由於人體有所謂的骨適應性,因此骨骼會隨著外在的力學環境改變強度,骨骼強度不宜過大也不能太小,亦即須符合中庸之道,以避免病症的發生。人體各種機能或器官「用則進,不用則退」,這是生物學「用進廢退」的經典規律,骨骼也是如此。
人體,是一個複雜的生物結構,組織、器官、系統各司其職,同時在與外界的相互作用之下,維持一個生理的平衡,生物因環境改變而有新的需要,因此發展適應環境的新機能。經常使用的機能便漸趨發達,不用的機能則趨退化。
以骨骼系統來說,骨骼主要作為人體的支架並提供肌肉附著,以維持肢體動作的進行,其所承受的力量包括:人體的體重、人體活動時肌肉的施力,與地面衝擊所造成的力量。
西元1964年,Harold Frost發現骨骼具有再塑性(bone
remodeli ng),藉由骨吸收作用(bone
resorption)及骨生成作用(bone f ormation)間巧妙的動態平衡,進行骨骼組織的代謝,以維持骨骼的結構與力學強度。骨再塑性主要分為四個步驟。
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| 用則進,不用則退,「用進廢退」的法則完全適用在骨骼的適應性上。
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骨再塑性 4步驟再造骨骼
1.首先蝕骨細胞(osteoclast)受到活化,使得蝕骨細胞緊密貼附於骨組織表面;2.之後蝕骨細胞開始分泌各種分解酵素,將骨組織的基質予以吸收、破壞;3.當破壞達一定程度時,則蝕骨細胞停止作用並離開組織表面,而由骨母細胞(osteoblast)與骨細胞(osteocy
te)取而代之進入被破壞的位置;4.最後骨母細胞與骨細胞開始分泌細胞外基質,並造成新生組織的鈣化,而形成新的骨骼組織。
骨骼在長期使用下,造成組織的老化與疲勞破壞,人體則藉由骨再塑性進行汰舊換新的工作,清除老化及遭破壞的組織,並生成新的骨組織。在正常生理情況下,骨吸收及骨生成作用間存在一動態平衡,在不改變骨量的情況下維持組織的結構與力學強度。
但是當骨骼的受力情況改變時,則會影響此一動態平衡,改變組織的結構與力學強度,以因應新的力學環境,此一特性即為骨適應性(
Bone adaptation)。當骨組織的受力增加時,骨生成作用明顯高於骨吸收作用,造成骨量增加並強化其力學強度。反之若組織受力減弱,則骨吸收作用活性高於骨生成作用,使得骨量減少、骨骼力學性質減弱。
力學刺激 影響骨質強弱
早在西元1892年,Julius Wolff發現骨骼的結構會隨著其所承受力量的不同而發生變化,他認為骨骼的生長會受到力學刺激影響而改變其結構,即所謂的「Wolff’s
law」。
以太空人為例,若人類長期處於無重力的環境,使得骨骼與肌肉的受力減少,則會造成骨質流失與肌肉無力的情形。在臨床上,骨折患者在骨癒合階段若沒有活動,則會延緩骨折癒合的速度並造成患部的骨質流失。
骨折的病人常需要使用骨板等植入物幫助固定,但這些植入物會承受大部分的施力,減少骨骼所受的力量,造成骨骼的萎縮,並減低其強度與勁度。因此,當臨床上使用骨板時,應觀察骨板對於周圍骨頭的效應,以避免骨骼的力學性質發生過度的衰減。
因此適當的力學刺激,對於骨骼的生長與代謝扮演十分重要的角色。以運動員為例,由於日常訓練等因素,其骨骼承受較一般人大且頻繁的力學刺激,因此其骨質較一般人為佳。
在臨床上亦發現,骨折患者若是術後進行適度的活動使骨骼受到力量刺激,則可促進骨折癒合及癒後品質。當人工植入物與骨頭接觸時,在接觸點由於應力作用,會造成骨骼的過度增生。臨床上骨板固定骨折時,常需利用螺釘固定骨板,在螺釘處會有應力集中的現象,使接觸的骨頭承受較大的力量,因而發生骨骼過度增生的狀況。
用則進 不用則退
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| 照顧健康骨骼,唯有充分學習,了解正確的骨鬆知識,才能真正預防,治療骨鬆症。圖片:中華民國骨質疏鬆症學會提供 |
此外,臨床上常見的人工關節置換,由於人工股骨柄材料的結構強度和彈性模數與骨組織的不一致性,因此人工關節植入體內承受載荷後,應力主要由人工關節所傳遞,產生應力遮擋效應,造成骨組織吸收並發生結構改變,包括骨皮質變薄、髓腔擴大,促使骨強度的進一步下降,人工關節植入後常因顯著應力遮擋效應,出現股骨人工關節周圍骨萎縮。
由此可知,由於骨骼具有骨適應性,在力學環境之下可藉由調整骨再塑性、中骨吸收與骨生成的動態平衡,造成骨量及結構的改變(如鬆質骨中骨小樑的走向及骨密度),進而改變整個骨骼受力及應力分布的情形,使得新生組織的力學強度能符合環境的需求,除了承受人體活動造成的力量,並維持力量傳遞、能量吸收的功能。
在生物力學的觀點,若關節周圍骨骼強度增加,則會減少其能量吸收的功能,造成關節面軟骨承受過大的力量,而容易演變為退化性關節炎;反之,若是骨骼強度減少則支撐力量不足,較容易發生骨折(
骨質疏鬆症患者較易發生即為一例子)。
在臨床上,股骨頸骨折的股骨頭極少有關節軟骨嚴重磨耗,但骨質較好的老年人,日後發生退化性髖關節炎的機率較高,但病患同時患有骨質疏鬆症和退化性關節炎的機會很小。 |