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小动物物骨科生物力学的研究进展
来源:未知 |发布时间:2018-04-28 10:56|点击:次
       小动物骨科生物力学的研究进展使得骨科学和复健医学等临床医学有了显著的进步,临床医师得以运用相关的技术和小动物外科器械治疗罹患骨骼肌肉系统疾病的病患。至今此方面研究仍以西方国家为领先,国人各领域的专业学者相当多,且各位学者的研究能力足以和欧美学者相比。为了切实解决国人骨骼肌肉系统方面疾病,需要更多华人宠物骨科专家与生物力学专家投入此专业研究。本文概要叙述骨科生物力学的硏究进展,希冀可吸引更多对骨科生物力学感兴趣的学者共同研究。
       宠物生物力学研究已有相当久远的历史。宠物生物力学是由生理学和工程学的结合来解决生物体相关临床问题的研究学科,强调在临床诊断、治疗和疾病预防为主的应用。其包含的领域相当广泛,微小至细胞,大到组织、器官或是动物体中部分系统的运作功能等,皆为生物力学研究的重要范畴。
        宠物骨科生物力学的研究为生物力学领域中相当重要的分支。其以骨骼肌肉系统的研究为主,基础科和学涵盖了流体力学、静力学、动力学、生理科学、解剖学和其它各相关专业领域。近40年来,随着小动物骨科生物力学的进步,宠物骨科外科手术具有相当显著的进展。前人对于骨科生物力学的运用,开始只是单纯运用力学概念,制造省力或是符合肢体使用的工具。但随着人类对于骨骼肌肉系统的功能和解剖学的了解,骨科生物力学大大提升了在临床骨科的运用,尤其在著名的专家John Charnley成功发明全人工髋关节和 Insall发明人工膝关节后,整个骨创伤手术的进步已延伸出另一个创新领域。此外,在其它相关工程人员的努力下,协助各式小动物骨科器材的设计、开发及各种辅助诊断的仪器问世,目前已可利用计算机辅助技术和显微手术的先进科技来增加手术的效率和准确性。小动物骨科生物力学对于骨科手术进展相当重要,相信此学科以后的发展仍在小动物骨科手术中扮演着重要的辅助地位。由于骨科生物力学所涵盖的运用层面相当广泛,本文主要简单描述骨科生物力学过去的研究进展,并且概要性的阐述未来发展方向。
        早期宠物骨科生物力学的运用为发展适合人体使用的工具或农具改良,使得小动物骨科器械的使用可以安全和省力。此为骨科生物力学原理运用的基础山。第一本有系统描述的著作为达文西1452-1519)所提出的 Kotes on theHuman bod》。之后伽利略和牛顿相继以实验和理论基础建立肢体运动方面分析,使此方面的进展具有科学根据。而随后伽利略的一位学生 borelli g608-1679)结合数学、物理和解剖等相关科学才得以处理生物力学方面的问题。18世纪的重要科学家包括白努利、尤拉,特别是库伦等科学家尝试用数学模式建立合理的方程式,决定人类最佳化的工作能力,如力量的效能、速度和作用时间等。直到1881年科学家泰勒使用科学测试方式来成功改善人类的运动效能后,此方面的研究成果渐趋成熟。1914年Amar这位者回顾了许多文献,撰写一本相当有名的书The human motor》。到了1926年 Bernshtein发表具示范性的重要著作I Biomechanics》成为当时相当卓越的参考著作。相关的生物力学研究在第一次世界大战后,法国Amar和德国 Schlesigner等科学家,修改研究主题并着重在改良假体设计构造。二战后美国开始进行类似研究使生物力学有了显著的进步。随后在欧洲wolf等知名学者进行的杰出研究诱发了近代骨科生物力学的研究热忱并且成为重要研究基础。
       自20世纪60年代开始,生物力学方面研究开始细分成不同的领域,大致可分为骨科矫正、肿瘤处置和复健科学等领域。如此使得原本复杂度高的科学区分成数个专业领域,使得骨科学研究得以更深更广。此外研究人员可经过更专业的训练,帮助其以专业的工程知识、力学和数值分析等方法作为研究基础。小动物骨科生物力学需要良好合作关系,必须有专业临床医师和工程人员共同合作才能解决各项棘手之临床问题。近来骨科生物力学研究内容,诸如:①肌肉系统的的力学表现,②各关节的结构认识与功能性评估,③腱与韧带的生物力学,④关节软骨的双相性biphasic property)的探讨以及对于关节润滑的机制了解,⑤骨折修复与重新塑造在力学受力的影响机制研究等。这些基础研究在近几年已被广泛研究,并且已有许多著作将之归纳整理124。这些著作已成为临床骨科、复健医学和骨科生物力学等人员在学习或诊断治疗中的重要参考依据除了这些基础的研究外,在相关人员的努力下研发出许多重要的研究工具,包括运用数值方法的最佳化分析、有限元素分析法软件和计算机仿真和超音波等研究工具发展,使得生物力学研究人员可以用更精确且快速的方法来测量复杂的骨骼肌肉系统的力学表现。由于相关的研究人员相当多,在此仅以几个回顾性文章作为介绍。 Anderso等人sl以逆向工程方式搭配最佳化方式解决人体中多余的未知数,以寻找骨骼肌肉系统的受力情况。 Huiskes和 Hollister两位学者[61回顾100篇相关文献皆以有限元素分析方式在骨科生物力学方面的研究,对大至器官、小至细胞的力学性质进行分析。 Prendergast等人11亦提出使用有限元素法在骨科植入假体的力学分析,甚至可模拟骨适应作用的过程。MaⅤlia等人181回顾许多以超音波技术在骨科学中的运用包括骨质强度评估和诊视骨质断裂处等。
       近年来科技的进步带动骨科生物力学的研究成果,随着相关辅助仪器的问世,计算机的运转速度增加和可信性高的软件运用,骨科生物力学研究已经相当快速,加上计算机仿真技术的进步和创新研发,未来将可取代困难的动物试验或临床试验。
       传统骨科学的发展需要结合各专业领域的研究,不仅需要生物力学专家,还需有生物材料、生物化学生理学、分子生物和药理学等专家共同研究才能发扬光大。而先前所提及的研究皆以巨观探讨,以力学角度使产生形变的骨恢复正常位置或以假体植入物取代破坏面来治疗,但在骨骼肌肉系统中,常见的是退行性关节炎与骨质疏松。在临床上的治疗,最终仅以人工假体置换来恢复关节的功能。不管假体的设计如何完善,仍有许多限制,例如人工假体在使用上所产生的磨损问题亦为导致假体破坏的原因之一。除了假体破坏需要再次翻修外,其磨损所产生的微小颗粒会刺激人体免疫系统,活化破骨细胞引发骨溶蚀反应,造成组件基座的骨质流失而加速人工关节损坏。为彻底解决此一问题,除了骨科生物力学专家可研发更理想的人工关节外,另一个方法即是以病因学角度进行研究,预防关节病变发生。因此骨科生物力学相关研究中的另一分支即在进行细胞、基因层次的力学表现研究,对于力学刺激、细胞的功能及活性,希望藉由一系列的研究,除了能对细胞特性了解的更加透彻之外,亦能理清细胞在受力后的调控机转,并寄望将来能将此结果应用于临床医疗上,藉由骨骼生成与吸收作用间的调控,促进骨折的愈合或改善骨质疏松症等常见的骨科临床疾病。相关的概念早在公元1892年, Julius Wolff已经发现骨骼的结构会随着其所承受力量的不同而发生变化,他认为骨骼的生长会受到力学刺激影响而改变其结构,即所谓的 Wolff定律”。公元1964年, Harold frost发现
骨骼具有再塑性,藉由骨吸收作用及骨生成作用间巧妙的动态平衡,进行骨骼组织的代谢,以维持骨骼的结构与力学强度。目前的相关研究中, Kaspar等人9致力于研究力学刺激对于人体干细胞分化的影响,发现力学刺激可促进体干细胞分化成为骨母细胞并促进骨母细胞的增殖。此外,力学刺激亦能影响骨母细胞及骨细胞的活性;若增加力学刺激,则可促进骨母细胞对于生长因子、骨生成蛋白与骨骼生成相关蛋白质分泌量增加。Ko等学者I10证实细胞骨架在力量中传递扮演非常重要的角色,能将力量藉由细胞骨架迅速的传导至细胞内的各个部位;由于细胞骨架亦有进入细胞核,近年来有学者针对细胞骨架在受力后对于基因调控的影响进行研究。
       除了骨受力影响外,对于关节软骨受力刺激也会影响,亦有许多生物力学专家针对软骨细胞进行研究。目前所知力学刺激对于细胞的活性有极大的影响,当细胞处于正常生理状况的力学刺激下,细胞能维持其细胞外基质处于最佳状况。适度增加力学刺激,如增加力量强度或施力频率,则可促进细胞外基质的分泌;反之,若减少力学刺激则会降低细胞的活性;但是过低或过度的刺激则会造成细胞的死亡Wong等人Buschman研究,12,当软骨细胞受到正向静力持续加压时,会抑制细胞分泌胺基醣及蛋白醣的能力;若是细胞受到正向力反复压缩时,反而会刺激分泌胺基醣及蛋白醣的能力:但是,若施力的频率太低0.3Hz)会抑制软骨细胞的合成活性,在施力频率1Hz、持续48}h状况下,则会增加合成能力达40%以上。在0.3~3Hz的力,则能刺激细胞分裂能力增加50%~80%; Loening等人131研究提出静力对细胞的增殖与分泌胶原蛋白的能力并无帮助。
       相关的生物力学研究议题相当多且广泛,生物力学在宏观或微观下皆有学者专家进行研究,但不管哪分支皆有困难的瓶颈需要突破。譬如说巨观的研究方面,计算机仿真分析常需要透过简化来分析,但无法模拟活体、分析实际的结果,此还需要再进一步研究。而微观的细胞受力分析,虽证明力学刺激对于细胞的活性影响,但细胞是如何将物理的力学刺激转换为化学反应,并能精确的调控基因及蛋白质的表现,目前仍不清楚。此领域要实际运用在预防关节病变仍需要接受各项挑战。这些宏、微观的研究都还有很远的路必须继续探索。迈向21世纪之信息爆炸时代,对于广泛骨科生物力学的问题,不再是单一领域研究专家可以解决,需要有各领域的专业人员共同投入医学研究的,以切实落实人类的医疗健康。基于此,骨科生物力学的未来研究进展仍存在着不可限量的机会,在各项高科技产业的发展下,将可大量地运用在骨科生物力学领域研究。在宏观研究方面,可继续改良关节镜的运用并配合手术器械研发进行高层面的微创手术来提供更佳的医疗效果。以计算机仿真系统辅助规划手术程序和手术定位,或是结合机械人研发来替代或辅助骨科手术,此外无线通讯的进步提升体内骨骼肌肉系统的遥测技术。未来骨科生物力学的发展对于骨科、复健的贡献仍不可忽视,而相关研究人员除了须具有优良的专业知识和热忱的学习态度外,更需培养对临床问题独到的见解和泂悉能力,如此才是研究进步最佳的基石。
      
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