低频电磁场对骨骼愈合的作用

低频电磁场对骨骼愈合作用综述

自从1977年Bassett等提出采用极低频电磁场(extremely low frequency electromagnetic fields，ELFEMF)治疗骨不连，并在临床上取得满意的效果以来，ELFEMF 对骨组织的作用一直受到相关学者的重视。近年来，有关实验研究和临床应用的资料相继问世，并且治愈了很多骨科疾病，所以，低频电磁场在生物学和医学领域中已成为一种重要的研究工具，而且也成为很有发展前途的一种理疗方法。本文就低频脉冲电磁场促进骨愈合方面进行综述。

1 低频电磁场

低强度脉冲电磁场，是指频率1—100 Hz，强度低于100 Gs的低频、低强度调制磁场，在保留静态磁场治疗作用的基础上，使磁疗辐射产生强度可调的交变脉冲动态磁场；动态磁场强度可从5 Hz到100 Hz范围内调节，充分发挥出各个频率磁场的磁疗作用；不同的电磁场强度和频率有不同的生物效应。对骨代谢中成骨作用较有影响的频率为75 Hz 以下，而在正弦磁场影响骨代谢的研究中发现当频率波动在15—35 Hz范围内时所诱导的成骨效应最明显。低频脉冲电磁场作用于骨组织，不产生热效应，而产生类似于流体机械塑形的作用，并通过不对称的宽幅脉冲影响许多异常的生物过程，进而改善骨骼、肌肉和其他系统的病理状态，抑制骨吸收，促进骨形成。

为利用脉冲电磁场发送人体生物波治疗骨质疏松是九十年代末开始临床使用。它采用高能抗谐振低频变化脉冲电磁场改变人体生物静电与改善生物场这一原理，作用于成骨细胞，促使细胞进行有丝分裂和成熟细胞的增生来治疗骨质疏松。

现代医学研究证明：电刺激能促进骨组织生长骨是具有压电效应的物质，当它受到机械压力后能将机械能转化为电能，产生应力电位J，负电能刺激新骨的形成。正常有生命的骨骼具有特定的生物电，即稳态电位，这种电位有特定的分布模式，骨折后能立即改变，骨折端电势最低，这种负电环境十分有利于骨折的愈合。骨的生物电现象与细胞代谢有关，若动物死亡，2 h就会消失。由于各种脉冲电会对人体产生一定的场强，场强出现场压，这种场压作用在骨头上，会使骨头的场强发生变化。人体骨头本身有一定的生物场，而且是一个稳定的生物场，一旦打破了这个生物场，用外界的生物场去刺激，就会改变局部生物场的变化，在能量和强度都可以控制的情况下，可以加速骨组织的生长，达到预防和治疗骨质疏松及治疗骨折的目的，与药物配合应用疗效更好。

2 生化指标的研究

血清骨钙素(bone gla protein，BGP)、碱性磷酸酶(alka—line phosphatase，ALP)和尿脱氧吡啶诺林(deoxypyridino—line，DPD)是常用的评价骨转化的生化指标。

ALP是成骨细胞的早期标志酶，在成骨过程中水解磷酸酯，为羟基磷灰石的沉积提供必要的磷酸，有利于成骨，表明成骨分化的开始。ALP测定主要反映骨形成功能，ALP来自于骨，另外主要来自肝脏。在影响肝功能因素较小的动物实验中，血清总ALP 可比较确定地反映骨形成功能状态。白孟海等观察脉冲磁场对去势大鼠ALP变化规律的研究时发现，PEMFs治疗3个月的去势大鼠血清ALP与去势对照组相比，有显著性降低，提示脉冲电磁场能使去势大鼠血清ALP水平降低。

BGP是成骨细胞特异性合成并分泌的一种非胶原蛋白，在钙离子存在条件下，与羟磷灰石结合并稳定其构象，被认为是向成骨细胞分化最特征性的标志物u 。申广浩等观察不同强度PEMFs对去势后大鼠骨质疏松症的影响，发现PEMFs可以降低血清BGP水平，低磁场强度组降低水平优于高磁场强度组。

尿脱氧吡啶酚(DPD)仅见于细胞外I型胶原蛋白中，由于I型胶原蛋白转换的主要部位在骨，DPD几乎仅在骨中存在。DPD作为破骨细胞降解的副产品被释放人血，并在尿中排泄。尿DPD是反映骨吸收的生化指标。李晨等在PEMFs对绝经后骨质疏松症影响的实验中测量大鼠骨转化生化指标(血清ALP、破骨细胞OC、尿脱氧吡啶诺林DPD)，结果显示与假手术组比较，其余各组血清ALP、OC和尿DPD均有所下降。

3 极低频电磁场对成骨细胞增殖与分化的影响

低频脉冲电磁场对成骨细胞增殖和分化的影响在非OP状态下，成骨细胞和破骨细胞通过“偶联”机制保持动态平衡，维持正常的骨重建。成骨细胞不仅是骨形成的直接承担者，而且通过细胞与细胞(cell—to—cel1)直接接触方式调节破骨细胞分化、增殖、生存、融合功能，所以是骨形成的关键因素。在绝经后骨质疏松状态，激活的成骨细胞和破骨细胞的数量都会增加，但单个成骨细胞形成新骨的能力下降是导致骨量和骨强度下降的根本原因。即成骨细胞的成骨活性对维持正常的骨量和骨强度有重要意义，因此也成为了目前的研究热点。

基础研究表明PEMFs可以促进骨形成，抑制骨吸收，延缓骨量丢失。PEMFs通过增加成骨细胞数量、活性和抑制成骨细胞凋亡直接促进骨形成。PEMFs对大鼠颅骨成骨细胞fROB)的影响主要表现在促进其分化，且这种作用存在较为敏感的“强度窗”效应。李志锋等将ROB暴露于50Hz，0．14mT、0．16roT和0．18mT的PEMFs进行干预，测定细胞增殖率、ALP活性和BMP一2mRNA的表达。结果显示0．14mT的PEMFs对ROB增殖和分化均无明显影响；0．16mT、0．18mT的PEMFs可明显提高ALP活性，并上调BMP 一2mRNA表达。Tsai MT等将大鼠颅骨成骨细胞分别暴露于磁场为0．13mT，0．24mT 和0．32mT的PEMFs中，波宽为300Vs的矩形方波，频率7．5Hz。观察发现2h组和8h组0．13mT磁场组细胞数量在第6天和第l2天增加，8h组在第18天细胞数目减少。ALP表达在第12天和第18天先减少后增加。而0．32mT组在观察时间内抑制了细胞增殖，但使ALP 表达增高。结果表明PEMFs在一定的刺激强度下可以影响成骨细胞的增殖和分化。

3.1 不同波形ELEF对成骨细胞增殖能力的影响

表1为不同波形ELEF作用下，采用MTT方法所测得的成骨细胞增殖率的变化。从表1可以看出，矩形波、矩形脉冲波ELEF均可以促进成骨细胞增殖(P<0.05)，其中，矩形脉冲ELEF促进增殖的作用更明显(P<0.01)。而正弦波ELEF明显抑制成骨细胞增殖

(P<0.01)；三角波El EF对成骨细胞增殖无影响(P>0.05)。

3.2不同波形ELEF对成骨细胞分化能力的影响

表2为不同波形ELEF作用下，成骨细胞ALP活性的变化。可以看出，矩形波、矩形脉冲波ELEF可抑制成骨细胞分化ALP活性(P<0.05)，正弦波ELEF可明显促进成骨细胞AI P活性增强(P<0.01)，而三角波ELEF对成骨细胞AIP活性无显著影响(P>0.05)。

4 相关实验研究

4.1 低频电磁场对男性骨密度的影响

选取长期于低频电磁场下作业的男性员工140名设为研究组，同系统非低频电磁场下作业的男性员工140名设为对照组。对两组进行了血钙、血磷、碱性磷酸酶和指骨骨密度的检查，同时抽血进行了N．端骨钙素(N。MID)、总I型胶原氨基端前肽(tPINP)和p 一胶原降解产物(13-CTX)的测定。以下为此实验相关数据：