更新时间：2024-06-10 10:42
骨重建（Bone remodeling）是指骨组织的形态和密度随着生物力学环境的改变而改变的生理行为。定性地说，在载荷较高的区域，骨的质量和密度发生增长；而在载荷较低的区域，骨的质量和密度发生下降。骨组织这种用则变强、废则变弱的特征体现了其对生物力学环境的适应性，从而能够在特定的力学环境下用最少的骨量实现最大的承载能力。当骨处于不利的外力环境中时，它的形态和密度会随之发生异常的改变，例如失重环境导致的骨质疏松、植介入物引起的应力遮挡等。
对骨重建现象的认识可以追溯到19世纪中期。1867年，德国的解剖学家Georg Hermann von Meyer在著作《The Architecture of Spongiosa》中提出，骨小梁的海绵状结构在人体骨骼的不同部分呈现不同的走向与密度。这种特征可能与特定骨骼的承载需求有关。Meyer就该现象与当时的结构力学家Carl Culmann进行了探讨，并采用了工程学的方法绘制了特定部位的骨骼在典型载荷下的主应力轨迹。研究发现了骨小梁的分布与主应力的轨迹的相关性。然而，Meyer这一重大发现并未在当时引起人们的关注。
1870年，德国的外科医生Julius Wolff继承并发展了Meyer的研究，提出了骨骼生长于应力环境之间的关系：较大的载荷促进骨的生长，较低的载荷促进骨的吸收，即著名的Wolff定律。Wolff在他的论文《Ueber die innere Architectur der Knochen und ihre Bedeutung fu¨r die Frage vom Knochenwachsthum》指出，骨骼中的小梁以及空腔分布绝不是杂乱无章的随机分布，每部分的结构都力求达到用最小的骨质来承受足够的载荷。Wollf还以股骨为例阐释了长骨的两端为松质骨中部为管状皮质骨的生物力学原因。Wollf的工作为现代骨重建理论奠定了重要基础[1]。
现代骨重建理论试图建立起骨重建与力学环境之间的定量关系。骨组织中的成骨细胞和破骨细胞通过感受力学刺激来对骨的生长或吸收进行调控。Harold M. Frost通过实验研究提出：当骨的应变低于50-100微应变、应力低于1-2MPa时，骨组织发生吸收；当骨的应变高于1000-1500微应变、应力高于约20 MPa时，骨组织发生生长；而当骨的应变进一步高于约3000微应变、应力高于约60 MPa时，骨组织发生损伤[2]。H. Weinans等人则建立了单位质量的应变能密度与骨重建之间的定量联系，被广泛应用于骨重建的研究中[3]。 但关于骨重建的具体机理仍然未被研究清楚。
对骨重建现象的认识对改进临床诊断和治疗有着重要的意义。例如在骨折固定等手术中，钢板和螺钉等植入物所导致的应力遮挡可能会降低骨折部位骨组织上的应力水平，引发骨吸收现象，不利于骨折固定后的愈合，往往成为再骨折的诱因。而宇航员在失重环境下往往会产生骨质疏松症状，研究提出了多种运动加载的方式来减少骨质流失的程度，但仍存在许多问题。如何结合骨重建原理和相关生物学理论来设计对抗骨质疏松的有效方法仍然是亟待解决的问题。