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磁性是物质的一种基本属性，包括生物体在内的任何物体均具有磁性。物质的磁性根据物质在外磁场中的表现可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性等。对生物体磁性及来源的研究有利于揭示外界磁场对生物体的作用，或利用其开发相关磁检测技术进行基础研究和／或临床检测、治疗。

磁场与物质的作用与物质的磁性组成相关，也因磁场的参数、作用方式、作用时间而异。恒定的磁场对物质的作用仅与磁场相关，变化的磁场对物质的作用还要考虑电场的因素。外磁场会对生物组织和生命活动产生影响，临床上已有利用磁场进行疾病治疗和健康维护的应用。

本文重点阐述骨组织磁生物学研究现状，包括骨组织磁性来源，外界磁场作用于骨组织的效应及机理，与磁场相关的骨组织临床检测、治疗技术，并介绍基于骨组织的磁性发展起来的用于空间失重环境导致骨质流失研究的强磁重力技术。

1 生物磁性物理基础

1.1生物磁性来源

物质的磁性来自构成物质的原子，原子的磁性主要来自于电子的运动。根据电子运动方式的不同，物质的磁性可大致分为三种：抗磁性、顺磁性和铁磁性。电子的自旋磁矩为零，在外磁场作用下轨道磁矩依据法拉第电磁感应定律产生抵抗外磁场的弱磁力，这种物质称为抗磁性物质。当存在未配对的自旋电子使原子具有一定磁矩，在外磁场作用下原子磁矩顺着磁场排列，呈现顺应磁场的弱磁力时，这种物质称为顺磁性物质。铁磁性物质不仅存在未配对自旋电子构成的原子磁矩，并且在无磁场作用时，原子磁矩也整齐排布，对外呈现较强的磁性。生物体中存在一些铁的化合物或者复合物，这些物质参与机体的重要生理过程，也是构成生物体磁性的重要来源，其中磁铁矿(也叫磁小体)和水合氧化铁是2种常见的磁性材料。

Fe3O4是一种铁磁性的铁氧化物，广泛、少量存在于从细菌到人的多种生物体内。趋磁细菌体内和鸟类的喙部有链状排列的磁铁矿，可感受地磁场进行导航。尽管目前这种磁铁矿晶体的形成过程仍是未知之谜，但是近来的研究发现该过程受一些特殊蛋白的调节。人体大脑组织中磁铁矿的发现，为揭示环境电磁场对人体的影响提供了潜在的理论依据。在低频和射频磁场作用下，大脑中的磁铁矿晶体响应外界电磁信号有2种模型：铁磁谐振作用模型和膜离子通道力学作用模型。这些模型依赖于磁铁矿晶体与磁场强的偶和作用，将外界电磁信号转化为生化信号，影响脑细胞的正常功能。进一步的研究表明，磁铁矿不仅存在于大脑中，在神经生理过程中也具有潜在的重要作用。

此外，水合氧化铁(5Fe2O3·9H2O)是一种生物体内广泛存在的顺磁性物质。水合氧化铁存储在铁蛋白中。铁蛋白是一个由24个亚基组成的空心球形蛋白，壳厚12nm，中间空心区域直径8nm可容纳4 500个铁原子。目前已经在生物体内大脑、心脏、肝脏和脾脏等组织发现铁蛋白的存在，其功能还未完全明了。并已经发展了可检测铁蛋白含量的核磁共振成像技术，用于评价肝脏的铁浓度，以及与铁元素含量相关的神经退行病变，例如阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease)和帕金森氏症(Parkinson’s diseases)。除此之外，一些其他形式的铁磁性化合物例如铁细菌中的硫复铁矿Fe7S8，以及顺磁性的铁复合物例如血红蛋白也在生物体中存在。

目前，还未见骨组织中铁磁性和／或顺磁性物质的文献报道。尽管如此，构成骨组织的大多数物质属于抗磁性材料。其特点是不含未配对的自旋电子，对外不呈现净磁矩。在外界磁场作用下，电子轨道运动改变产生抵抗外来磁场的磁化力。因此，尽管骨组织在低强度磁场下不显示磁化作用，但外界磁场对骨组织仍具有一定生物学效应，且大梯度的强磁场可对骨组织细胞产生足以抵抗重力的磁化力，可用作骨组织重力生物学研究。

1．2生物磁性检测

生物磁性由大部分抗磁性物质，少部分顺磁性物质和极少数铁磁性物质组成，其检测的研究分别在器官、细胞和分子3个水平进行。生物体的磁性极弱，心磁场和脑磁场仅分别为地球磁场的约百万分之一和十亿分之一，因此测量时需要屏蔽地球磁场的干扰，使用灵敏度极高的超导量子干涉仪(SQUID)进行。Cohen等测出在禁食状态下人腹部的磁场为0—50pT，进食时约为50pT，喝冷饮时为100—200pT；头部磁场约为10—25pT／cm；前臂为5—15pT／cm，腿部为即30pT／cm以上，而躯干约小于3pT／cm。

器官层面生物磁性的测量开始于心脏产生的弱磁场，其值10pT以下。目前人心磁图(MCG)已经能对包括冠心病、心肌损伤等多数心脏异常情况进行鉴别，并可用于胎儿心率的监测。随着认识和技术的深入，脑磁和神经磁的研究发展起来。脑磁图能有效定位包括脑瘤和癫痫在内的多种脑部病灶，诱发脑磁图可用来研究外界刺激对大脑功能的影响。常见的器官层面磁性研究还包括肺磁，肺部磁场主要是肺组织从污染的空气中吸入铁磁性物质导致。因此肺磁图可用来鉴定石棉矿工、矿山工人、电焊工人等职业工作者的患病风险。其他的研究还包括肌肉、胃、肝、脾、乳房等，骨组织磁性测量的研究还未见报道。

2 骨组织的磁生物学效应

外界磁场会对生物产生影响，既与磁场的强度、均匀度和频率等因素相关，也因生物的种类和受磁场作用的部位和时间等各异。已有研究表明脉冲磁场(PEMFs)和静磁场(SMFs)具有促进骨骼生长、加速骨折愈合、治疗骨不连等作用。

2．1整体层面研究

磁场作为一种非侵人性的物理因子，已经获美国食品和药品管理局批准，可用于临床骨骼相关疾病的治疗。Bassett等人首次用脉冲磁场治疗胫骨骨折，取得了成功率为87％的良好效果。此后，许多外科医生相继在临床上运用包括PEMFs和SMFs在内的各种磁场进行骨骼相关疾病的治疗。Sharrad对45例经保守治疗16—32周的胫骨干骨折延期愈合病人进行PEMFs曝露治疗。结果显示PEMFs曝露组的骨折愈合要明显优于对照组。PEMFs除了用于骨延期愈合与骨不连外，对因髋关节退行性病变而做股骨转子间切除术的患者的术后骨愈合也有促进作用。大量的临床观察研究认为PEMFs对骨折的延期愈合治疗效果要优于其它传统疗法。

脉冲磁场作用于骨组织，除了直接对骨组织细胞进行作用外，其在局部产生生物电流，影响局部代谢、软骨钙化也是促进骨骼生长的重要因素。为区分磁场与电场的作用，静磁场也受到众多研究者的关注。对行下颌角切除的豚鼠分别进行PEMFs和SMFs曝露，结果表明2种类型的磁场均对缺损处新生骨的形成具有促进作用。给大鼠股骨内植入磁化金属材料进行局部SMFs曝露，结果显示骨骼的骨密度和骨钙含量均有显著提高。因此，单独的磁场因素便可引起骨骼生长的改变。

除此之外，其它类型的磁场，以及多种类型磁场的组合，甚至是磁场与药物的联用也具有同样临床效果。张小云发现旋转恒定磁场可有效治疗激素性股骨头坏死，尤其是早期病变。PEMFs与SMFs相结合应用于临床刺激骨折部位，发现有明显促进骨愈合作用。PEMFs联合阿仑膦酸钠、阿法骨化醇治疗骨质疏松，临床观察显示PEMFs具有很好的缓解骨痛的效果，持续治疗也可增加骨密度。综合整体水平的研究发现，磁场对骨组织疾病具有良好的临床应用价值，但是其机理仍待明确，且磁场的参数以及受试者对磁场的敏感程度不同也会导致结果各异，因此需要在对受试者本身磁特性进行了解的基础上，建立个性化的治疗方案。
 

2．2细胞层面的研究

磁场可直接对骨组织细胞产生影响，而成骨细胞、破骨细胞和骨细胞是骨组织中3种主要的功能细胞，参与骨重建的过程，已有研究表明磁场对这3种细胞的生长和功能均具有一定作用。

一定参数和形式的磁场可促进成骨细胞的增殖和分化。成骨细胞是骨组织中主要的骨形成功能细胞。一定强度静磁场可促进成骨细胞增殖，改变细胞表面结构。细胞内钙离子浓度的变化可能与磁场促成骨细胞增殖的作用有关。磁场通过改变钙离子水平，活化钙离子依赖蛋白激酶，进一步调控包括细胞周期素在内的核内因子，从而发挥对成骨细胞的调节作用。成骨细胞的增殖是骨形成基础，但是增殖的细胞是否具有成骨功能，还需进行成骨功能检测。碱性磷酸酶(ALP酶)是骨形成的标志物，在成骨细胞分化阶段表达升高。研究表明一定强度的静磁场可增加成骨细胞ALP酶的含量，促进成骨细胞的分化。ALP酶含有过渡族的金属离子，这些离子所在部位又常常是酶的活动中心，或成为磁场作用的靶标。在骨形成的后期成骨细胞将自己包埋在基质中富集钙离子进行矿化，由于磁场会对运动的带电粒子产生影响，因此成骨细胞的矿化过程或可受到磁场的影响进而影响整个骨形成。

骨重建的另一个阶段是骨吸收，破骨细胞在其中发挥重要作用。研究发现在磁场中培养破骨细胞，连续培养时破骨细胞不能继续生长，外形变不规则，胞质空泡化，核固缩，细胞凋亡。此外磁场能减少吸收陷窝数目和吸收陷窝的表面积。这是因为培养过程中破骨细胞不能形成典型的皱折缘，骨吸收骨片能力显著减弱。同时发现不同强度的脉冲磁场照射与骨保护素(OPG)、细胞核因子KB受体活化因子配基(RANKL)、巨噬细胞集落刺激因子(M—CSF)、破骨细胞骨吸收之间存在着一定关系。脉冲磁场对破骨细胞的凋亡具有促进作用，并且这种作用与作用时间长短有一定相关性。结果说明脉冲磁场对骨质疏松症模型大鼠破骨细胞凋亡具有明显的促进作用。Chang等通过成骨细胞和骨髓细胞共培养获得破骨细胞来研究脉冲磁场对破骨细胞凋亡的影响，发现破骨细胞形态发生明显变化，照射8 h和16 h后破骨细胞凋亡率增加。因此，脉冲磁场对破骨细胞的凋亡具有促进作用，且这种作用与作用时间长短有一定相关性。

骨细胞是骨组织中大量存在，并且可能具有力学感知作用的细胞。相对于成骨细胞和破骨细胞，磁场对骨细胞生长和功能影响的研究报道较少。已有研究表明在12T强磁场作用下MLO—Y4细胞的增殖有促进的趋势，细胞形态也有所改变，表现在细胞长宽比增加，细胞骨架相关蛋白表达下降，但是细胞凋亡没有显著变化。虽然骨细胞属于终末分化的细胞，相对活动较少，但是其作为骨组织内主要的力学感受器，其信号转导过程是否受磁场的影响值得关注。

3 骨组织生物磁性及磁效应的应用

骨组织主要表现出来的磁性为抗磁性，在不均匀的磁场中会受到抵抗磁场的磁化力。当这个力足够大，并且与重力的方向相反时，便可以产生模拟失重的效应，可进行骨组织模拟失重效应与机制研究。为空间飞行失重环境导致航天员骨质流失提供了一种新的模拟手段，也为空间生物学研究提供了新的研究平台口引。此外磁分离技术是应用梯度场或者旋转场分离磁性不同物质的一种重要的技术。目前认为肿瘤细胞的恶性化程度与主要代谢产物的电子结构改变相关。铁、锰等铁磁性元素在细胞氧气运输、电子转移和DNA合成中具有重要作用。其过载也可导致细胞氧化还原过程失衡，产生过量的活性氧，肿瘤的恶性程度增高等。因此磁分离技术可用于恶性骨肿瘤细胞的筛选。

相对于骨组织生物磁性的应用，骨组织生物磁效应的在临床上的应用范围更广，历史更久，目前在临床上利用磁场促进成骨细胞增殖、分化，抑制破骨细胞功能，增加骨密度，促进骨骼生长等效应，开展针对骨质疏松、骨折愈合、股骨头坏死、骨关节疾病、骨移植在内的多种临床骨骼疾病的治疗与应用。

形式主要包括各种磁疗仪器和骨科磁性植入材料。国内外有多种用于临床治疗的磁场治疗仪，包括全身作用的和局部作用的，磁场类型以低频脉冲磁场、低频正弦磁场、旋转静磁场、及组合磁场为主。全身作用的磁疗仪可作用于骨骼系统，增加骨矿物含量、改善骨微观结构、修复骨微观缺损，从而提高骨密度和骨骼的力学强度。此外还可对人体其他系统产生作用，促进血液循环、新陈代谢等，间接对骨组织生长产生促进作用。局部的有针对股骨头坏死、脊柱融合等进行治疗的仪器，均取得较好的效果。

磁性植入材料包括给植入材料加入磁性成份或者将植入材料进行磁化，植入磁性材料后也可外加磁场与之共同作用。研究表明磁性材料植入后会增加骨骼的骨密度和骨钙含量，局部生成更多骨小梁和血管，而整体质量、血清中钙离子含量和生化指标却没有变化，证实植入材料能在针对局部骨组织，促进生长和愈合，在临床骨填充和移植中具有良好作用。

4结论与展望

多年来，磁场的骨组织生物学效应研究已经累积了大量数据，具有了一定的基础。但磁场形式参数的多样性导致磁场剂量一效应关系目前没有定量的结果。骨组织中不同细胞对磁场的响应也具有差别，表现为磁场促进成骨细胞的增殖和分化，抑制破骨细胞的形成和吸收活性。但其作用的机理以及最佳参数组合方式仍不尽清楚。尽管如此，磁场对骨组织健康维护和疾病治疗的作用已勿庸置疑，而且现有的结果也提示我们，骨组织磁性成分的分析对于揭示磁场对骨组织的作用机理具有重要作用。