨髓多能造血干细胞；②单核吞噬细胞系统的细胞如单核细胞和各种组织巨噬细胞具有许多破骨细胞的功能、细胞化学及形态特点，它们是破骨细胞的前体细胞；③单核吞噬细胞所具有的破骨细胞特性包括抗胰蛋白酶黏附底物能力、细胞表面受体、无活性颗粒吞噬和形成多核细胞样破骨细胞的形态；④单核细胞和巨噬细胞可被吸引到骨表面，通过一定的刺激可分化形成具有破骨细胞组织化学和功能特点的破骨细胞；⑤人外周血单核细胞及啮齿动物腹膜渗出的巨噬细胞能引起无活性的异种骨或同种异体骨溶解吸收，这些细胞作为破骨细胞的前体细胞在适当条件下可转化为多核破骨细胞；⑥破骨细胞是一种骨表面多核巨细胞（multinucleated giant cells,MNGC），其超微结构特点是具有皱褶缘、亮区、囊泡区和破骨细胞基本部四个部分，研究发现其他类型的MNGC可在骨-细胞界面上分化形成具有破骨细胞形态特征的皱褶缘和亮区。皱褶缘是破骨细胞骨吸收的场所，其具有分泌溶酶体酶和吸收被降解的骨基质成分的作用，皱褶缘的发达程度反映了破骨细胞的活跃程度。亮区的功能是使破骨细胞黏附在骨表面上；⑦抗酒石酸酸性磷酸酶阳性是破骨细胞的典型细胞化学特征，观察发现脱矿骨表面的大部分MNGC显示出抗酒石酸酸性磷酸酶阳性表达，其形态又与破骨细胞极其相同。推测异位植骨表面细胞向破骨细胞转化依赖于骨组织微环境中的辅助信号，这种信号在骨脱矿后充分表现出来。

支持第二种观点的依据有：①破骨细胞虽然可由循环中的单核细胞融合而成，但这种单核细胞前体细胞的本质尚不清楚；②破骨细胞与单核吞噬细胞在细胞化学、形态特征及功能方面存在差异，如破骨细胞是典型的抗酒石酸酸性磷酸酶阳性细胞，而大多数单核吞噬细胞不具有这一特点；③Walters观察发现大鼠皮下植入骨块后，骨表面出现大量MNGC，这些细胞在骨移植后的交接处不具有破骨细胞典型皱褶缘细胞膜的特点（图2-18），由此认为MNGC只是异物巨细胞，而不是通常所认为的破骨细胞；④Kelly等研究显示矿化骨植入成年大鼠皮下后，骨表面的MNGC不具有抗酒石酸酸性磷酸酶反应产物和破骨细胞形态特征，并显示出骨移植结合部位的MNGC存在四种不同状态即无反应产物，低反应、中等反应和高反应四种（图2-19）；⑤单核吞噬细胞缺乏破骨细胞在骨表面形成吸收陷窝的能力。进一步研究发现单核细胞、组织及炎性巨噬细胞均具备分化形成破骨细胞性骨吸收细胞的潜能，但必须存在骨衍生性基质细胞。图2-18　MNGC在骨移植后的交接处不具有破骨细胞典型皱褶缘细胞膜特点图2-19　骨移植结合部位的MNGC存在四种不同状态即无反应产物，低反应、中等反应和高反应

破骨细胞及单核吞噬细胞可能来源于同一类骨髓造血干细胞，这种多能造血干细胞能在一定的刺激下向成熟的破骨细胞和单核吞噬细胞分化，植骨局部的微环境因素可以改变单核吞噬细胞前体细胞的表型特征。在植骨表面，破骨细胞和单核吞噬细胞均发挥吸收溶骨的作用。当然，要充分证实植骨吸收细胞的表型尚需建立更理想的实验模型及观察方法。

研究发现，同种异体骨或异种骨移植局部会出现多少不等的巨噬细胞和T淋巴细胞，这是由于移植抗原介导的细胞免疫造成的。在完全脱抗原异种骨移植局部亦能观察到单核巨噬细胞浸润，有人认为这是异物肉芽肿的组织学改变。在上述两种情况下，巨噬细胞在植骨局部发挥着免疫性和非免疫性功能。植骨局部的单核吞噬细胞被活化后能分泌多种细胞因子，这些细胞因子伴随其他类型细胞产生的细胞因子一起对植骨的吸收产生重要的调节作用。

随着免疫细胞化学及核酸分子原位杂交技术的发展，结合细胞和组织培养的研究，人们对植骨局部细胞因子的作用有了更进一步的认识。TNF-α和IL-1是植骨局部多种细胞产生的两种重要的细胞因子，有研究表明，它们对破骨细胞性植骨吸收有明显促进作用。TNF-α产生后可作为外周血单核细胞的趋化因子，诱导血源性单核吞噬细胞迁移至刺激部位，发挥其吞噬功能。TNF-α作为局部破骨性骨吸收刺激因子可促进破骨性骨吸收。此外单核吞噬细胞通过TNF-α的自分泌调节进一步产生更多的TNF-α和其它细胞因子。IL-1在植骨局部可以发挥以下作用：①对附近的巨噬细胞是一个强有力的趋化剂，并刺激其合成、分泌IL-1；②激活破骨细胞，促进骨吸收，并刺激破骨细胞增生，诱导破骨细胞分泌胶原酶和PGE；③阻止骨钙素的合成，影响新骨形成。另有研究表明，IL-1和TNF-α可通过自分泌和旁分泌方式刺激单核巨噬细胞、成纤维细胞、内皮细胞及成骨细胞分泌GM-CSF。GM-CSF是一种单核吞噬细胞前体细胞分化的调节因子，也是MNGC形成的刺激因子。GM-CSF对破骨细胞的作用表明它能通过影响破骨细胞的形成而调节骨吸收，并可促进破骨细胞前体细胞的生长与分化。

由此可见，在植骨局部表达的细胞因子对骨材料的吸收产生着重要的调节作用。深入研究植骨局部巨噬细胞的募集机制及深刻认识骨吸收效应细胞的刺激因子将有利于提高骨移植材料的应用效果。四、同种异体骨移植愈合的影响因素

同种异体骨不仅为肢体提供了大小合适的，具有一定强度的、形态适宜的支持物，而且还为肌肉、韧带及关节等软组织提供了可愈合的附着面。如与宿主骨出现骨性愈合且无并发症出现，它将符合生物力学要求并可终生使用。但异体骨本身的诱导成骨能力较弱，术后骨不愈合的发生率为10%～15%。这主要是因为同种异体骨的愈合受多种因素的制约。了解这些制约因素，可为基础研究和临床应用提供依据和方便。（一）移植物

1.供者

同种骨的来源有限，主要是新鲜死亡供者，少部分来自骨科手术中的废弃骨。供者的选择对移植骨愈合有重要影响，任何潜在的严重传染性疾病或移植骨的局部感染都将对移植骨的愈合和受者产生重大影响。因此，有下列情况之一者不得作为供者：全身或局部有活动性感染者，恶性肿瘤、性病、艾滋病或HIV抗体血清学反应阳性者，或有艾滋病高危险因素（例如吸毒、性病、同性恋、来自艾滋病高发区）者，自体免疫疾病患者，中毒患者，长期（72 h以上）使用呼吸机、激素治疗者，取骨部位存在病变或损伤者，死因不明者。

2.移植骨的保存

国内外都已经为同种异体骨的保存而建立了相应的骨库。对同种异体骨的保存，目前临床上最多的是新鲜冷冻骨、冷冻干燥骨、脱钙骨等，并通过γ射线消毒等。随着对同种异体骨保存的研究深入，目前提倡对移植骨保存采用深低温冷冻及冷冻干燥的方法。冷冻或冷冻干燥的异体骨抗原性减弱，新骨形成能力较强，因而容易与宿主骨结合。移植骨的贮存、处理方式，除了影响其本身的生物力学特性外，同时改变其与宿主骨的愈合能力。Malinin等经实验研究证实，深低温及深低温脱水后保存的异体骨与宿主骨愈合能力最佳。Muscolo等认为同种异体骨经过冷冻处理后细胞死亡和细胞表面抗原发生变化，受者T细胞是通过间接途径致敏的，故可引起慢性排斥反应或产生免疫耐受，延长了同种异体移植骨被吸收的时间，有利于异体骨与自体骨之间的愈合。

陆骅等人用免疫组织化学方法检测冻干辐照异体骨与新鲜同种异体骨的转化生长因子β1（TGFβ1）和碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）。并另用冻干骨和羟基磷灰石提取液对人骨髓间充质干细胞进行培养，用原位杂交方法检测细胞的碱性磷酸酶（AKP）、Ⅰ型胶原mRNA表达情况。结果显示冻干照射组TGFβ1和bFGF检测阳性。但其阳性率和阳性信号要低于新鲜骨组。细胞经冻干骨提取液培养后，AKP、Ⅰ型胶原mRNA表达要明显高于经羟基磷灰石提取液和单纯培养液培养的细胞。从而得出结论：骨组织经冻干辐照后保留了一定的有生物活性的骨诱导成分，具有一定的骨诱导能力。

Heiple等的实验表明，同种异体骨与宿主骨愈合的优劣次序为：冻干骨＞冷冻骨＞脱矿骨＞冷冻骨+辐照骨＞冻干骨+辐照骨＞新鲜骨＞脱蛋白骨。Nather等2004年用深低温冷冻皮质同种异体移植物（deep-frozen cortical allografts）和低压冻干同种异体移植物（lyophilized al-lografts）作了生物力学强度对比实验，发现对于大块骨皮质缺损患者，前者的作用好。Kluger等认为骨组织冷冻的时间也不宜过长，冷冻3周至6个月为最佳使用期，冷冻期超过1年的骨组织破骨细胞活性降低，会影响移植后的愈合时间。2002年Zoricic等提出用巴氏消毒法（56℃，20分钟）对同种异体骨进行处理，结果发现移植后其生物有效性跟冷冻骨无明显差别，不影响同种异体骨中的骨诱导所需要的生长因子，而Uemaura Y等也证实了巴氏消毒法有效杀灭HIV等病毒，阻止移植手术中的病毒传播。

3.移植骨的性质

移植骨的性质和大小同样影响着修复程度。较小的松质骨粒与软组织的接触面积大，移植容易达到完全修复，而较大的皮质骨移植则不能达到完全修复。而且异体骨的大小也是影响并发症出现的原因之一。显然，在其他条件相同的情况下，移植骨的体积越小，其效果越好。而对皮质骨和松质骨的选择也同样重要。Enneking等对16例同种异体骨干或关节移植后4～65个月的临床标本进行放射学和组织学观察，发现移植皮质骨与宿主皮质骨的愈合连接缓慢，主要依靠宿主皮质骨来源的外骨痂连接，而移植松质骨与宿主松质骨的愈合连接较快，主要由宿主松质骨来源的内骨痂来连接，移植骨内部修复十分缓慢，而且主要发生在移植骨浅表面和两端，移植后5年，移植骨仅有20%被新骨替代，深层未修复部分仍保持原有的结构。2002年，Delloye等发现带孔的异体骨皮质能比不带孔的形成更多的新生骨组织，而且主要是骨内膜形成的骨组织。可能是增加的孔道使宿主的软组织与异体骨的接触面积增加，从而使渗入作用增加。

4.异体骨再血管化

Enneking等采用四环素荧光标记、X线摄片等技术，对人自体皮质骨移植的修复进行观察。结果发现，人皮质骨移植术后6～12个月内骨吸收占优势，骨强度最弱，一般至术后2年左右才逐渐恢复正常。Gouin等对2例异体骨移植术后9、19个月的患者进行连续活检时发现，2例均有微小骨折发生，并认为在内固定的支持下，新生血管长入微骨折部位，同时伴有新骨形成。移植骨块的愈合过程是伴随着再血管化过程的，再血管化的速度与异体骨的愈合密切相关。在此爬行替代过程早期，由于尚未被吸收，移植骨仍可基本维持原有的力学强度，因此移植早期骨折发生较少；一旦血管长入和吸收开始后，其强度即逐渐降低，因此骨折的发生也相应增加，随着替代过程的发展，骨组织的形成，其生物力学强度也有增加。周宗科等发现移植骨板早期承受应力并不能促进其再血管化和新骨形成，反而阻碍了新生血管长入移植骨板，影响移植骨板再血管化过程。因此，异体骨移植后所受的应力需根据异体骨的再血管化相一致。过长过强的应力均有可能使移植骨发生骨折。

但也有学者认为骨折是发生在异体骨无再血管化的部位，或宿主骨组织未长入替代异体骨的部位。Thompson等对14例异体骨骨折再手术，13例在骨折及周围未见血管化征象，并认为骨折主要是应力集中所致。如果尚未血管化的异体骨有结构上的缺陷，作为一个非生物植入物常可因疲劳过度而引起机械性失败。（二）宿主局部因素

1.免疫学因素

为了去除同种异体骨的抗原性但不影响它的生物学特性，学者们提出了很多预处理方法，但是它对于受者免疫系统来说，毕竟是具有抗原性的异物，常用的处理方法均不能完全消除异体骨的抗原性，术后发生宿主与异体骨的免疫排斥反应是难以避免的。但是同种异体骨移植与肝、肾等实质脏器移植有所不同，它诱发的宿主免疫排斥反应一般不引起危及生命的严重后果，但往往对移植骨愈合有干扰，影响治疗效果。免疫排斥反应使异体骨周围炎症细胞浸润、再生血管变性和闭塞，造成骨诱导和骨传导作用减弱及广泛的骨吸收，引起骨延迟愈合、不愈合甚至骨折。1998年Aho等应用分裂素、刀豆素A和供体骨组织提取的抗原以诱导淋巴细胞增生来介导细胞免疫反应，对18例2年内接受新鲜冷冻异体骨移植的骨肿瘤患者进行观察，结果发现：①除5例显示很弱的抗移植物特异性免疫反应，其余测试者分裂素介导的淋巴细胞增生反应正常；②异体骨移植术后组织学标本显示无特异免疫反应，并认为缓慢低速度的新骨修复与细胞介导的抗移植物免疫反应无关；③宿主骨与移植骨连结处骨不连及X线片所显示的骨关节变性、硬化与免疫反应无关。由此可见，免疫反应对异体骨移植愈合的影响程度尚未完全明确。但有实验表明，主要组织相容性复合体（MHC）相匹配、应用免疫抑制剂有利于骨愈合，提高骨的生物力学特性。Shigetomi等观察到，长期应用环孢霉素A（CsA）的带血管的大段同种异体骨移植的愈合与不用CsA的带血管自体骨的愈合相同，CsA对改善吻合血管同种异体骨移植的愈合有良好效果。+Voggenreiter等对大鼠进行研究，发现FK506能抑制CDT细胞，干扰8细胞免疫，增加诱导巩固，促进移植骨的愈合。但Kaihara等发现，短期服用FK506能在早期阶段促进骨诱导，但长期服用则对骨形成和吸收都有促进作用。尽管长期临床随访提示临床结果与特异性免疫反应无关，但免疫反应与异体骨的愈合重建、术后并发症发生的关系不可忽视。为尽可能降低免疫反应对同种异体骨的愈合过程的影响，减少并发症，提高保肢成功率，有研究建议在骨库中建立供体基因网络，以提高MHC的匹配率。但目前，临床上尚不对同种异体骨移植进行组织配型，也不建议全身应用抗排斥药物。

2.移植骨周围软组织及血运情况

移植骨周围软组织条件的好坏及血运是否丰富是影响移植骨愈合的主要因素，完善的肌肉等软组织覆盖可为异体骨提供一个良好的体内环境，增加吸收渗出液和提高异体骨血液供应的能力，为异体骨的愈合和替代提供必备的条件。从组织学可观察到，异体骨愈合过程也是异体移植骨周围血管、间质组织不断向异体骨中央长入、而异体骨不断被吸收的形成过程。如果没有充足的营养，大部分骨细胞难以成活。王臻等在手术中发现异体骨与自体骨固定完毕、放松止血带后，自体骨髓腔内的血液经自体骨与异体骨的接合部进入异体骨髓腔内，并经异体骨上的滋养血管孔等孔道广泛渗出于异体骨皮质表面，或经异体骨髁部的松质骨面渗出。在保留自体骨髁部的异体骨段移植时，良好的血液供应使紧密固定的异体骨髁部与自体骨髁部之间的骨愈合在3个月左右完成，而此时异体骨干与自体骨干的接合部仅有少许骨痂形成。Karaoglu等发现覆盖自体骨膜的去矿物质深冻同种异体移植物能改善异体骨与自体骨之间的连接。Hurley等在牛的实验中证实了覆盖在表面的软组织给植骨区提供营养源和生长因子。间充质组织的生长受毛细血管生长的影响，在缺乏血液供给的情况下，这些细胞不能成活，因而，受区血运不良时，使这一过程减慢，从而影响异体骨愈合。

3.生长因子

骨形态发生蛋白（BMP）是已知最强的骨诱导形成因子，在促进骨缺损修复和骨折愈合过程中效果显著。BMP作用的靶细胞是血管周围的内皮样细胞、成纤维细胞样细胞和未分化的间充质细胞。BMP有两种成骨能力：（1）增加类成骨细胞的成骨特性；（2）通过骨原细胞诱导成骨细胞的表型表达。它诱导成骨的方式包括软骨内成骨和膜内化骨。单独植入BMP效果不佳，一是它缺乏机械充填作用，二是其本身易被吸收而影响其诱导发挥。为了更好发挥作用，BMP需要与载体复合移植，如β磷酸三钙（β-TCP）、羟基磷灰石（HA）及人工聚合材料PLA/PLGA等，复合移植后可提高BMP活性。但上述载体的共同缺点是难于吸收替代和降解，生物毒性等。已知经过处理的异种松质骨是天然良好载体。Ferretti等用脱钙骨基质复合修复节段性骨缺损，结果显示这种复合物与自体骨相比具有较高的成骨活性。

β-转化生长因子（TGF-β）可刺激骨膜间充质细胞增殖、分化，促进成骨和成软骨细胞增殖，刺激Ⅰ型胶原合成，诱导膜内及软骨内成骨过程，从而促进骨折愈合。它同时也是免疫调节因子，是一种高效内源性淋巴细胞增殖与功能的抑制剂。

碱性成纤维细胞生长因子（b-FGF）是一种多向性生长因子，能促进成骨细胞增生，形成胶原，它还是一种毛细血管增殖刺激剂，促进新骨形成，替代骨移植物，促进骨缺损的修复。Ra-bie等认为透明质酸凝胶（HAG）作为一个缓释载体，能加强b-FGF的作用，而两者加上冻干骨修复骨缺损就作用更好。

血管内皮生长因子（VEGF）是机体内促进血管生长最重要的生长因子，在促进骨折愈合和血管再生中起重要作用。组织修复的前提是血管的再生，骨的再生也不例外，成骨细胞和骨原细胞在新骨形成过程中总是毗邻血管内皮细胞存在，异体骨“爬行替代”过程中的骨再生依赖于血运的重建。VEGF促进微血管的内皮细胞增生和增加微血管内皮细胞的通透性，使大分子物质如纤维蛋白原等进入细胞外基质中，允许和支持新生血管和基质细胞的内向生长。（三）宿主全身因素

1.激素

同种异体骨的愈合过程，受众多内分泌激素、自（旁）分泌生物化学及生物物理因子的调控。而激素作为化学信使，以正向和反向的方式直接或间接作用于骨愈合的过程中。生长激素通过生长调节素刺激骨愈合。由于生长调节素在软骨生长和成熟过程中具有直接的正向效应，因而在骨愈合中具有刺激作用。皮质类固醇（内源性和外源性）已经被证明在骨愈合方面具有削弱作用，因为它们减少骨形成，促进骨吸收。细胞培养实验已经证明，其对于来自间充质细胞的成骨细胞分化有抑制作用，以及对于骨愈合所需要的骨基质成分合成的抑制作用。

2.宿主全身状况

宿主的健康和营养状况影响血管和创口的愈合。营养支持对提高患者骨愈合是有用的。全身性疾病如糖尿病，骨质疏松，肿瘤等影响异体骨的愈合。肿瘤病人应用的多柔比星、甲氨喋呤等化疗药物可减少骨形成。Zart等在兔实验中证实，顺铂化疗后宿主与移植物之间骨连接明显减慢。有研究发现接受过放疗后，宿主骨周围血液供应因广泛的血管炎以及血管生长抑制而改变，后期表现为骨坏死。吸烟和过量饮酒可抑制骨代谢和合成，导致骨丢失。（四）手术因素

Bauer认为，骨结合端的成骨细胞来源于宿主骨周围的骨膜，移植后4周可形成较为坚固的外骨痂。该结合端为异体皮质骨的主要愈合表面，特别是在骨移植早期为主要的愈合方式，提示在手术过程中骨端的紧密对合以及保留部分骨膜对促进骨愈合有重要意义。Enneking等发现在大多数异体骨周围都可观察到1～2mm的新骨形成并环绕骨段。因此，大段同种异体骨外表面也是重要的愈合表面，提示在手术中应尽量保留异体皮质骨外周的有效成骨表面积，减少机械遮挡（如较大的钢板等），减少骨段周围的瘢痕。异体骨愈合还与术者经验、操作技术、术后康复护理等有密切关系。（五）内固定的作用

Vander等提出同种异体骨关节移植的内固定应解决3个问题：①内固定要为移植骨与宿主骨之间的融合提供必要的稳定环境；②内固定要达到能够承受在宿主骨与移植骨融合这一漫长过程中可能受到的各种复杂外力的要求；③内固定不能妨碍移植重建的肢体远端恢复功能所进行的运动。他对110例183处宿主与移植骨结合部愈合情况进行了研究，其中83处钢板固定，98处髓内固定，2处螺钉固定，结果100例163处愈合，10例20处不愈合（11%），表明内固定方式对骨愈合无影响，但钢板内固定组术后异体骨骨折发生率明显增高（P＜0.0001），内固定以髓内中央固定更具有生物学优势。20处不愈合中，18处与内固定选择及技术失误有关，认为稳定的固定有利于结合部骨愈合。15例发生骨折，主要与内固定应力集中及异体骨钻孔有关。Pelker认为异体骨段移植有两个异体骨-自体骨接合部，应力集中于两块钢板之间未被覆盖的异体骨部分，易发生骨折。Ozaki等应用内锁髓内钉加骨水泥固定异体骨，认为有利于植骨愈合、明显减少骨折等并发症。在异体骨与自体骨的结合部周围植骨，形成的外骨痂包裹骨断端，与内固定共同保持植骨的稳定性。Kumta等发现，采用骨膜袖套（或称骨膜瓣）技术可加速异体骨的愈合。但在骨肿瘤治疗中，因骨膜袖套位于截骨平面的近肿瘤端，术中必须有病理检查证实无肿瘤细胞残余。总之，机械稳定性对同种异体皮质骨板移植是非常重要的，良好的固定可以减少移植骨板与宿主骨之间的相对移动，保护由周围软组织以及宿主骨长入移植骨板的新生血管，创造有利于移植骨板再血管化的局部环境，牢固固定有利于移植骨板完成再血管化和爬行替代。一旦内固定出现问题，常导致保肢手术失败。（六）感染

同种异体骨移植既可因围手术期感染而导致植骨失败，也有引起人类疾病传播，交叉感染的危险。美国疾病控制中心于1988年报道了世界第1例因骨移植而传播艾滋病，术后4年病人死亡。为防止交叉感染必须加强对供体的筛选，只有这样才能满足临床中对骨移植材料的需要，减少交叉感染的危险。随着同种异体骨移植术的开展，医师们已经掌握了减少和避免术后感染的方法，例如手术中严格无菌操作，重视、避免异体骨植入环节可能造成的污染，植入前抗生素再次浸泡移植物，移植骨周边良好的软组织覆盖，充分负压引流等。（崔建德　缪旭东）第3节　同种异体骨移植的生物力学一、骨的生物力学（一）生物力学简介

生物力学是古老课题之一，对它的应用和研究有着悠久的历史。仅就骨力学方面来看，1638年，Galileo首先发现施加载荷与骨形态之间的关系。1834年，Bell指出骨可以使用尽可能少的材料来承担载荷。1838年Ward报道增加压缩载荷可以增加骨的形成。1852年Lud-wing论及重力和肌肉力对维持骨的质量是必要的。1862年，两位德国研究人员各自独立地报道了加压对骨生长的影响。1867年瑞士学者报道了骨的内部结构和外部形态一样，与其所承受载荷的大小及方向有直接关系。1892年，德国医学博士Wolff发表了著名的“骨转化定律”，这一法则已得到临床和试验的支持。现代心血管血流动力学对于探索诸如动脉粥样硬化、高血压、冠心病、心脏瓣膜疾病等疾病的机理和治疗方法都起到了重要作用；冯元桢先生近来所倡导的应力与生长关系的研究使生物力学研究进入到新的层次。

20世纪初期，由于科学的分化，阻碍了这门学科的发展。20世纪中叶以后，医学家和生物学家们逐步认识到力的因素对解决本学科许多问题的意义，力学家们在寻求力学的发展和应用新领域时，也注意到生物体是运用力学的广阔天地。两者的合作促成了这门新兴边缘学科——生物力学的形成。今天，生物力学已发展成为从生物个体、器官、组织到细胞乃至分子等不同层次研究生命中应力与运动、变形、流动乃至生长关系的重要学科，对于生命科学、医学科学以及生物医学工程新兴产业发挥了重要作用。21世纪国际生物力学学科发展迅速，已成为生物医学工程学科、力学学科中最优先发展的学科之一。生物力学与生物医学工程其它分支学科关系密切，是生物医学工程的重要基础性、应用基础性学科，为生物医学工程提供重要的概念、方法和手段。

生物力学是活跃在自然科学前沿的新兴边缘学科之一，是根据已经确立的力学原理来研究生物体中的力学问题的学科。是力学、生物学、解剖学等学科之间相互渗透的边缘学科，它将这些学科的基本原理和方法有机的结合起来，同时它还广泛应用了物理学、应用数学等的概念和方法。生物力学体现了近代科学的发展，它具有学科间彼此渗透、互相交叉、紧密联系的特点。生物力学具有不同的分类方法。按照研究对象可分为：生物固定力学、生物流体力学、生物工程学。根据研究结果的实际应用情况，生物力学又可分为：工程生物力学、医学生物力学和体育运动生物力学等。

骨科生物力学是以骨骼为研究对象，研究骨组织在负荷作用下的力学特性和变化规律的学科。是力学、解剖学、临床医学等有关学科结合而成的一门新兴生物力学分支。它的最终目的是剖析骨和骨骼系统的力学性质，揭示骨骼生长、发育、吸收和改建与负荷之间的关系，给出生命科学中这类力学问题的精确定量分析，为预防骨损伤、诊断治疗骨科疾患，进行骨矫形、骨移植等提供理论依据。

骨力学研究内容，主要是骨的力学特性，骨的微观结构与宏观力学效应的关系，骨的耦合力学效应，骨的生长与断裂的力学问题及骨骼生长的控制论等。

目前，研究骨力学问题，仍然依照连续体力学的传统理论和方法，即在深入研究骨组织结构的基础上，把骨抽象为一种模型化了的工程材料，把它看作理想弹性体，或看作黏弹性体等力学模型。它可以是各向同性、横观各向同性、正交各向异性，两相或多相复杂形式的复合材料。在某种特定情况下选好力学模型，是研究骨力学的首要问题，进而确定其本构关系。（二）生物力学的应用

生物力学学科作为一新兴、交叉学科，自诞生以来在欧美等国以较快的速度发展，在西方发达国家从事生物力学研究的学者、机构越来越多，今天美国几乎所有的一流大学都有机构或课题组在从事生物力学或与之有关的研究工作。生物力学学科对于探索生命科学的奥秘、解决医学学科中的疑难问题，发挥了重要作用，今天已成为重要新兴产业的人工器官（心瓣、人工关节、人工肺、植入体、医学辅助器具等）、康复工程（假肢等）、生物医学仪器等产业的迅速崛起无不与生物力学学科的贡献息息相关。事实上，生物力学学科是整个生物医学工程的先行学科之一，它对生物医学工程学科和产业的发展起到了重要的推动作用。

以心血管血流动力研究为例，心脑血管病是危害人类健康的一类重要疾病，对该疾病病因、病理的研究，以及该病的早期诊断、有效治疗、预防、康复等问题均是医学界、科学界和工程学界必须面临的任务，心脑血管病的早期病变是动脉粥样硬化，并不是所有动脉都普遍发生粥样硬化的，动脉粥样硬化往往在动脉分叉处外侧或血管弯曲处的凹面管内侧面，这些部位往往具有较为特异的血流流场特征，如低切应力区、滞流区等，力学因素是动脉粥样硬化的重要因素之一，多层次的心血管血流动力学研究（心血管系统复杂流场、浓度场计算与分析、血管建改的细胞力学、血细胞的生物力学等）将对心脑血管疾病发病机理研究作出贡献。

在组织工程中种子细胞培养需要力学环境，种子细胞复合到支架材料上去应有最适力学环境、支架材料应有相应的力学特征，应力与生长关系的研究、组织工程细胞培养装置中应力环境的设计、支架材料降解与细胞生长的动力学等都是目前组织工程领域亟待解决的问题。此外组织工程器官（如骨、血管、肌腱、肌肉、皮肤等）修补到身体上应与原有的器官存在着力学耦合问题，组织工程产品的力学评价、标准制定、过程监控等问题都是当前组织工程发展所必须面临的，组织工程中的生物力学研究对组织工程的发展具有重要意义。

生物力学对于人工器官及植入体的研究和临床应用具有重要的作用，人工器官及植入体涉及许多生物力学问题，如人工器官、植入体在植入体内后，往往面临复杂的应用（或流场）环境，其内部及周围组织内的应力分布往往较大地影响人工器官植入物功能的正常发挥、疲劳、失效及周围组织的改建，应力分析及优化是人工器官及植入物优化设计的关键之一。此外，人工器官及植入物的力学特性评测技术也是这一领域的重要问题，如何在体外建立相似于体内力学环境的实验评测系统、加速疲劳试验及人工器官和植入物寿命预测机理研究等对于人工器官及植入体的发展具有重要的意义。

此外，应力与肌、骨细胞、组织的改建具有密切的联系，这决定了生物力学在口腔正畸、修复、及骨科学中的重要作用。同时，基于现代计算机辅助设计（CAD）、辅助制造（CAM）、及计算图像识别和三维重建技术的面向病人的PISA（Personalized Implants and Surgical Aids）或CAS（Computer-Aided-Surgery）技术正在成为骨科、口腔、心血管医学和康复工程临床领域的重要发展方向，相关的软硬件系统将形成巨大的社会、经济价值。

生物力学学科的发展可以推动生物医学工程学、力学学科的发展，为它们开拓新的学科方向、新的学科内容和手段，推动生物医学工程产业的发展，具有重要的科学和社会、经济价值。（三）我国生物力学发展

我国生物力学始于20世纪70年代末80年代初。与80年代初相比，目前国内从事生物力学研究的单位数大幅度增加，其中医学人员比例逐渐增大（几近50%），年轻学者人数稳步增长；从国家自然科学基金情况看，生物力学方面的项目已越来越多地在力学学科、生物医学工程学科、以及其他医学学科中获得资助，近年来陆续设立了生物力学方面的重点项目。但是与国际生物力学发展状况相比，我国生物力学在基础研究的深度和系统性方面，在生物力学应用性研究和产品开发应用方面，在研发经费、研发条件和人才队伍水平和规模等方面均有较大的差距。值得一提的是，在国际生物力学领域，华人科学家占有比较显著的优势地位，有国际生物力学权威和顶尖科学家，如冯元祯、毛昭宪、胡流源、钱煦等老一辈科学家，以及朱承、董澄、汪宁、郭向东、袁凡等一批国际知名的年轻学者。国内外华人生物力学界已建立了密切的交流与合作，这将为我国生物力学学科的发展提供十分有力的条件。20世纪80年代以来为数不少的我国出国学习的生物力学专业年轻学者在国外逐渐显露头角，国内自行培养的具有博士学位的年轻学者已逐渐在科研第一线挑起重担，我国生物力学发展后继有人。从目前国内各有关单位的情况看（从人员、设备、环境、项目、科研水平和特色、研究生培养、论著情况等综合实力看），我国生物力学领域近年来已逐渐从人员交替、新老研究领域衔接、以及适应生物力学新趋势的较困难阶段逐渐转向新的发展时期。在保持原有学科特色的基础上，开拓了应力与生长、细胞分子力学、骨生物力学、口腔生物力学、康复工程、面向病人的计算机辅助手术（CAS）等新的研究领域，新的学科优势和特色正在形成。

伴随着新世纪科学技术的发展，可以预见，我国生物力学学科无论在基础、应用及开发性研究方面，还是在高层次人才培养方面，都将会有快速的发展。（四）生物力学基本概念

1.国际单位

生物力学属于牛顿力学范围。目前国际上的约定为SI制。长度、质量和时间分别为m（米），kg（千克），s（秒）。2

力的单位：1N=1 kg·m/s。2

压强和应力单位：1Pa=1 N/m。

力转换为牛顿：1kgf=9.80665N。2

压强和应力转换为帕斯卡：1 kgf/m=9.80665 Pa

2.连续性假说

假设任何物体都是由充满特定空间区域的质点构成，每个质点都和物体具有相同的性质。这样，物体的状态和运动就可以用一系列时间和空间的连续函数来描述。由于生物组织是由分子、原子和细胞组成，不是一个真正的连续介质，连续性假设只是一种近似。

3.应力

4.应变和应变率

物体受力后，其形状和尺寸的改变称为变形。变形后物体上的各个点、线、面的空间位置的改变量称为位移。应变是受力物体沿某个方向的变形程度。分为线应变和角应变。

5.轴向变形和弹性模量

当杆内的应力未超过材料的比例极限时，横截面上的正应力与轴向线应变成正比。比例常数E称为材料的拉压弹性模量。弹性模量E表示材料抵抗弹性拉压变形能力的大小，E越大，材料越不易变形。此定律为胡克定律（Hook's law）：σ=Eε。

6.横向变形和泊松比（五）骨的生物力学性能试验

骨的力学性质与一般工程材料很接近，可以用一般材料试验机研究其力学性质。拉伸、弯曲、压缩、剪切、扭转等测试方法与工程材料测试基本相同。这里仅介绍拉伸试验、压缩试验、弯曲试验和扭转试验等。

1.拉伸试验

力学性能是指材料在力或能量作用下所表现的行为。任何一种材料受力后都要产生变形，变形到一定程度即发生断裂，而受力变形断裂这一破坏过程是按一定规律进行的。单向拉伸时这一规律可用拉伸曲线，又称拉伸图（曲线σ-ε或曲线P-Δl）来描述（如图2-20）。材料不同拉伸图也不相同，甚至存在很大差别，这表明它们在强度、刚度、塑性、韧性等方面存在很大的差异，一些常用的力学性能指标如E、σ、σ、δ等在拉伸图上都有明确的定义。拉伸试验可以测定弹性常sb数E和μ，比例极限σ，屈服极限σ，强度极限σ，延伸率δ和截面收psb缩率等。这些指标都是工程主要依据。测量的设备为电子万能材料实验机，如图2-21见彩插所示。图2-20　低碳钢拉伸力-位移曲线（1）弹性模量E的测定

弹性模量是材料在比例极限内异应力与应变的比值。为保证载荷不超出比例极限，加载前可先估算出试样的屈服载荷，以屈服载荷的70%～80%作为测定弹性模量的最高载荷。此外，为使试验机夹紧试样，消除引伸仪和试验机机构的间隙，以及开始阶段引伸仪刀刃在试样上的可能滑动，对试样应施加一个初载荷P，可取最高载荷的10%。0（2）屈服极限σ和强度极限σ的测定sb

测定E后重新加载，达到屈服阶段时，低碳钢的受力曲线呈锯齿形（如图2-22），与最高载荷对应的应力称为上屈服极限，它受变形速度和试样形状的影响，一般不作为强度指标。同样，载荷首次下降的最低点（初始瞬时效应）也不作为强度指标。一般把初始瞬时效应之后的最低载荷P对应的应力作为屈服极限σ。因此进入屈服阶段sLs时，以试样的初始横截面面积A除P即得屈服极限。屈服阶段过后，0sL进入强化阶段，试样又能恢复承载能力。载荷达到最大值时，试样某一局部的截面明显减小，出现“缩颈”现象，表面试样即将被拉断。以试样的初始横截面面积除最大值得强度极限。（3）延伸率δ和截面收缩率φ的测定规则的圆形，应在两个相互垂直的方向上测最小截面的直径，以其平均值计算A，然后按下式1图2-22　试件尺寸及压缩曲线（4）试验步骤

①测量试样尺寸。测定试样初始横截面面积A、原长l。在试样00两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直的方向，测量试样直径，以其平均值计算各横截面面积；

②调整试验机并调整示力指针指零；

③安装试样及引伸仪，安装试样保证对中，力盘（或放大器）预调平衡；

④预拉。先把载荷加到接近测定弹性模量的最高载荷，以检查机器和仪表是否处于正常状态；

⑤加载测试并计算。

2.压缩试验

常温下的压缩试验是测定材料力学性能常用的试验方法，对脆性材料如铸铁、铸造合金、建筑材料等比较适合测定。时的力与变形曲线的关系曲线来描述。压缩试验的主要机械性能指标和单拉的指标有相同的定义。

试验步骤：

①试件准备：用游标卡尺测量试件的直径d。

②试验机的准备：将刻度盘指针调到零点，然后将试件尽量准确地放在机器活动承垫中心上，使试件承受轴向压力。

③进行实验：开动机器，使试件缓慢均匀加载，低碳钢在压缩过程中产生流动以前基本情况与拉伸时相同，载荷到达B时（图2-22b），测力盘指针停止不动或倒退，这说明材料产生了流动，当载荷超过B点后，塑性变形逐渐增加，试件横截面积逐渐明显地增大，试件最后被压成鼓形而不断裂，故只能测出产生流动时的载荷F，由sσ=F/A得出材料受压时的流动极限而得不出受压时的强度极限。但ss铸铁受压时在很小的变形下即发生破坏（如图2-22c），故只能测出F，由σ=F/A得出材料强度极限。bbb

3.扭转试验

根据国家标准，一般采用圆截面试件，标距L=100 mm，标距部分直径d=10 mm。如图图2-23　扭转实验标准试件

2-23所示。试验步骤

②试验机的准备：根据材料性质，初步估计所需最大扭矩，选择合适的测力表盘，配置相应的摆锤，测力指针调到“零点”。

③进行实验：将低碳钢试件装夹到试验机上，用“手动”对试件缓慢均匀地加扭矩，加在试件上的扭矩M和扭转角φ的关系曲线，如n图2-24所示。当扭矩增加到A点，（即M=M）时，图5中OA段为直线，np表明此阶段内载荷与试件变形之间成比例关系，扭矩超过M后。试p件内剪应力分布如图2-25所示。试件截面的外缘外处，材料发生流动形成环形塑性区，同时M-φ图曲线稍微上升，达到B点趋于平坦，这n时测力指针几乎不动，这说明塑性区已扩展为整个截面，材料发生流动，记录下此时的扭矩M。在达到M时，假定截面上各点的剪应力bs同时达到流动极限τ（理想塑性），断面上均匀分布，从而推导计算s流动极限的近似公式如下：图2-24　低碳钢扭转曲线图2-25　剪应力半径线性分布图图2-26　铸铁扭转曲线

4.弯曲试验（如图2-27）

三点弯曲应力σ、应变ε、弹性模量E的测量公式图2-27　三点弯曲试验示意图二、同种异体骨材料的生物力学特性及影响因素（一）骨的生物力学特性

骨质较硬，和许多工程材料一样，具有应力-应变关系。骨的应力分析方式与通常工程结构材料的分析相似。干骨易碎，发生劳损应变为0.4%，但湿骨易碎性相对降低，发生劳损应变为1.2%。

完整骨的骨断裂特性，很大程度上取决于组成骨组织的材料特性。完整长骨由两种结构骨组织构成（骨皮质和骨松质），骨皮质构成长骨的骨干，在骨的两端形成较薄的壳，骨松质（即小梁骨）在干骺部和骺部与皮质骨壳内面相连续，形成立体的网状骨板（bony plate）和骨柱（column）。骨小梁把骨内容积分隔成相互贯通的不同容积的孔，形成不同类型的孔状结构，骨组织分为骨松质和骨皮质是以骨孔（bone porosity）为基础。骨孔与非钙化组织占据的容积成正比，骨皮质的骨孔为5%～30%，骨松质为30%～90%。

骨松质的化学成分与骨皮质相似，这两种类型的骨组织主要的区别在于骨孔的程度。可通过测定骨组织来反应骨孔的程度，即骨密度（bone density）等于骨组织的质量（bone tissue mass）除以组织容积（包括没有钙化的组织间隙）。

1.骨皮质

实验测定表明，骨皮质的材料特性取决于骨组织负荷或变形率。一块骨组织标本，以较快的速度加载负荷时，会比缓慢受力的骨组织产生的弹性模量和极限强度大，吸收的能量也大。为了表示变形迅速的程度，人们多采用应变率（strain rate）来表示骨组织的受力过程。活性正常的骨，承受应变率一般认为低于0.01/s。但是，在创伤性骨折的应变率可超过10.0/s。骨材料的应力-应变特性取决于所应用的应变率，这种材料称之为黏弹性材料（viscoelastic materi-al），骨的弹性模量和极限强度大约与上升0.06功率（power）的应变率成比例。

骨组织的应力-应变特征，很大程度上取决于与负荷方向有关的骨微小结构的排列。不少学者证实，骨皮质在纵向（骨单位的排列方向）比横向强度较大，硬度也较强，此外，骨标本和骨单位方向垂直负荷易于发生骨损伤，易于发生碎裂，较小非弹性变形会产生屈服。因此长骨在其长轴比横轴更能对抗应力。具有弹性和强度特性的骨材料取决于所承受的负荷方向，称之为各向异性材料（anisotropic material）。

对于股骨颈而言，其应力分布特点为：由于颈干角和前倾角的存在，股骨颈在生理载荷下的受力是压应力、张应力和剪力的复合。松质骨应力特性依赖于骨密度和骨小梁结构的各向异性。显然，松质骨沿主应力方向有序排列，可避免骨小梁承受剪力，同时最大限度降低弯矩，使骨小梁处于以轴力为主的有利力学状态。Taylor指出，在单足站立时，股骨各截面上以压缩应力为主，且分布恒定，而非弯曲变形；同时可观察到股骨的压缩应力分散，并发现这种应力分散与股骨的截面几何形状有关。研究表明，压力骨小梁由股骨头周边沿压缩合力的方向下行，汇合至内侧骨皮质。股骨距位于股骨颈与股骨干连接部的后内方，是股骨干后侧骨皮质的延伸。汪金平等对股骨生物力学特性应用有限元分析表明，无论是垂直载荷还是生理载荷下，股骨颈的应力分布在小转子上方、稍偏股骨颈后方处有一个应力集中区，与股骨颈区压力骨小梁和股骨距的解剖位置相吻合，因此小转子上方的压力骨小梁和股骨距是载荷的主要承受者，且其最大应力值与垂直载荷值成正比关系。比较行走载荷与1400N垂直载荷两种加载情况可以发现，前者股骨干的最大应力值较后者大，而股骨颈最大应力值的大小则相反。这提示髋外展肌力对股骨颈的应力分布有保护作用，有利于降低应力集中。

生物力学因素在股骨颈骨折的发生机制中占重要地位，并对骨折的预后有显著影响。对青壮年股骨颈骨折患者，不管移位程度，复位和内固定仍然是一种简单、有效的治疗方法，尽管股骨头缺血性坏死的发生率相当高，但长期随访发现需要再手术的患者很少。必须强调对股骨颈骨折做解剖复位和有效固定，因为复位不良和内固定位置不佳对其预后有显著影响。目前较多使用3枚空心螺钉加压固定股骨颈骨折，呈三角形立体固定，比同一平面内的多钉固定获得更高的最大负荷值，具有很好的抗张力、抗剪力和抗旋转能力。理想的钉位是一枚在股骨颈中心，一枚通过股骨距，另一枚接近股骨颈后方皮质，使其尽量分别与压力骨小梁和张力骨小梁方向一致。Levi等指出，内固定置于骨密度最大的区域与报告的螺钉最佳位置有很好的相关性。股骨颈骨折的固定螺钉应靠近股骨距，这样比经股骨颈中轴置钉可获得更大的稳定性、刚度和载荷能力。鉴于股骨颈区的生物力学特点，其应力主要通过压力骨小梁和股骨距向远端传导。有人认为内固定的放置应与压力骨小梁的方向一致并紧贴股骨距，即在X线正位片上位于股骨颈内下方，在X线侧位片上应稍偏后。内固定与股骨的主应力方向一致，有利于股骨颈的应力传导和骨折端加压，这在使用较少的螺钉而要获得较好的固定作用时有特别重要的意义。同时，鉴于髋外展肌力对股骨颈应力分布的保护作用，尽量恢复股骨颈的长度对促进骨折愈合有益。

2.骨松质

骨松质与骨皮质之间的主要差别是骨松质有较多的孔。松质骨的结构类似于工程中蜂窝结构材料，但随解剖部位的不同有着较大差异。到目前为止，松质骨形态学描述的研究主要来自扫描电镜的资料，Whitehouse等人于20世纪70年代初做了大量的工作，其研究结果表明，松质骨内骨小梁的结构、形状、大小和连接方式随解剖部位的不同而变异。1985年Gibson阐述了松质骨的三种主要连接方式：相对密度较低的松质骨是由柱状骨小梁网状连接而构成的开放的蜂窝结构；随着相对密度增高，骨小梁变宽变厚，形成由板-板连接而构成的较为封闭蜂窝结构；介于二者之间松质骨是由柱状骨小梁和板状骨小梁网状连接构成的半封闭蜂窝结构。因此，松质骨一般被认为是骨小梁网状连接构成的半封闭蜂窝结构。此外，组织形态学和体视学研究也界定了一些特别参数，如骨小梁平均厚度、骨体积分数和各向异性百分数，定量研究了骨松质的结构。

表观密度、解剖部位及年龄相关性等因素影响松质骨材料的力学性质。松质骨作为多孔材料，其密度需要两种不同的概念来描述，一种为整个试件的密度称为表观密度；一种为骨基质本身的密度称为组织密度。表观密度是指单位试件体积中矿化组织的质量。组织密度是指矿化组织的质量除以骨髓空腔体积的骨基质体积。组织密度是关于有机质、水和矿化物的函数，它的增高主要是矿化物含量的增多。表观密度的增高则是试件单位体积内骨体积增多或组织密度增高引起3的。人松质骨的组织密度较为恒定，其大致范围为1.6～2.0g/cm；但3是表观密度的变异较大，其变化范围为0.05～0.59 g/cm。弹性模量和强度与表观密度的稳定相关性是松质骨生物力学性质研究中的重大发现。然而松质骨的生物力学性质与表观密度的精确关系仍是一个悬而未决的问题。20世纪70年代初期，Galante等报道强度与表观密度呈线性相关，此后Carter和Hayes报道了强度与表观密度呈二次平方关系，弹性模量与表观密度呈三次平方关系。但Galante的实验结果仅来自于人椎体的松质骨，而Carter和Hayes认为松质骨和密质骨是不同密度的同一类材料。他们建立模型的数据来自人、牛的密质骨和人胫骨近端的松质骨。20世纪80年代Gibson观察了松质骨的微观结构并通过理论分析认为弹性模量与表观密度呈线性、二次方或三次方关系取决于松质骨多孔蜂窝结构的开放与否和对松质骨的加载方式，圆柱状蜂窝结构弹性模量与表观密度呈平方或立方关系决定于蜂窝结构的开放与否。显然松质骨属于开放的蜂窝结构。按照Gibson的理论分析，在轴向载荷下，圆柱状蜂窝结构的强度与表观密度呈线性相关。对于不对称蜂窝结构，无论其结构开放与否，强度与表观密度呈二次方关系。该理论分析得到了许多学者试验结果的支持。1991年Linde等取材于人胫骨近端，分析了松质骨力学性质与表观密度和应变率的关系，并拟合了力学参数和表观密度的线性、平方和立方模型，发现各模型间无显著差异。其P值均小于0.0001。松质骨的力学性质与表观密度的广泛适应性，说明表观密度并不能很好地解释其力学性质的变异，其典型的相关系数范围为0.4～0.8。这些未能很好解释的变异主要来源于松质骨的内部结构，组织密度和不同的测试方法等因素。

20世纪80年代一些学者开始描述弹性模量对解剖部位、加载方向和年龄的敏感性。松质骨具有高度的不均匀性，不同学者的研究结果表明其弹性模量的变化范围可达20～500MPa。Goldstein等在人胫骨近端松质骨的研究中发现，在同一干骺端不同位置的松质骨的弹性模量相差100倍，从而证实了松质骨的高度不均匀性。其他学者的研究证实了在其他部位的松质骨也存在高度不均匀性。这些发现从侧面证实了Wolff定律，即不同解剖部位松质骨的不同功能直接影响了其本身的结构和力学性质。

Mosekilde等人对年龄与人腰椎强度和弹性模量的定量关系进行了系列报道，表明在沿椎体纵向加载条件下，20岁个体的弹性模量约为120MPa，80岁个体的弹性模量约为20MPa；即人体腰椎松质骨的弹性模量以每十年17%的速度减少，强度以每十年6%的速率减少。此外，椎体松质骨强度的各向异性也随年龄的提高而增加。对于其他部位的松质骨如股骨或胫骨近端，其弹性模量和强度随年龄的变化尚未被明确的定量表达。尽管来自这些压力试验的结果相差较大，拉力试验表明，骨松质的拉力强度和压力强度接近。此外，骨松质的弹性模量在拉力负荷与压力负荷大致相同。

骨松质的应力-应变特征与骨皮质有很大的差异，但与很多孔状工程材料类似。骨松质的应力-应变实验表明，弹性作用开始后，紧接着发生屈服，这提示骨小梁开始发生断裂。屈服之后有一持续时间较长的高峰区，造成越来越多的骨小梁断裂，应变大约为0.05%时，大部分髓腔被断裂的骨小梁充填。

拉力负荷下的骨松质应力-应变特性，与压力负荷下的应力-应变特性有显著的差异。屈服后，骨小梁进行性断裂，造成拉力负荷很快降低，低于应变水平。以骨松质完全断裂点为界，骨松质标本可分为两端，此标本既不会承受额外的负荷，也不会吸收额外的能量。尽管骨松质的拉力强度和模量与压力强度和模量相近，但是骨松质在拉力负荷下能量吸收能力明显降低。骨松质承受拉力时发生完全性断裂，随着变形增大也不会再吸收能量。而骨松质在承受压力时虽然会发生损伤，但是随着骨变形的增加，仍能够吸收大量能量，甚至超过骨皮质的能量吸收能力。

3.拉力、压力和剪力

不少实验表明，骨皮质的特性在某些方面与工程材料相似。张力和压力的应力-应变曲线由接近直线的最初弹性区组成。在发生损伤之前，这个区域紧接着为屈服和无弹性区，即“塑性”变形。无弹性的应力-应变曲线，对于纵行排列的标本来说，反映出遍及骨结构的弥漫性和不可逆的微损伤。在无弹性区域负荷的骨组织，去除负荷后，不能恢复到原来的形状。纵向弹性模量的平均值比横向弹性模量大，约为50%。

为了证实骨皮质剪力特性，Reilly和Burstein（1975）对纵向排列的方形和圆柱形标本进行了扭转试验，从这些扭转试验中，估算了骨组织的极限剪力程度，表明扭矩-位移曲线是非直线性的。圆形横断面标本的极限剪力强度，可用Nadai（1950）提出的非直线性数学方法进行计算。Reilly和Burstein（1975）测定的成人股骨极限强度的结果证实了骨组织材料的极限强度取决于负荷类型和承受负荷的方向（表2-5）。

骨标本承受的不同类型的负荷，将会产生不同的骨折类型，图2-28表明纵向排列的骨标本承受拉力、压力、旋转、弯曲以及弯曲联合压力造成的骨折类型。正常情况下，承受拉力的标本是与承受负荷方向相垂直造成的骨折类型。骨折平面所承受的应力为拉应力。纵向排列的骨标本承受拉力负荷，结果在拉应力最高的平面发生骨折。承受压力的骨标本，一般情况下在与承受方向形成斜角的平面发生骨折。这是因为承受压力的标本，斜面会产生明显的剪应力。

骨标本承受旋转负荷，证实能产生较复杂的骨折类型。骨折通常先在标本表面的小裂隙开始，然后沿标本轴平行走行，在剪应力较高的平面发生骨折。最初骨折发生后，裂隙顺螺旋方向走行，通过拉应力较高的平面，最终骨折面呈斜螺旋形，形成具有特征的骨组织旋转骨折。

骨标本承受弯曲应力时，在标本一侧会产生较高的拉应力，在另一侧产生较高的压应力，骨折类型和纵向排列的标本拉力和压力试验结果一致。横行骨折出现在承受拉应力侧，而斜行骨折出现在承受压应力侧。标本承受压应力侧，会出现两种类型的斜行骨折。发生骨折后，受压应力侧形成一松动的楔形骨块。压力联合弯曲负荷时，往往使斜行骨折程度加重。

图2-28中显示的骨标本骨折类型，与临床上所观察到的骨折类型是一致的。但是实际上体内骨所承受的负荷要复杂得多，产生的骨折类型也较多。同时，也应注意到，能量很高、应变率很快的骨折，会引起严重的粉碎性骨折。图2-28　由拉力、压力、旋转、弯曲和压力联合弯曲造成的骨折类型

4.骨折治疗的生物力学观点

所有的接骨术（osteosynthesis）都必须符合生物学和力学原则，基本的生物学原则包括：①保存骨的血液供应；②维持骨的生理和力学环境。血液供应对骨的正常塑型，防止骨坏死是必不可少的，骨坏死会降低骨组织的强度。骨的力学环境是骨塑型的重要因素之一，早在1982年Wolff从肉眼发现改变骨的结构适应于力学环境，以后在镜下也证实了这一点。

应用弹性材料固定，符合生物力学原则，允许骨端存在一定量的力学刺激，有利于骨膜骨痂形成，促进骨愈合，而不损伤血管，使骨折端的固定维持在最低限度。问题是断端间的活动度多少才能被接受。活动度大有发生肥大性假关节（hypertrophic pseudoarthrosis）的危险，牢固的内固定虽然可形成没有骨膜骨痂的一期愈合，但因应力保护和应力集中等造成骨的缺血、骨吸收和骨痂延缓塑型等问题，骨愈合并不牢固，需长期固定才使其达到牢固愈合，由于坚硬材料长期固定作用，有发生骨结构变弱、萎缩和继发性骨折的危险。

骨是坚硬的组织，发生骨折之前，所耐受的变形非常小，超过骨拉伸的断裂极限断端间应变，会造成最初形式的骨桥状骨痂断裂，骨的修复组织难以形成，因此断端间不稳定，不利于最初骨痂形成。骨的硬度能有效的防止正常负荷下的过度弯曲。骨的极限强度能防止骨的断裂。对直径30mm的骨来说，肉芽组织能承受将近40°的弯曲，纤维软骨大约为5°，骨仅能承受0.7°。骨的强度为约为钢板的1/8，比肉芽组织硬500万倍。肉芽组织的强度最低，但韧性较好，实验结果表明，肉芽组织拉伸至原来长度的两倍仍不断裂，而板状骨不能耐受大于2%的拉伸。

长骨骨折，由于长力臂的作用，易于发生骨折移位。即使通过长力臂的外力很小，也难免发生骨折移位。骨折最初形成的修复组织，不能抵抗这种力，这种力不利于修复组织的形成，或形成后很快发生断裂。如果增加骨折端横截面的外骨痂（即增加断面直径），就会增加力臂抗弯曲的能力，相对降低了骨折端的活动。

骨折在愈合过程中，骨折部位多形成大量外骨痂，初期虽钙化不好，强度不足，但提供了较高的惯矩，以补偿骨的完整性不足，是骨折部位稳定的重要因素，随着骨折愈合，骨痂钙化日趋完善，骨的强度逐渐增加，过多的骨痂被吸收，骨正常的材料特性和几何学特性才恢复正常。

机械应力和代谢活动之间的联系，多年来已有了解。原始细胞受到纯压力和纯拉力时有形成骨的倾向（图2-29）。同样的细胞受到剪应力形成纤维组织，而在各方向受到同等压力（流体静压力）则形成软骨。因此主要是纯张应力或纯压应力和其时断时续性质的应力才有助于骨折愈合。最近的观察指出，一定的活动量和骨折愈合并不矛盾，实际上小的剪应力也是许可的，但剪应力或弯曲应力超过一定的程度，将会导致骨折不愈合或假关节。图2-29　机械应力影响成纤维细胞化生为各种类型的结缔组织原始细胞（二）同种异体骨生物力学特性的影响因素

自体骨植骨在骨科临床应用已有50多年历史，其并发症发生率为8%，至今仍是临床最常用、最有效的植骨材料，但需在自体髂骨、肋骨及腓骨等部位取骨，增加创伤、手术时间及失血量，是一种“以伤治伤”的方法，因此并不是最理想的植骨术。1881年Macewen报道了人类历史上首例同种异体骨移植术。1908年，Lexer最早实施了膝关节肿瘤切除后的同种异体骨移植术，并在1925年报告了随访结果，肢体保留成功率达50%。此后，1915年Albee出版了《骨移植外科》，同种异体骨移植才逐渐被全世界的外科医生研究和应用。1942年Inclan发表“库存骨在骨科的应用”，提出骨库的概念，随着骨库的建立异体骨移植的研究和应用才逐渐活跃。20世纪60年代大量的关于大块异体骨关节移植成功的报道相继出现。80年代以来带血管、韧带、关节的复合异体骨移植、软骨移植等研究和应用日益深入，并取得了令人鼓舞的进展。

同种异体骨材料的生物力学特性取决于材料的来源及取材部位，使用前经过灭菌及一些降低免疫原性处理，可以保留材料大部分力学特性。影响同种异体骨生物力学特性因素主要是灭菌方式和保存方式等。

1.同种异体骨的灭菌方式对其生物力学性能的影响

同种异体骨取自捐献的人体骨组织，供体选定后，通常在死亡24小时内无菌条件下取得同种异体骨，并立即加工处理。自20世纪70年代末，美国肌肉骨骼组织库协会曾颁布一份“肌肉骨骼组织库要领”，目前世界各国几乎都按照这一标准选择供体、储存标本，有效地排除了潜在的严重传染性疾病等。早期异体骨移植的最大问题是疾病传播与免疫排斥反应，现代骨库技术能通过供体筛选和辐照灭菌有效防止来自骨材料的疾病传播和感染。目前，国内外骨库的异体骨的灭菌方法主要有辐照灭菌和化学灭菌。

理想的灭菌溶液必须能杀灭表面和骨间隙中的所有微生物，但又不影响骨组织的物理和化学性质，并且没有残留的毒性物质。乙醇、有机汞化合物、甲醛曾经都被用于异体骨的灭菌，但各有优缺。环氧乙烷（EO）是一种烷基化剂，通过使微生物中的核酸烷基化而达到灭菌效果。EO的有效浓度450～1500 mg/L、湿度30%～60%、温度20～60℃，经过2～5小时的熏蒸可完全杀灭各种细菌、病毒、芽孢。EO对移植骨的生物学特性有一定的影响，Thoren等研究发现大剂量的EO气体会降低未脱钙移植骨的骨传导作用。Aspenberg等报道EO对脱钙移植骨的骨诱导作用有剂量依赖关系。但Tshamala等的实验发现EO气体消毒对移植骨的骨诱导作用和骨传导作用没有明显影响，仅减慢移植骨的吸收速度。

目前常用的灭菌射线是γ射线。γ射线灭菌因其穿透力强，可以对骨移植材料进行预包装，且无残余毒性而备受骨库工作者推崇。国际原子能机构推荐的医疗用品的灭菌剂量为15～25 kGy，而病毒比一般细菌更耐辐射。众所周知，骨是骨胶原纤维和无机晶体的组合物。通常胶原纤维排列成束，弹性模量很高的羟基磷灰石晶体沿胶原纤维方向排列，由此组成了力学性质优良的复合材料。骨的生物力学特性与骨矿成分、胶原成分，及其相互作用有关，矿质化程度影响骨的弹性模量，胶原成分影响骨的塑性行为。辐照对骨矿成分没有影响，但增高了骨胶原和聚糖胺的溶解度，使骨基质纤维破坏，从而影响骨塑性行为。雷军等研究认为，γ射线辐照对骨生物力学特性的影响有剂量依赖性，剂量越大，最大载荷下降越多，25 kGy的剂量不影响骨的生物力学特性，且能灭活乙型肝炎病毒（HBV）。

Hamer等研究显示γ射线在低剂量下对骨的弹性没有明显影响，但在28kGy标准照射下，骨的强度下降64%，后来又发现通过调节水分子自由基的产生可以改变γ射线对骨胶原纤维α链的破坏，在-78℃冷冻条件下照射能抑制水分子的运动，降低自由基的产生，从而降低骨的脆性和减少骨胶原纤维的破坏。Vastel等研究发现使用30kGy的剂量对人松质骨进行照射，与对照组相比，其强度下降为2.4%。Teri A等使用50kGy的剂量对松质骨进行照射，发现材料的压缩强度及弹性模量与使用18kGy剂量时相当。秦廷武等研究发现，经环氧乙烷、紫外线、酒精浸泡和γ射线4种灭菌方法处理后，聚合物支架均可达到灭菌目的，但不同的灭菌方法对聚合物支架材料降解性和力学特性的影响存在较大差异。辐射剂量为15kGy的γ射线和紫外线照射导致支架材料降解明显；而75%酒精和环氧乙烷灭菌对其降解则没有明显影响。经各种灭菌方法处理后，支架的断裂伸长率改变较小，但经15 kGy的γ射线辐照和紫外线灭菌后，支架的最大载荷、断裂能量及抗拉强度均明显降低；而环氧乙烷和酒精浸泡灭菌处理对支架的力学特性影响较小。Campbell等研究了γ射线和人类免疫缺陷病毒（HIV病毒）的相关性，发现89 kGy才能完全灭活HIV病毒，这个剂量远远超过目前推荐使用的剂量。

2.同种异体骨的保存方式对其生物力学性能的影响

由于同种异体骨具备来源较广、解剖形态匹配、一次完成手术、有生物学活性及易于长期存储的优点，大段同种异体骨、骨关节移植成为拯救肢体的重要手段。目前同种异体骨移植的满意率在60%～80%，关节移植满意率不及50%，异体骨移植后骨折和关节面吸收塌陷的发生率较高，达到了17%～27%。其原因之一可能与异体骨的保存方式和存储时间有关。现代的冷冻技术为同种异体骨的保存提供了技术上的可行性，低温冷冻保存是活体组织保存最常用的方法之一，它一般是指在0～-196℃进行保存，虽然实验者所应用的温度在此范围内各不相同，但主要有-20～-40℃＇冰箱保存、-60～-80℃深低温冰箱保存和液氮（-196℃）超低温保存等。

1）冷冻干燥法

20世纪40年代，美国首先将异体骨在深低温下干燥，使得异体骨可以在常温下保存，方便运输和储存。异体骨在骨库中保存时，要求冻干骨含水量＜6%。其制备程序包括如下步骤：深冻、清洗、冻干、辐照。各步骤都具有降低同种骨的免疫原性，减少其免疫排斥反应的作用，冻干过程除具上述作用外，还具有骨组织降低含水量，抑制引起组织自溶和变质的自溶酶的活性，使其易于室温保存和运输等作用。冷冻干燥会使所有的骨细胞死亡，处理后的异体骨的力学强度也会显著降低。

冷冻干燥一方面使异体骨脱水，另一方面脱水的同时不可避免地造成其显微骨折。所以冷冻干燥对异体骨最直接的影响是使其生物力学性能发生不同程度的改变。刚度（或弹性模量）方面一致认为冻干使其脆性加强；强度方面有的认为冻干使其降低，也有的认为，抗压强度和抗张强度几无影响，而抗弯和抗扭强度明显减弱，其中尤以抗扭强度降低最多。Nather等比较了深低温冷冻（-80℃）和冷冻干燥处理对大段皮质骨的力学强度影响，发现6个月后，低温冷冻组强度下降了26%，而冷冻干燥组强度则下降了88%，所有实验组中，冷冻干燥组强度都显著低于深低温冷冻组。

同种异体骨生物力学特性在异体骨移植尤其是异体大段骨移植成功方面具有重要作用。如果其生物力学特性遭到破坏，移植后的骨很可能塌陷或断裂。所以，如何恢复或尽量减少冷冻干燥对异体骨力学特性方面所造成的破坏，从而最大限度地保证异体骨移植成功，一直是临床关注的问题。有研究者认为骨移植前对冻干骨进行复水是恢复其力学特性较好的措施。研究表明：复水1 h后，弹性模量恢复；4h后，屈服应力和极限应力恢复；8h后，极限应变恢复。然而，即使是复水24 h后，塑性模量仍不能恢复到正常水平。并且复水24h后，冻干骨应力-应变曲线仍高于获取于50～60岁供体的非冻干骨的曲线。可见复水只能使冻干骨的部分而不是全部力学特性得以恢复。因此，在骨腔充填和脊柱融合方面，可以考虑使用小块冻干骨，但在大段骨（massive bone）尤其用于负重部位的大段骨移植方面，考虑到冻干过程对其生物力学特性的影响，建议临床最好选用深冻骨。

2）深低温冷冻法

Bush和Wilson在1947年独创性地发展了低温异体骨储藏技术，他们将异体骨长期保存于-20℃，这是最早的骨库雏形。新鲜冷冻骨在-20℃条件下储存不会减弱其力学性能而且能储存1年左右。低温冷冻保存使得细胞能长期保存而不丧失活性，其原因在于细胞内一切新陈代谢过程中的化学反应被低温所抑制，当温度降到一定程度时，细胞内所有化学变化也就处于一种“暂停”状态而使细胞得以长期保存；低温保存的细胞以一定方式复苏后，又具有存活能力。此外，低温冷冻处理后能降低抗原性，从而减轻免疫排斥反应。原因可能为低温冷冻选择性的除去或减少了过客淋巴细胞或者使过客的白细胞丧失免疫刺激能力，从而导致抗原性降低。为了减少冷冻保存时的冻伤，降温与复温速率的选择是一个关键，此外也可加入特定的防冻剂。Curtiss等研究发现，深低温冷冻可以降低异体骨的免疫原性，减少免疫排异的发生率，Stevenson等发现在动物体内移植骨的免疫原性与其生物愈合程度成反比，而通过冷冻处理降低异体骨的免疫原性有利于移植骨的愈合。目前推荐使用的方法是深低温保存，在深低温（-80℃）状态下，酶的活性基本消失，酶对骨的破坏最小，胶原酶处于静止状态，对降低免疫原性有一定的作用，而且力学强度基本保持不变，这样的异体骨可保存数年。Pereira等对胫骨分别经过-70℃和-150℃冷冻并复温后测量其抗扭强度，发现冷冻前后均无明显改变。Kang等分别测量了牛胫骨条5次冻融后多个力学性能参数，未发现明显改变。杨克强等将深低温冷冻存储1年和7年的腓骨皮质测试其极限弯曲强度极限压缩强度和弹性模量，发现1年和7年的腓骨皮质极限弯曲强度差异不显著。王金成等从骨库骨的生物力学特性比较表明，冷冻骨的抗压强度和最大应变值接近新鲜骨。Pelker等将大鼠骨骼分别在-20℃、-70℃和-196℃3种不同温度下冷冻后，测试长骨的抗扭强度没有发生改变。张朝春等以15%二甲基亚砜（DMSO）为低温保护剂，采用两步冷冻法，对SD大鼠股骨进行-196℃深低温冷冻不同时间后，发现实验组压缩强度与对照组没有明显差异，但股骨抗折挠度随冷冻时间延长而显著减小，表明骨的脆性增加。超深低温保存在降低骨的抗原性的同时，随着保存时间的延长，骨的力学性能有细微的变化，但还不至于影响临床使用。因此，缩短超深低温保存时间，有利于最大限度保留骨的力学特性。

深低温冷冻法对移植骨的生物学性能和生物力学特点无明显影响，是要求保留软骨活性的同种异体骨，关节保存的首选方法，同时也适用于各种移植骨材料的保存。冷冻干燥法便于保存和运输，常用于制备骨钉、骨条等，但它影响移植骨的强度，所以不适于需要承重的移植骨的保存。因此，根据同种异体骨材料的应用目的，合理选择保存方式，以保证其生物力学性能。三、同种异体骨移植后的生物力学特点及影响因素

异体骨有较强的骨传导作用，但骨诱导作用较弱且没有成骨潜能，因为其不含活细胞成分。处理和保存技术对移植骨的骨诱导、骨传导和抗原性均有重要影响。目前异体骨主要作为骨传导和爬行替代的支架。异体骨一般分为小块骨和大段骨。小块异体骨主要由松质骨构成，多用于骨腔充填，与自体骨相比，它缺少活细胞，成骨较慢，优点是数量与部位不受限制，可以避免取自体骨伴随的各种并发症。大段异体骨主要由骨干皮质骨和骨关节构成，多用于骨肿瘤保肢术，与假体相比其强度不高，但可以达到骨性愈合。为了发挥自体骨的成骨活性，在使用小块或大段异体骨时应尽量利用已凿下的自体骨碎片将其掺入异体骨或置于接骨断端以利于骨愈合。在植入小块骨后极少发生免疫排斥反应，但大段骨的排斥现象目前还没能完全解决。与发达国家相比，我国骨库发展相对滞后，异体骨移植尚未普及，目前我国异体骨年用量不足美国的1/20。

临床上，进行同种异体皮质骨移植的目的一般为提供结构上的支持，移植后的同种异体骨在特定的生物力学环境中承受复杂的载荷，有些移植骨在术后早期就承受较高的载荷。同种异体松质骨移植常用于充填尚保留一定支撑能力的骨缺损，植入后较少承受较大负荷。但在某些情况下，如人工翻修术中髋臼缺损的修补，以及脊柱骨融合时，植入的松质骨也会受到较复杂的载荷作用。因此在临床应用的时候要充分考虑异体骨的生物力学特点，这是保证手术成功的关键。影响异体骨移植后生物力学特性的因素有诸多种，如移植骨原有的力学强度，移植骨和宿主骨融合过程中的力学性能变化，移植骨适应新的力学环境的能力，移植骨宿主骨结合面的设计，以及适当的生理载荷的刺激等。

同种异体皮质骨植入后，其力学强度会有一个明显降低的过程，然后再缓慢回升。这种变化是和同种异体皮质骨移植后的生物学变化过程密切相关的。一般认为，同种异体皮质骨植入后，创伤反应和异物刺激触发了宿主的修复机制，首先是单核-巨噬细胞系统来源的破骨细胞出现，在骨内形成大量的吸收腔，皮质骨的边缘也被侵蚀，这时也开始有成骨细胞在吸收腔表面呈贴覆性生长。但比较而言，破骨细胞的活动占据优势，导致骨的孔隙率逐渐升高，骨密度值逐渐下降。当骨内的吸收腔扩大到一定程度，破骨细胞活动逐渐减弱，成骨细胞活动增强，骨形成阶段开始，大量新骨沉积在吸收腔的周围，降低了骨的孔隙率，增加了骨密度值，相应的，移植骨的力学强度逐渐回复。

从生物力学的角度来讲，大段骨移植应符合下述原则：①固定要牢固，在骺端和干骺端植骨最好使用钢板螺钉，对长骨骨干应选用髓内钉，可通过阶梯截骨防止旋转；②尽量避免使用螺钉，它会因应力集中导致骨折；③异体骨复合假体时可使用骨水泥固定，但不要把骨水泥注入到宿主骨与移植骨断面之间；④尽可能在骨接合部位植入钳碎的自体骨以促进骨愈合；⑤将肌腱韧带软组织以适当张力牢固连接到植入骨上，以保持关节稳定性。

大量的基础和临床研究表明，冷冻同种异体骨具有良好的骨组织结构、形态、强度、骨诱导能力和较低的免疫原性以及与宿主骨有较强的愈合能力等优点，已成为修复大段骨缺损的良好材料。同种异体骨移植被替代的程度与移植骨的性质和大小有关，较小的松质骨容易被完全替代，而大段皮质骨则替代困难。Enneking等研究发现，移植的皮质骨与宿主皮质骨愈合缓慢，两者间主要由宿主皮质骨来源的外骨痂连接；而移植的松质骨与宿主松质骨的愈合较快，主要由宿主骨的内骨痂连接。移植骨内部修复替代十分缓慢，而且主要发生在移植骨的浅表和两端。大段异体骨移植2～3年后仅有20%能被新骨替代，且异体骨关节软骨变性坏死和骨端骨吸收较早，易导致骨折、关节塌陷和骨性关节炎，从而影响异体骨关节移植的效果。国内外的研究表明大段同种异体骨关节移植的并发症可高达53%～55%，主要表现为骨关节炎、骨折、骨端吸收、骨不愈合和感染，但超急性或急性排斥反应较少。单独使用大段同种异体骨关节移植修复股骨大段骨缺损术后最难解决的并发症不是早期的感染、急性免疫排斥反应和异体骨与宿主骨间愈合的问题，而是后期异体骨的成活、异体骨端吸收和骨关节炎。因为前者可以通过规范手术操作、对异体骨及对宿主植骨床正确的处理来解决，但后者目前尚无有效的解决方法，这也是影响大段同种异体骨关节移植术后关节功能恢复的主要因素。到目前为止，大段骨关节缺损的修复重建仍是国内外学者研究的热点和难点。

含有丰富网眼的松质骨与皮质骨不同，不需经骨吸收生成网眼即能使新生骨直接在骨小梁表面爬行覆盖，并逐渐吸收和重建。X线表现与皮质骨移植亦不同，为骨密度增高。小块骨通常制成不同尺寸的骨碎块和松质骨条，冻干后辐照，便于室温保存，植入前应复水。小块骨多用于骨囊肿、纤维结构不良和巨细胞瘤刮除后腔性骨缺损的填充。常需在骨壁支撑窗口以保证彻底摘除或刮除，必要时可使用磨钻，对侵犯局部的巨细胞瘤需要越过边缘，例如使用电热烧灼瘤壁或使用化学药物进行处理，冲洗后紧密充填植骨。若有关节面塌陷的可能，可以同时构筑皮质骨柱进行支撑。小块松质骨还常用于支撑关节面，如塌陷的胫骨平台和跟骨骨折。上述这些部位均含有大量松质骨，植骨床血管和成骨组织丰富，容易通过骨传导达到骨愈合，极少出现严重的免疫排斥反应。

松质骨由于其自身的多孔结构，通过以前的髓腔可迅速再血管化，同时伴有原始干细胞的进入。干细胞在血小板源性生长因子（PDGF）和血管内皮细胞生长因子（VEGF）等的诱导下，可分化为成骨细胞。这些成骨细胞沿以前的骨小梁表面沉积类骨质，再矿化成骨。这个过程必然伴有骨密度值和平均骨小梁厚度的增加。小梁骨的坏死核心通过破骨细胞的活动被吸收，而且先期形成的骨可以阻止后期骨吸收所致的力学性能下降，而不出现皮质骨移植后暂时力学性能降低的现象。最后，适应生理载荷的需要，在骨沉积和骨吸收之间达到平衡，完成骨的修复与重建。

近年来，全髋关节翻修的病例不断增多，大量小块松质骨被用于骨缺损后的充填固定，称为填塞植骨。填塞植骨的理论基础是：碎骨破碎产生大量折断表面，使骨内生物活性物质得到释放；填塞可以改善植入骨的骨传导性能，使植入骨承受的负载加大，能够早期负重以促进成骨。

构成移植骨-宿主骨复合体力学强度的要素除移植骨自身的力学性能外，还有移植骨-宿主骨界面间的连接强度。有研究指出：宿主骨-移植骨界面间的连接同骨折愈合的过程一样，即随着界面处骨基质形成和矿化沉积，其结合强度迅速提高。这里需要进行移植骨-宿主骨结合面的处理以获得较高的初期稳定性。理想的骨接合面处理需要：①增加接触面积，以使骨传导成骨面积扩大，同时增加接合端的稳定性；②接合端摩擦阻力，提高移植骨段的抗旋转能力；③更容易在接合部形成皮质外骨桥。目前在大段骨重建术中骨接合端截骨形态多采用横形截骨，有些作者亦采用阶梯形截骨。也有研究认为在设计大段骨移植骨接合端时，采用“V”形30°角的处理方案，具有良好的接触面和可靠的稳定性，经髓内钉固定，能提供这类骨结合更好的初期稳定性。保持骨折局部的稳定有利于骨长入，实验和临床经验表明，宿主骨-移植物界面固定牢靠并保持稳定，即可以获得快速愈合。（南开辉　裴国献）第4节　吻合血管同种异体骨移植的相关基础研究一、吻合血管同种异体骨移植的早期研究

1969年Reeves首次报道吻合血管同种异体骨移植（vascularized bone allotransplantation,VBAT）实验研究，他对5只狗行吻合血管同种异体全膝关节移植，术后应用免疫抑制剂硫唑嘌呤（Aza）和羊抗狗抗淋巴细胞血清。术后有2只狗的移植物血管通畅、功能恢复。术后第24周的胫骨上段组织切片检查仍显示正常的组织结构。近10年来有关VBAT已有较多报道。Yaremchuk等施行吻合血管同种异体兔膝关节移植实验证明Aza和泼尼松（Pred）以及放射治疗不能有效抑制排斥反应。Moore等1984年对35条杂种狗进行吻合血管自体或异体骨移植，术后采用或不用Aza免疫抑制治疗的分组实验表明，自体骨存活良好，异体骨均在2～3周内坏死，说明血管吻合技术可保证移植骨的血管再通，而Aza并未提供有效的免疫抑制；并且认识到VBAT与其他实体器官的移植相比，必须更强调免疫抑制治疗的安全性。这是VBAT的特殊性，因为骨缺损本身不会危及生命，而免疫抑制治疗却有较大的副作用。二、吻合血管同种异体骨移植与免疫抑制剂

随着环孢霉素A（Cyclosporine A,CsA）在20世纪70年代末的问世，VBAT研究取得较大进展。1984年Siliski等使用CsA作免疫抑制剂进行吻合血管同种异体兔膝关节移植。对照组2～3周均发生血管栓塞；成兔实验组存活至100 d，经组织切片检查无排斥反应；幼兔组存活至90 d，亦无排斥现象，说明吻合血管同种异体骨骺移植亦是可行的。

1994年Shigetomi等的实验结果证明，行VBAT在骨愈合前停用免疫抑制剂会导致骨不连的发生。1995年Muramatsu等设计吻合血管同种异体鼠膝关节移植，实验组CsA使用4～6周，停药后，排斥反应延迟2～3周发生，所有移植物均被排斥，虽然已达到了骨连接，但仍被病理性骨折逐渐破坏；持续使用CsA组没有出现排斥反应并且有功能恢复，但到12周时全部死于CsA的副作用。持续使用CsA可保持移植骨的成活，但对一个接受骨移植的病人来说，长期的免疫抑制治疗意味着过高的风险，从而限制了VBAT在临床应用，所以期等着更安全的免疫抑制剂的出现。

1987年Randolph等使用吻合血管同种异体大鼠膝关节移植实验，发现持续使用CsA可抑制强组织相容性差异组（major histocompatibility barrier）的排斥反应，而短期使用CsA即可有效阻止弱组织相容性差异组（weak histocompatibility barrier）的排斥反应。在使用组织配型技术控制供受体组织相容性差异的前提下，短期使用CsA可以使吻合血管同种异体移植骨长期存活，这是对临床应用比较有利的发现。

1998年Doi等对吻合血管同种异体杂种狗骨干移植进行了短期CsA免疫抑制治疗的研究。经3个月的免疫抑制治疗，移植骨达到愈合的过程与吻合血管自体再植骨相同，无免疫抑制副作用发生。终止免疫抑制1周内，吻合血管同种异体移植骨即失血管化，但以后仍保持了骨连接，在5～14个月中，影像学检查显示移植骨无硬化及骨折。组织学检查显示移植骨两端被受区的新生骨所替代。由此Doi得出结论，短期CsA免疫抑制治疗可保证吻合血管同种异体骨干移植获得骨连接；CsA停药后，虽然移植骨因血管排斥反应继发坏死，但其骨结构能保持完好直到新生骨从两端爬行替代。

VBAT行短期CsA免疫抑制治疗的实验结果可令人谨慎乐观，虽然关节移植仍无进展，但骨干移植则显现出应用的可能性，即短期免疫抑制治疗实现骨连接，然后停止免疫抑制治疗。但是如Doi所描述的，达到完全愈合仍须经历死骨的修复过程，使它带上了死骨移植的缺陷。一些新的免疫抑制药物如FK-506、Rapamycin、15-deoxyspergualin等，其抑制机制各不相同，它们在VBMT的应用效果尚有待实验观察。三、吻合血管同种异体骨移植与免疫调控

为减少VBAT的伴随风险，人们在选择安全的免疫抑制药物、探索新的免疫抑制治疗方案之外，也进行了免疫调控方面的尝试。主要包括降低供骨的免疫原性和降低受体的免疫敏感性两方面的工作。

1990年Gonzalez等对供体全身放射治疗，试图减少骨髓及内皮来源的免疫活性细胞数量，降低供骨的免疫原性。实验结果全身放射治疗只将排斥反应推迟1～2周，且排斥反应强度与无放射治疗组无明显差异。Lee等1995年的实验设计则分为供体全身照射和移植物照射两组，供体膝关节术前即时照射对排斥反应无影响，而供体术前全身照射，明显延迟了排斥反应的发生，他认为供体全身照射是异体移植物成活的有利因素。胡汝麒等1994报道深低温保存带血管异体骨移植实验，免疫排斥反应被较好控制，且移植骨血供丰富；但组织切片观察到移植骨中骨细胞缺失的现象，移植骨的活力受到影响。

值得关注的是，与放疗杀灭供体免疫活性细胞相反，有实验报道向受体引入供体血液或骨髓实现造血细胞嵌合（hematopoietic chimerism）以诱导供体特异性耐受（donor-specific toler-ance）。移植免疫耐受可实现接受移植物的同时保持机体的正常的免疫功能，对VBAT而言，实现免疫耐受即可得到一个合理的利益-风险系数（risk-benefit ratio），突破临床应用的瓶颈。

2000年Butler等对新生Lewis大鼠静脉注射BN大鼠骨髓悬液，注射第10周，观测Lewis鼠周围血中BN细胞的出现率。第12周Lewis鼠接受BN鼠的带血管膝关节移植。Lewis鼠同系移植作为阳性对照组以确定移植物的存活；未接受骨髓注射的Lewis鼠接受BN鼠的带血管膝关节移植作为阴性对照组以确定受体本身的耐受性。术后30 d阳性对照组全部存活，阴性对照组全部排斥。实验组17个移植物中10个存活，BN细胞外周血嵌合率存活组为（3.31±1.9）%，排斥组为（0.75±0.5）%。新生大鼠异体骨髓注射能够使其成年后实现吻合血管的同种异体骨在无免疫抑制条件下存活，这无疑是VBAT研究巨大的进展。

谢昀、陈振光等对日本大耳兔吻合血管同种异体大段股骨干移植术后不同时期进行X线和组织学切片检查，并对不同组织器官进行性别决定因子Y（Sry）半定量聚合酶链反应（PCR）分析。结果发现实验组在术后不同时期的X线及组织学表现为典型的骨折愈合模式；对照组X线及组织学表现为密度增高的移植骨被大量骨痂包绕，以及畸形愈合等排斥反应征象。Sry半定量PCR分析显示，实验组术后器官组织的微嵌合发生率及嵌合率明显高于对照组，且随术后期的延长而增高。从而得出结论，吻合血管同种异体骨移植术后，受体的一些器官组织存在着微嵌合现象，且微嵌合发生率与受体对移植骨组织相容性呈正相关。

此外，近年来出现一种以实现骨髓移植为目的VBAT。这种骨髓移植模型比传统细胞输注式骨髓移植有较多优势，例如提供同源微环境、携带各期血液细胞、持续释放供体骨髓细胞，因而也作为实现造血细胞嵌合诱导免疫耐受的一种手段。四、吻合血管同种异体骨移植的应用解剖学研究

随着VBAT免疫学方面的不断进展，进行临床实践的要求也越来越强烈，必须有详实的应用解剖学资料提供应用支持。陈振光等从临床应用解剖学角度，按照人体结构的规律和特点，提出了数种人体吻合血管的同种异体骨供区的设计原则。在对供养肱骨、桡骨、股骨和胫骨的滋养血管进行观察的基础上，设计了肱骨上段、肱骨中段、桡骨下段、股骨中段、胫骨中上段供区，可满足大部分长骨大段缺损的治疗需求（如图2-30（1）～图2-30（4））。由于长管骨由知名滋养血管供血达50%～70%，因而这些供区的血管蒂选用滋养血管或携带其主干支血管以保证血供。图2-30（1）　肱骨上、中段滋养血管示意图（前面观）图2-30（2）　桡骨下段滋养血管示意图（后面观）图2-30（3）　股骨中段滋养血管示意图（后面观）图2-30（4）　胫骨中上段滋养血管示意图（后面观）

目前肾脏、心脏等的同种异体移植已在临床广泛应用，VBAT的开展仍困难重重。实际上，在与肾脏、心脏移植相同的技术平台上，可以实现吻合血管同种异体骨的长期存活。但与脏器移植以挽救人体生命相比，人们不得不考虑VBAT的利益-风险系数。现行的异体移植后的免疫抑制治疗伴随着长期的排斥反应、机会感染、淋巴瘤、白血病的威胁。而VBAT面临“用一种有潜在生命危险的手术去治疗一种非生命危险的疾病”的处境。这要求它必须最大程度地降低风险。但VBAT也有其优势，因其不带皮肤，引起的排斥反应程度相对缓和；而VBAT并非挽救生命的弱点，同时亦允许相对容易地去除吻合血管的同种异体骨，使VBAT具有成为器官移植领域领先者的潜质。现行的短期免疫抑制治疗在吻合血管同种异体骨干移植实验中获得了初步成功，进行临床应用仍有待完善。行VBAT可以有较多的时间等待，MHC匹配应该严格执行。目前关于诱导免疫耐受的研究较多，如何诱导骨移植免疫耐受以及伴随骨移植的骨髓究竟扮演何种角色仍有待探讨。吻合血管的同种异体骨带有韧带、肌肉、神经，它们的预后又如何。VBAT在临床开展的起点较高，得到合理的利益-风险系数，实现吻合血管的同种异体骨安全成活并保持运动功能仍有待实验研究突破性的进展。（裴国献　陆海波）参考文献

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同种异体骨保存的研究，是在骨移植临床与植骨成骨机制的研究中发展起来的，1880年Macewen完成了同种异体骨移植后不久就已经开始。由于当时认为成骨主要依赖骨膜，因此首先研究骨膜保存，后来才是骨和软骨的保存。1910年Bauer首先采用4～10℃冷藏，可以将骨保存3周。1948年Bush开始采用-25℃，近年美国组织库协会（AATB）推荐的温度是不得高于-40℃，当前多数骨库使用-80℃。显然，采用的温度取决于当时可以得到的冷冻设备和要求保存的时间。骨的冷冻干燥技术是1950年美国为处理大批朝鲜战争伤员在海军组织库建立的，因其可以实现室温保存而成为现代骨库的重要保存手段。1960年后由于工业辐照装置的建立和医疗用品辐照灭菌的应用，辐照技术很快成为组织库和骨库产品灭菌的主要手段。

在骨保存技术逐步发展中骨库逐步完善。通常认为，真正的骨库最早是1942年Inclan在古巴哈瓦那报道的。他保存的实际是剩余的自体骨，在2～5℃下最长保存63天后回植。现代骨库的开端应该是由美国医师George Hyatt在马里兰州建立的海军组织库，当时采用无菌获取不进行二次灭菌。它的创造性贡献在于将第二次世界大战期间用来储存血浆的冷冻干燥技术应用在了骨的储存上，经冷冻干燥的异体

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