微波是指频率为3×10²~3×10⁵ MHz的电磁波, 其相应波长是1m~1mm。具有光的直线传播特性, 辐射本领强, 易于穿透各种介质。当生物体受到微波照射后, 在生物化学、生物物理、组织形态、生理功能及行为等方面将会发生变化, 这种现象就是微波的生物学效应(biological effect of microwave)。微波生物学效应分为有益的和有害的两类, 这两类效应都可以由微波的热效应和微波的非热效应引起^[1]。近年来微波辐射的生物学效应广泛应用于骨骼灭菌、骨折愈合、骨脱钙、矫形手术、骨基质基因表达、骨肿瘤、骨肉瘤等方面。

1 微波辐射对骨生物力学的影响

微波加热后骨组织的强度检测是微波热疗的重要研究内容^[2]。Takakuda等^[3]研究了微波应用于骨肿瘤, 将组织温度加热到60℃, 保持30min, 结果骨组织的机械力量和生物化学活动未发生任何改变。李新春等^[4]研究了微波辐射对大鼠股骨细胞活力和生物力学的影响。实验组与对照组的生物力学及钙含量差异均无统计学意义(P>0.05), 股骨经2450MHz微波加热10min后, 温度可达62℃, 能够杀灭骨、软骨所有的活细胞。显然, 微波产生的高温, 在较短的时间内能杀灭骨细胞, 而对骨的生物力学无显著损害。张杰等^[2]探讨了下颌骨经微波辐射加热后力学性能的改变。先用40W将温度加热至55℃, 再将功率调至15W维持, 计时20min。加热后, 各组试件的弯曲、拉伸和压缩的最大应力与对照组无显著差异。动物实验显示, 加热后骨段呈死骨状, 交界处发生破骨与成骨效应, X射线检测未发现骨密度降低。至2个月时, 骨段仍然无血运。故认为微波加热本身并不影响下颌骨的强度, 但是愈合过程较慢, 期间应力缺陷, 容易发生病理性骨折。

2 微波辐射应用于骨骼灭菌

同种异体骨移植时常因细菌、病毒等微生物污染而影响移植效果。外国学者发现对同种异体骨移植加热可有效杀灭细菌和病毒。但是, 可处理骨的大小是有限的, 并且, 使用比较流行的浴缸加热的方法比较耗时。故改用了微波加热的方法对牛股骨进行实验研究。微波加热大大加快了大骨头同种异体移植的灭菌速度^[5]。也有学者将被金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌污染的同种异体骨在不同阶段利用家用微波炉进行照射, 尝试培养这两种细菌。结果发现, 照射2min后, 没有任何微生物生长, 可以有效杀灭污染菌。用微波灭菌的骨移植价格低廉、容易使用、快捷而且能有效地处理污染骨, 很好的解决了由于细菌污染导致同种异体骨移植所需同种异体骨的潜在性短缺的问题^[6]。研究报道显示, 与其他灭菌方法相比, 微波是一种安全、高效的灭菌方法。但微波的杀菌机制、对各种菌准确的杀菌剂量, 有待于医学工作者进一步研究^[7]。

3 微波辐射对骨折及骨折愈合影响

叶军等^[8]研究了微波高温处理的人皮质骨生物力学性质的变化。他利用2450MHz微波高温加热人皮质骨80℃, 持续30min, 皮质骨密度下降5.51%。在加载应变率为(0.8~1.6) ×10^-4 s^-1的条件下, 进行静力学试验。人皮质骨静拉伸强度无明显下降, 延伸率下降43.2%。显然, 微波高温损害了皮质骨的韧塑性, 使骨组织脆性增加, 易突发断裂, 导致骨折, 为预防微波介入式高温治疗的骨肿瘤患者病理性骨折提供了理论依据。有学者观察了微波加手法治疗对肢体骨折后功能恢复的影响。选取上肢骨折患者66例, 微波康复组35例, 对照组31例。在制动期, 微波组采用微波热疗。对照组不使用任何康复措施。结果表明早期采用微波热疗康复对骨折后肢体功能恢复有较大的促进作用^[9]。刘文伟^[10]观察了ECO-100型多功能微波治疗仪对骨折愈合的治疗效果。通过对60例骨折患者分组与传统治疗患者进行对比分析。结果显示:治疗组胫腓骨骨折临床愈合时间72.13d, 对照组胫腓骨骨折临床愈合时间86.23d, 治疗组的临床愈合时间比对照组显著提前P＜0.01﹙ u=8.658﹚。显然, 微波辐射对加速骨折愈合有明显疗效。另外, 有学者^[11]通过动物实验还观察了微波灭活骨愈合及再血管化的过程及机制。他认为, 微波灭活骨能够愈合, 其愈合及再血管化的速度均慢于新鲜自体骨, 宿主骨两端毛细血管的直接长入是微波灭活骨再血管化的主要方式。

4 微波辐射对骨脱钙及矫形手术的影响

骨组织必须经过脱钙才能制作切片。选择适当的脱钙液、脱钙方法以及脱钙时间与骨组织的制片质量有密切关系^[12]。骨和含钙组织脱钙的方法是影响临床病理检查时间和效果的一个较为重要的环节。以前种种脱钙技术时间均较长, 组织细胞结构很难保持完整清晰, 从而影响病理学的诊断和研究, 也难以保证在规定的时间发出报告, 直接影响了患者的治疗^[13]。外国学者尝试使用微波技术对组织进行脱钙。结果表明与传统的脱钙技术比较, 微波脱钙速度比传统的脱钙速度提高了30倍^[14]。微波技术脱钙方法简单、价廉、高效。另外, 微波技术也可促进骨脱矿质速率。外国学者^[15]发现利用传统的方法:将骨用EDTA在旋转器内进行脱矿质需要45h;而利用微波加热的方法完成鼠股骨脱矿质的时间仅需33h。显然, 微波对脱矿质率产生了积极的影响, 大大提高的骨脱矿质的速率。

微波技术广泛应用于矫形手术。外国学者提出了在体外使用微波钻新鲜、湿润的骨组织的可行性。使用被聚焦的能量(200W以下, 以2.45GHz的频率)以大约1mm/s的速度击穿骨头, 同时使用三点弯曲强度和疲劳试验研究了微波钻孔对体外整个羊胫骨和鸡股骨的机械特征的影响。光学和扫描电子显微镜技术研究表明:微波钻子所钻的孔比机械钻子所钻的孔更加光滑。在矫形手术期间, 微波钻子有克服目前对于皮质骨和松质骨中与机械钻孔有关的两个重大问题的潜力———在钻孔期间残骸的形成和骨头脉管系统的破裂^[16]。另外, 利用微波消解原子吸收法可以准确测定骨中的微量元素含量^[17]。

5 微波辐射对骨基质基因表达的影响

外国学者^[18]调查了微波加热对骨基质基因表达的影响, 将日本白鼠膝关节利用2.45GHz微波高频发热电极加热8~ 72h后, 软骨基质从膝关节中移出, 蛋白质和全部RNA被萃取。同时利用实时PCR的方法评估了软骨基质的代谢情况。20W以上的微波(峰值达40W)加热刺激使得Ⅱ型骨胶原信使RNA的表达有所增高。显然, 微波加热作用可以提高软骨基质基因的表达。另外, 微波辐射对骨髓细胞具有遗传毒性。外国学者^[19]利用活体Wistar大鼠以2.45GHz、5~10mW/cm²的功率密度的微波连续一周每天照射2h。实验组的动物在辐射的最后一天全部死亡。

6 微波辐射对骨肿瘤的影响

恶性骨肿瘤引起疼痛, 长期以来主要靠麻醉镇痛药来缓解疼痛^[20]。进入二十一世纪以来。我国恶性骨肿瘤的治疗已经从过去单纯的外科手术过渡到综合治疗的时期。国内外的骨肿瘤专家们在不断探索提高恶性骨肿瘤的治疗效果^[21]。有学者尝试髂骨肿瘤穿刺微波热凝固治疗。利用2450MHz的高频微波加热, 温度达50℃~70℃, 治疗中央区温度62℃, 治疗时间16min。治疗当天夜里患者感觉右髋痛明显减轻; 第2天早晨竟然能独立行走, 而不再使用轮椅, 饭量增加, 改变了长期以来患者疼痛不堪, 不思饮食的状况^[20]。张杰等^[22]探讨了微波加热对下颌骨内肿瘤细胞的杀伤作用。将微波仪辐射探头置于骨段表面, 调节输出功率为40W, 使其温度达到50℃, 然后降低输出功率为15~20W, 使骨段温度维持在50℃±1℃, 维持20min后, 下颌骨内恶性肿瘤细胞能够被彻底杀灭。随着不断的研究和探索, 外国学者提出了使用微波局部消融术治疗骨肿瘤。消融技术还包括乙醇消融、激光消融、射频消融等。与其他消融技术相比, 特别是射频消融, 微波技术更加安全、高效。微波能量成为组织消融较好的能源。但是, 其长期的疗效还有待于进一步的研究^{[23, 24]}。脊柱骨肿瘤也是严重危害人类健康的疾病之一, 具有较高的致残率和死亡率。沈万安等^[25]对2例腰椎肿瘤应用微波诱导高温予以原位灭活, 观察了术中及术后早期并发症。于病变处插入微波天线, 输出微波, 保持病变中心温度为80℃~100℃, 周边温度为45℃~50℃, 持续10~ 30min。结果, 2例患者术后病理诊断分别为肾癌椎体转移和软骨粘液纤维瘤。随访1~4个月, 术中及术后早期无并发症。朱方正等^[26]也利用了微波治疗脊柱恶性肿瘤, 术中先行双侧椎板开窗或切除, 经椎弓根插入2根微波天线, 诱导高温灭活15~30min, 灭活温度50℃~85℃, 灭活过程中硬膜外冰水降温。结果1例术后24h出现单侧下肢感觉、运动功能完全消失, 3周后逐渐恢复, 无任何手术期并发症。手术出血量300~ 850ml, 平均550ml; 手术时间1.5~3.5h, 平均2.5h。术后随访3个月~1a, Frankel神经功能分级较术前改善, 1例转移瘤患者死亡, 1例局部复发。显然, 微波诱导高温原位灭活脊柱肿瘤具有手术出血少、缩短手术时间等优点, 但远期效果有待进一步随访观察。

骨肉瘤是由肉瘤性成骨细胞及其产生的骨样组织组成的恶性肿瘤。在我国, 骨肉瘤的发病率占原发恶性骨肿瘤的20%, 多发生于15~25岁的青少年。发病部位主要是四肢长骨, 最常发生在股骨远端, 胫骨近端和肱骨近端^[27]。外国学者^[28]利用微波导致的极高热治疗了四肢与骨盆的骨肉瘤和软骨肉瘤。当正常组织被过热器保护时, 将微波释放的热量作用于骨肉瘤。治疗后大多数病人在承重支架的支撑下, 很快便可行走, 存活率达73.9%。郑联合等^[29]以2450MHz微波不同作用剂量和时间, 作用于人成骨肉瘤细胞, 采用形态学观察, 四唑兰显色法, 软琼脂集落形成实验, FCM等方法观察微波诱导成骨肉瘤细胞凋亡。微波照射成骨肉瘤细胞后细胞形态发生了改变, 细胞皱缩呈圆形或卵圆形, 与邻近的细胞脱离, 随着照射剂量的增高, 越来越多的细胞脱离基质。微波可引起成骨肉瘤细胞凋亡或死亡, 并呈时间依赖性和剂量依赖性。提出了微波体外诱导成骨肉瘤细胞凋亡的最佳作用剂量和时间为100W/m2和1h。贺会江等^[30]用UHR-915MHz大功率微波热疗结合大剂量甲氨喋呤(HD-MTX-CF)和放疗治疗了髋关节骨肉瘤。不良反应少, 值得临床推广。微波治疗方法具有微创、简单、安全、有效的特点, 尤其对于外科不能手术的病例, 更是首选方法^[20], 但骨折、局部复发、感染等不容忽视^[28]。微波诱导成骨肉瘤细胞凋亡具体的分子生物学机制推测可能是某些基因在辐射过程中发生改变, 启动相关的信号转导通路, 导致成骨肉瘤细胞的生长状况发生改变, 使成骨肉瘤细胞发生凋亡, 但其具体的分子机制尚待进一步研究^[29]。

综上所述, 微波辐射广泛应用于临床上骨的各个方面。为临床治疗提供了更好的指导, 并且有利于对其深入研究提供依据。由于微波对人体有伤害作用, 对于从事微波技术工作的人员和接受微波治疗的患者, 除有病变组织以外的部位, 都应采取防护错施^[1]。目前, 国内外对于微波辐射应用于骨的研究报道甚少, 相信随着科学技术的不断发展, 有关微波辐射应用于骨的研究报道将会日益增加。