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’sdisease)和帕金森氏症(Parkinson’sdiseases)。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—pT；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







































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