电磁技术用于骨科治疗的研究进展
作者：关志成 龙英 蔡国平
单位：关志成 龙英 杨葆初(清华大学 电机系，北京 100084)；蔡国平(清华大学 生物科学与技术系，北京 100084)
关键词：电磁场(EMFs)；骨科治疗；骨折愈合；体外实验研究；机理解释；骨质疏松(OP)
生物医学工程学杂志000227 关志成 龙英 蔡国平 综述 杨葆初 审校
摘要 近年来，电磁场(Electromagnetic fields,E MFs)生物效应的研究已被我国列为生物物理学方面的重大课题。电磁技术用于骨科治疗的 研究横跨电工技术、生物 技术和医学领域。早期的医学研究表明低频电磁场能加速骨折愈合。但众多的实验结果显示 这项研究还存在着很多方面的挑战。为此，研究者们在细胞和分子水平上展开广泛的体外实 验研究，深入探讨了电磁场在骨形成及代谢上的作用，提出了一些机理解释，并大胆地探索 了电磁场在治疗骨质疏松(OP)等病症上的应用。
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The Research Progress of Using Electromagnetic Technology
in Treatment of Bone Diseases
Guan Zhicheng Long Ying Yang Baochu
(Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing 10 0084)
Cai Guoping
( Deparmtnet of Biological Sciences and Biotechnology,Tsinghua University, Beijing 100074)
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Abstract In these years, the study of the bioeffects of electromagnetic fields (EMFs) has been listed as the national important task in the field of biological physics. Using EMFs to treat bone diseases is associated with electric technology, biology and medicine. Previous medical studies have s hown that EMFs can stimulate healing in bone fractures. But the effects are stil l controversial and the mechanism is not yet clear. Therefore, it is necessary t o carry out experiments in vitro at cellular and molecular levels. Resea rch workers have been exploring the effects of EMFs on bone formation and metabolism . The suggestion of using EMFs in the treatment of osteoporosis and other osseou s diseases has been put forward.
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Key words Electromagnetic fields Treat bone diseases Healing in bone fractures Experiments in vitro Mechanism Osteop orosis
1 引 言
自从19世纪法拉第、麦克斯韦等人建立起电磁场理论，电磁给人类文明的发展带来了巨大的 飞跃。几乎在电磁理论建立的同时，电磁对生物体的作用及影响引起人们的广泛关注。研究 者们研究了各种场强、频率和脉冲波形电磁场的生物效应，并对其在细胞、生理及行为上的 效应做了描述[1]，表明电、磁场能在各方面影响生物系统。
早期的医学研究显示低频电磁场能加速骨折愈合[2]，但其治疗作用还存 在争议，作用机制仍不清楚。为此，研究者们对电磁场在细胞及分子水平上的作用进行了广泛研究， 提出了一些机理解释，并大胆 地探索了电磁场在治疗骨质疏松等病症上的应用。
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本文针对电磁技术用于骨科治疗的发展历史、研究进展及发展前景将收集的有关学术性文献 作一客观综述，由于篇幅和作者知识面限制，难以做到面面俱到，望读者谅解。
2 电磁刺激骨愈合的发展历史
早在1812年即曾有人试图将电用于骨科治疗中。1841年Horahorne报道了应用电刺激能促进 骨愈合。到本世纪50年代该领域有了突破性进展，Yasuda等人[3]陆续发现并证实 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。自 此人们开始重视骨与电的关系。60年代，Friedenberg和Brighton等发现正常有生命的骨骼 具有特定的生物电，即稳态电位，并利用恒定直流电治疗骨不连。1971年Friedenberg等人 报道了用电流治愈一例内踝骨不连[2]。以后人们陆续研究了恒定直流电、脉冲直 流电、交流电、耦合电容电场、恒定磁场以及脉冲电磁场在骨折、骨不连及骨缺损等治疗中 的意义。1977年Bassett提出应用电磁刺激治疗骨不连[4]，并将其用于临床，取得 了满意的效果，开始了非创伤(Noninvasive)方法治疗的研究。80年代起国内许多学者也进 行了类似实验和临床研究[5]，在治疗延期愈合和不愈合的骨折上取得了很大成功 。此外，电磁技术还被用于治疗先天性骨缺损、关节固定失败、骨坏死(如股骨头无菌性坏 死)、骨移植、椎体融合术及顽固的肌腱炎等。
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电磁场刺激骨愈合的形式多种多样，主要有恒定直流电、脉冲直流电、电容耦合(电场法)和 脉 冲、交变电磁场等等。临床应用方法主要有三种：(1)植入法(Invasive) [2]。此法将电极植入骨折部位，并通以微安级直流电，在特定条件下，电极特别 是阴极附近有新骨生成，但这种方法的治疗成功性还有待进一步证实；(2)场植入法[6]。此法将线圈作 为矫形固定装备的一部分植入骨附近，通过磁场的变化在骨中诱导电流进行治疗。不过场植 入法的重复性不好，临床应用缺乏合适的对照实验，因而很难解释其作用。(3)[ STBZ〗电磁场法。 该法是Bassett于70年代末提出的[4]。它通过变化的电磁场在体内诱导出电场作用 于治疗部位，因此无需手术。据报道，电磁场法已成功地应用于骨折愈合、骨不连及先天性 假关节的治疗中[7]。但有些研究显示电磁场对骨基质形成没有作用或有副作用 [8]。
综上所述，电磁技术在骨折愈合等骨科治疗中的应用仍有争议，目前还没有确定一种合适的 刺激方式。电磁对骨的作用机制仍不清楚。为此，研究者们进行了大规模的细胞及分子水平 上的探索。
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3 电磁场性质及体外实验系统
1831年法拉第发现了电磁感应定律，并提出了场的思想，认为电磁现象不是孤立的，而是统 一的。后来麦克斯韦总结前人的结果得出著名的麦氏方程组，把电磁统一起来，并预言了电 磁波的存在。根据麦氏方程组可以得出：变化的电场产生磁场(基于麦克斯韦位移电流假设) ；变化的磁场激发电场(法拉第电磁感应定律)，变化的电流电荷能激发电磁场，而变化电场 和变化磁场在空间不断地相互激发和转化。即交变电场将产生一个微小的磁场，而交变电磁 场也将诱导一个电场出现。
体外实验设计所要考虑的物理、工程及生物方面的因素详见Misakian的综述[9]。 总之，用于体外实验的电磁场照射系统应遵循两个重要原则：(1)实验装 置所产生的场必须 是稳定的，具有符合实验要求的特性。研究者在进行电磁场实验时都尽量避免使用不稳定的 场(含混杂频率或脉冲波形)，同时有意识地降低来自电力系统和实验室设备的背景场及暂态 过程。不过，假如生物反应依赖几种类型波形迭加的相互作用，上述做法可能会屏蔽实验者 观察到一个生物效应的机会。(2)实验系统(包括发生装置、电极等)不能 对细胞产生其它额 外的作用，例如热、振动等。在实验中除电磁处理外，照射组与对照组应保证具有同样的培 养条件，例如，相同温度、湿度、CO2浓度、环境噪声、振动。一般将对照组与实验组置 入相同的孵箱中，并将前者放在零信号输入的电极。
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体外实验施加电场的方式主要有三种：电流刺激、电容耦合及电磁感应。Misakian等人 [9]已讨论过这些方法。通常而言，将培养皿置入空气气隙电容式电极的方法并不理想 ，这种方法需要加在电极上的电压很高，并且在计算培养基中的场时需要考虑很多因素 [10]。将电极直接插入培养基能够产生比较高的电场，但电极的电解作用会把一些不希 望 的离子、气泡及其它电解产物带到培养基中。此外接触电阻会产热，使培养基温度升高。以 上这些都要尽力避免，解决方案之一是利用琼脂桥将电极与培养基隔开[11]。电磁 感应是另外一种在培养基中产生电场的方式，其理论基础是任何变化的磁场都能诱导出一个 电场。实验者通常利用一组类似亥姆赫兹(Helmholtz)线圈的装置制造电磁实验环境。亥姆 赫兹线圈是由一对相互平行的线圈组成，线圈的间距等于它们的半径，在轴或轴的附近(10% )的区域内能保证一定的均匀性。
总之，实验系统的设计和制作在研究工作中占重要位置。
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4 电磁场对骨作用的体外研究
体外研究电磁场作用，可以精确控制实验条件，更好地排除体内实验诸多因素(如受照动物 一般健康状况、体液因子、细胞类型等)的干扰，提供更为直接的剂量-效应关系，利于深 入探讨电磁场效应、作用机理及影响因素等等。
用于体外研究的实验对象有骨外植体，原代成骨细胞及骨肉瘤细胞。大部分实验研究发现正 弦电场和脉冲电磁场对骨形成的影响依赖场强和频率，并且骨组织对低频电场的反应具有场 强和频率特异性(“窗口”效应)。但这些研究所报道的“窗口”不全相同，这可能和实验条 件及实验的细胞类型不同有关。Fitzsimmos等人[10]曾观察到电场能增加鸡胚胎胫 骨的骨基质形成，并且提高体外单层贴壁培养的鸡胚颅骨细胞的增殖水平。组织研究表明成 骨细胞数目是骨形成速率的主要决定因素，因此研究电磁场促进细胞增殖与分化是临床应用 电磁场刺激组织修复的理论基础。在以后的研究中，他们给体外培养的鸡颅骨 细胞施加电容耦合式正弦电场，测得16 Hz电场最显著地促进细胞生长[12]，并且 发现在把照射 过的实验组的培养基换给未经照射组后，后者的细胞生长也显著增加，因此他们认为电场刺 激有丝分裂素释放，进而提高细胞增殖水平。Sollazzo等人[13]研究了低能量、低 频率脉冲电磁场(PEMFs)对人的成骨样细胞及骨肉瘤细胞MG-63的增殖情况，发现血清浓度 起一定作用。
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细胞的增殖必然伴有胞内多种生物分子合成，研究者们研究了电磁场对离子流、离子转运方 面以及DNA、RNA、CAMP、胶原蛋白等合成的作用。结果表明特定频率和场强的组织能提高DN A合成水平，增加胶原蛋白的合成。Hongming Zhuang等人[14]给MC3T3-E1细胞施 加60kHz电容耦合式正弦电场(CCEFs)，发现细胞增殖水平提高，并伴有TGF-β1 mRNA水平 提高。他们还发现钙通道阻滞剂异博定和W7也能阻碍CCEFs诱导TGF-β1 mRNA水平增加，从 而指出电刺激诱导TGF-β1 mRNA变化可能是通过与钙/钙调节蛋白路径相关的机制发挥作用 的。
1982年，Luben[15]给鼠的成骨样细胞分别施加连续脉冲系列磁场(重复率72 Hz)和 经15 Hz调制的周期性触发脉冲，发现电磁场(EMFs)能明显抑制甲状旁腺素(PTH)对鼠成骨样 细胞的作用。但是1，25二羟维生素D3对胶原合成的抑制作用不受EMFs影响。1，25二羟维生 素D3与PTH作用效果相似，但前者直接作用于胞核，后者则首先作用在胞膜上，因而Luben认 为EMFs首先作用于胞膜，进而干扰激素受体作用或阻止膜上受体环化酶偶联。Fitzsimmons 等人[16]发现脉冲电场刺激了成骨细胞表面胰岛素样生长因子Ⅱ(IGF-Ⅱ)的释放 ，提出电场照射使预先合成的生长因子释放出来，引起细胞增殖。他们给骨肉瘤细胞TE-85 施加电容耦合式电场，发现细胞增殖水平提高25%。实验还表明增殖与IGF-Ⅱ mRNA水平提 高有关。
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另外还有些不同结论的实验结果，如Yamada等人[17]对三种目前已用于医疗的典型 脉冲电磁场(PEMFs)进行了各种体外、体内实验，研究PEMFs对骨形成和再吸收的作用。他们 在实验中没有发现PEMFs对骨代谢的明显作用，暗示了目前使用在医疗上的波形还有争议。
总之，(1)生物、医学研究表明低能量、低频率电磁场(电流密度10～100 mA/m2，频率小于1 kHz)对骨与骨细胞有作用；(2)〗电磁场与细胞的 作用并非是一种线性关系，存在着频率、场强(电流密度)及脉宽等的窗口效应。同时，作用 时间也很重要，很多实验指出间断性作用比连续作用的效果更好；(3)同 时存在正、负作用的实验报道，还有很多不可重复的正作用的 实验报道；(4)细胞类型、生长状态、接种密度、血清浓度、照射系统的 稳定 性、外围杂散场等等都会影响实验结果，因而重复实验应首先保证实验条件的一致重复。
5 作用机制
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50年代起，Yasuda等人陆续发现骨的电机械特性和自然生物电位，提出压电效应的概念，对 电和机械因素在骨重建中的角色作了初步解释。李起鸿等[5]通过血管造影发现电 刺激侧微血管比对照侧丰富，指出直流电刺激使生理性关闭的微血管开放，改善血液供应， 加速骨折愈合。Bassett[4]认为电磁场主要对钙盐产生某种动力学影响，促进Ca 2+向阴极运动并沉积，加速组织钙化。
除此之外，许多学者把成骨机制模型建立在电磁场(EMFs)对骨与成骨细胞的作用上，从细胞 及分子水平对机制进行解释。其中一部分模型以“原生质膜是相互作用的主要位置”为基本 原则[15]，认为EMFs首先作用于胞膜，然后通过酶的级联传给第二信使，从而到达 核，引起DNA变化。但Goodman的实验[18]显示EMFs能刺激细菌提取液(无原生质膜) 蛋白合成，从而暗示了胞膜不是EMFs作用的唯一途径。Blank[19]在总结了大量实 验的基础上，也指出EMFs有可能直接作用于DNA。
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另外还有些模型并未明确要求EMFs对细胞膜的作用。Litovitz等人[20]认为不论初 始作用如何发生，外加场将最终影响合成及分解代谢速率，他们还观察到一些化学反应速率 的窗口效应，提出有些实验观察不到EMFs作用可能是由于实验者作用时间过长或不够，暗示 了大的生物效应可能发生在短期照射上。有些实验者发现时变场(交变场)与常量场(静态场) 的特定组合会产生类共振的特性，提出回旋共振模型[21]。大量实验结果支持这一 模型，但也有些不能成功地重复[22]。另外，这个模型在离子水合作用、与其它分 子碰撞时间间隔，轨道尺寸等理论背景上还存在挑战。
6 结论与展望
电磁技术用于骨科治疗的研究横跨电工技术、生物技术和医学领域。这项边缘交叉性研究目 前存在着很多方面的挑战。首先，同时存在着正作用及负作用结论的实验报道，而且还有一 些不能成功重复的正作用的实验报道；其次，对于电磁场在生物体系中产生如此显著的影响 及其作用机制，目前还没有被广泛接受的生物物理学解释。另外，实验现象显示电磁效应与 作用时间或强度之间不存在线性关系，并且存在频率及强度的窗口效应。为解决这些问题， 研究者们还在不懈的努力，积极探索电磁在骨科治疗中的应用。
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骨质疏松症(OP)是全球性公共卫生问题之一。传统的治疗方法存在较大的副作用，只能减少 骨量丢失，但不能补充已丢失的骨量。将电磁技术用于OP治疗或辅助治疗无疑是一种创新。 很多实验表明某些特定参数的电磁场能够减少或防止OP模型的骨量丢失[23]，还有 些实验[24]发现电磁场能明显恢复因OP丢失的骨量。由此可见，电磁刺激在OP治疗 上具有潜力，它的作用还需要大量实验研究证实。我们期待着进一步研究成果的出现，让电 磁技术为人类作出更大的贡献。
国家自然科学基金项目(59577016)
参考文献
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(收稿：1998-12-02), 百拇医药
单位：关志成 龙英 杨葆初(清华大学 电机系，北京 100084)；蔡国平(清华大学 生物科学与技术系，北京 100084)
关键词：电磁场(EMFs)；骨科治疗；骨折愈合；体外实验研究；机理解释；骨质疏松(OP)
生物医学工程学杂志000227 关志成 龙英 蔡国平 综述 杨葆初 审校
摘要 近年来，电磁场(Electromagnetic fields,E MFs)生物效应的研究已被我国列为生物物理学方面的重大课题。电磁技术用于骨科治疗的 研究横跨电工技术、生物 技术和医学领域。早期的医学研究表明低频电磁场能加速骨折愈合。但众多的实验结果显示 这项研究还存在着很多方面的挑战。为此，研究者们在细胞和分子水平上展开广泛的体外实 验研究，深入探讨了电磁场在骨形成及代谢上的作用，提出了一些机理解释，并大胆地探索 了电磁场在治疗骨质疏松(OP)等病症上的应用。
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The Research Progress of Using Electromagnetic Technology
in Treatment of Bone Diseases
Guan Zhicheng Long Ying Yang Baochu
(Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing 10 0084)
Cai Guoping
( Deparmtnet of Biological Sciences and Biotechnology,Tsinghua University, Beijing 100074)
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Abstract In these years, the study of the bioeffects of electromagnetic fields (EMFs) has been listed as the national important task in the field of biological physics. Using EMFs to treat bone diseases is associated with electric technology, biology and medicine. Previous medical studies have s hown that EMFs can stimulate healing in bone fractures. But the effects are stil l controversial and the mechanism is not yet clear. Therefore, it is necessary t o carry out experiments in vitro at cellular and molecular levels. Resea rch workers have been exploring the effects of EMFs on bone formation and metabolism . The suggestion of using EMFs in the treatment of osteoporosis and other osseou s diseases has been put forward.
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Key words Electromagnetic fields Treat bone diseases Healing in bone fractures Experiments in vitro Mechanism Osteop orosis
1 引 言
自从19世纪法拉第、麦克斯韦等人建立起电磁场理论，电磁给人类文明的发展带来了巨大的 飞跃。几乎在电磁理论建立的同时，电磁对生物体的作用及影响引起人们的广泛关注。研究 者们研究了各种场强、频率和脉冲波形电磁场的生物效应，并对其在细胞、生理及行为上的 效应做了描述[1]，表明电、磁场能在各方面影响生物系统。
早期的医学研究显示低频电磁场能加速骨折愈合[2]，但其治疗作用还存 在争议，作用机制仍不清楚。为此，研究者们对电磁场在细胞及分子水平上的作用进行了广泛研究， 提出了一些机理解释，并大胆 地探索了电磁场在治疗骨质疏松等病症上的应用。
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本文针对电磁技术用于骨科治疗的发展历史、研究进展及发展前景将收集的有关学术性文献 作一客观综述，由于篇幅和作者知识面限制，难以做到面面俱到，望读者谅解。
2 电磁刺激骨愈合的发展历史
早在1812年即曾有人试图将电用于骨科治疗中。1841年Horahorne报道了应用电刺激能促进 骨愈合。到本世纪50年代该领域有了突破性进展，Yasuda等人[3]陆续发现并证实 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。自 此人们开始重视骨与电的关系。60年代，Friedenberg和Brighton等发现正常有生命的骨骼 具有特定的生物电，即稳态电位，并利用恒定直流电治疗骨不连。1971年Friedenberg等人 报道了用电流治愈一例内踝骨不连[2]。以后人们陆续研究了恒定直流电、脉冲直 流电、交流电、耦合电容电场、恒定磁场以及脉冲电磁场在骨折、骨不连及骨缺损等治疗中 的意义。1977年Bassett提出应用电磁刺激治疗骨不连[4]，并将其用于临床，取得 了满意的效果，开始了非创伤(Noninvasive)方法治疗的研究。80年代起国内许多学者也进 行了类似实验和临床研究[5]，在治疗延期愈合和不愈合的骨折上取得了很大成功 。此外，电磁技术还被用于治疗先天性骨缺损、关节固定失败、骨坏死(如股骨头无菌性坏 死)、骨移植、椎体融合术及顽固的肌腱炎等。
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电磁场刺激骨愈合的形式多种多样，主要有恒定直流电、脉冲直流电、电容耦合(电场法)和 脉 冲、交变电磁场等等。临床应用方法主要有三种：(1)植入法(Invasive) [2]。此法将电极植入骨折部位，并通以微安级直流电，在特定条件下，电极特别 是阴极附近有新骨生成，但这种方法的治疗成功性还有待进一步证实；(2)场植入法[6]。此法将线圈作 为矫形固定装备的一部分植入骨附近，通过磁场的变化在骨中诱导电流进行治疗。不过场植 入法的重复性不好，临床应用缺乏合适的对照实验，因而很难解释其作用。(3)[ STBZ〗电磁场法。 该法是Bassett于70年代末提出的[4]。它通过变化的电磁场在体内诱导出电场作用 于治疗部位，因此无需手术。据报道，电磁场法已成功地应用于骨折愈合、骨不连及先天性 假关节的治疗中[7]。但有些研究显示电磁场对骨基质形成没有作用或有副作用 [8]。
综上所述，电磁技术在骨折愈合等骨科治疗中的应用仍有争议，目前还没有确定一种合适的 刺激方式。电磁对骨的作用机制仍不清楚。为此，研究者们进行了大规模的细胞及分子水平 上的探索。
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3 电磁场性质及体外实验系统
1831年法拉第发现了电磁感应定律，并提出了场的思想，认为电磁现象不是孤立的，而是统 一的。后来麦克斯韦总结前人的结果得出著名的麦氏方程组，把电磁统一起来，并预言了电 磁波的存在。根据麦氏方程组可以得出：变化的电场产生磁场(基于麦克斯韦位移电流假设) ；变化的磁场激发电场(法拉第电磁感应定律)，变化的电流电荷能激发电磁场，而变化电场 和变化磁场在空间不断地相互激发和转化。即交变电场将产生一个微小的磁场，而交变电磁 场也将诱导一个电场出现。
体外实验设计所要考虑的物理、工程及生物方面的因素详见Misakian的综述[9]。 总之，用于体外实验的电磁场照射系统应遵循两个重要原则：(1)实验装 置所产生的场必须 是稳定的，具有符合实验要求的特性。研究者在进行电磁场实验时都尽量避免使用不稳定的 场(含混杂频率或脉冲波形)，同时有意识地降低来自电力系统和实验室设备的背景场及暂态 过程。不过，假如生物反应依赖几种类型波形迭加的相互作用，上述做法可能会屏蔽实验者 观察到一个生物效应的机会。(2)实验系统(包括发生装置、电极等)不能 对细胞产生其它额 外的作用，例如热、振动等。在实验中除电磁处理外，照射组与对照组应保证具有同样的培 养条件，例如，相同温度、湿度、CO2浓度、环境噪声、振动。一般将对照组与实验组置 入相同的孵箱中，并将前者放在零信号输入的电极。
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体外实验施加电场的方式主要有三种：电流刺激、电容耦合及电磁感应。Misakian等人 [9]已讨论过这些方法。通常而言，将培养皿置入空气气隙电容式电极的方法并不理想 ，这种方法需要加在电极上的电压很高，并且在计算培养基中的场时需要考虑很多因素 [10]。将电极直接插入培养基能够产生比较高的电场，但电极的电解作用会把一些不希 望 的离子、气泡及其它电解产物带到培养基中。此外接触电阻会产热，使培养基温度升高。以 上这些都要尽力避免，解决方案之一是利用琼脂桥将电极与培养基隔开[11]。电磁 感应是另外一种在培养基中产生电场的方式，其理论基础是任何变化的磁场都能诱导出一个 电场。实验者通常利用一组类似亥姆赫兹(Helmholtz)线圈的装置制造电磁实验环境。亥姆 赫兹线圈是由一对相互平行的线圈组成，线圈的间距等于它们的半径，在轴或轴的附近(10% )的区域内能保证一定的均匀性。
总之，实验系统的设计和制作在研究工作中占重要位置。
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4 电磁场对骨作用的体外研究
体外研究电磁场作用，可以精确控制实验条件，更好地排除体内实验诸多因素(如受照动物 一般健康状况、体液因子、细胞类型等)的干扰，提供更为直接的剂量-效应关系，利于深 入探讨电磁场效应、作用机理及影响因素等等。
用于体外研究的实验对象有骨外植体，原代成骨细胞及骨肉瘤细胞。大部分实验研究发现正 弦电场和脉冲电磁场对骨形成的影响依赖场强和频率，并且骨组织对低频电场的反应具有场 强和频率特异性(“窗口”效应)。但这些研究所报道的“窗口”不全相同，这可能和实验条 件及实验的细胞类型不同有关。Fitzsimmos等人[10]曾观察到电场能增加鸡胚胎胫 骨的骨基质形成，并且提高体外单层贴壁培养的鸡胚颅骨细胞的增殖水平。组织研究表明成 骨细胞数目是骨形成速率的主要决定因素，因此研究电磁场促进细胞增殖与分化是临床应用 电磁场刺激组织修复的理论基础。在以后的研究中，他们给体外培养的鸡颅骨 细胞施加电容耦合式正弦电场，测得16 Hz电场最显著地促进细胞生长[12]，并且 发现在把照射 过的实验组的培养基换给未经照射组后，后者的细胞生长也显著增加，因此他们认为电场刺 激有丝分裂素释放，进而提高细胞增殖水平。Sollazzo等人[13]研究了低能量、低 频率脉冲电磁场(PEMFs)对人的成骨样细胞及骨肉瘤细胞MG-63的增殖情况，发现血清浓度 起一定作用。
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细胞的增殖必然伴有胞内多种生物分子合成，研究者们研究了电磁场对离子流、离子转运方 面以及DNA、RNA、CAMP、胶原蛋白等合成的作用。结果表明特定频率和场强的组织能提高DN A合成水平，增加胶原蛋白的合成。Hongming Zhuang等人[14]给MC3T3-E1细胞施 加60kHz电容耦合式正弦电场(CCEFs)，发现细胞增殖水平提高，并伴有TGF-β1 mRNA水平 提高。他们还发现钙通道阻滞剂异博定和W7也能阻碍CCEFs诱导TGF-β1 mRNA水平增加，从 而指出电刺激诱导TGF-β1 mRNA变化可能是通过与钙/钙调节蛋白路径相关的机制发挥作用 的。
1982年，Luben[15]给鼠的成骨样细胞分别施加连续脉冲系列磁场(重复率72 Hz)和 经15 Hz调制的周期性触发脉冲，发现电磁场(EMFs)能明显抑制甲状旁腺素(PTH)对鼠成骨样 细胞的作用。但是1，25二羟维生素D3对胶原合成的抑制作用不受EMFs影响。1，25二羟维生 素D3与PTH作用效果相似，但前者直接作用于胞核，后者则首先作用在胞膜上，因而Luben认 为EMFs首先作用于胞膜，进而干扰激素受体作用或阻止膜上受体环化酶偶联。Fitzsimmons 等人[16]发现脉冲电场刺激了成骨细胞表面胰岛素样生长因子Ⅱ(IGF-Ⅱ)的释放 ，提出电场照射使预先合成的生长因子释放出来，引起细胞增殖。他们给骨肉瘤细胞TE-85 施加电容耦合式电场，发现细胞增殖水平提高25%。实验还表明增殖与IGF-Ⅱ mRNA水平提 高有关。
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另外还有些不同结论的实验结果，如Yamada等人[17]对三种目前已用于医疗的典型 脉冲电磁场(PEMFs)进行了各种体外、体内实验，研究PEMFs对骨形成和再吸收的作用。他们 在实验中没有发现PEMFs对骨代谢的明显作用，暗示了目前使用在医疗上的波形还有争议。
总之，(1)生物、医学研究表明低能量、低频率电磁场(电流密度10～100 mA/m2，频率小于1 kHz)对骨与骨细胞有作用；(2)〗电磁场与细胞的 作用并非是一种线性关系，存在着频率、场强(电流密度)及脉宽等的窗口效应。同时，作用 时间也很重要，很多实验指出间断性作用比连续作用的效果更好；(3)同 时存在正、负作用的实验报道，还有很多不可重复的正作用的 实验报道；(4)细胞类型、生长状态、接种密度、血清浓度、照射系统的 稳定 性、外围杂散场等等都会影响实验结果，因而重复实验应首先保证实验条件的一致重复。
5 作用机制
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50年代起，Yasuda等人陆续发现骨的电机械特性和自然生物电位，提出压电效应的概念，对 电和机械因素在骨重建中的角色作了初步解释。李起鸿等[5]通过血管造影发现电 刺激侧微血管比对照侧丰富，指出直流电刺激使生理性关闭的微血管开放，改善血液供应， 加速骨折愈合。Bassett[4]认为电磁场主要对钙盐产生某种动力学影响，促进Ca 2+向阴极运动并沉积，加速组织钙化。
除此之外，许多学者把成骨机制模型建立在电磁场(EMFs)对骨与成骨细胞的作用上，从细胞 及分子水平对机制进行解释。其中一部分模型以“原生质膜是相互作用的主要位置”为基本 原则[15]，认为EMFs首先作用于胞膜，然后通过酶的级联传给第二信使，从而到达 核，引起DNA变化。但Goodman的实验[18]显示EMFs能刺激细菌提取液(无原生质膜) 蛋白合成，从而暗示了胞膜不是EMFs作用的唯一途径。Blank[19]在总结了大量实 验的基础上，也指出EMFs有可能直接作用于DNA。
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另外还有些模型并未明确要求EMFs对细胞膜的作用。Litovitz等人[20]认为不论初 始作用如何发生，外加场将最终影响合成及分解代谢速率，他们还观察到一些化学反应速率 的窗口效应，提出有些实验观察不到EMFs作用可能是由于实验者作用时间过长或不够，暗示 了大的生物效应可能发生在短期照射上。有些实验者发现时变场(交变场)与常量场(静态场) 的特定组合会产生类共振的特性，提出回旋共振模型[21]。大量实验结果支持这一 模型，但也有些不能成功地重复[22]。另外，这个模型在离子水合作用、与其它分 子碰撞时间间隔，轨道尺寸等理论背景上还存在挑战。
6 结论与展望
电磁技术用于骨科治疗的研究横跨电工技术、生物技术和医学领域。这项边缘交叉性研究目 前存在着很多方面的挑战。首先，同时存在着正作用及负作用结论的实验报道，而且还有一 些不能成功重复的正作用的实验报道；其次，对于电磁场在生物体系中产生如此显著的影响 及其作用机制，目前还没有被广泛接受的生物物理学解释。另外，实验现象显示电磁效应与 作用时间或强度之间不存在线性关系，并且存在频率及强度的窗口效应。为解决这些问题， 研究者们还在不懈的努力，积极探索电磁在骨科治疗中的应用。
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骨质疏松症(OP)是全球性公共卫生问题之一。传统的治疗方法存在较大的副作用，只能减少 骨量丢失，但不能补充已丢失的骨量。将电磁技术用于OP治疗或辅助治疗无疑是一种创新。 很多实验表明某些特定参数的电磁场能够减少或防止OP模型的骨量丢失[23]，还有 些实验[24]发现电磁场能明显恢复因OP丢失的骨量。由此可见，电磁刺激在OP治疗 上具有潜力，它的作用还需要大量实验研究证实。我们期待着进一步研究成果的出现，让电 磁技术为人类作出更大的贡献。
国家自然科学基金项目(59577016)
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(收稿：1998-12-02), 百拇医药