顱骨成形材料的分類及其應用進展

楊佳良，展如才

1 濰坊醫學院，山東省千佛山醫院神經外科，濟南250014；2 山東第一醫科大學第一附屬醫院（山東省千佛山醫院）神經外科

顱骨成形術也被稱為顱骨修補術，是目前神經外科的常見手術。術中如何選擇最合適的成形材料，仍是目前神經外科醫生討論的熱點。最早古印加人使用貝殼、椰子、葫蘆以及金、銀板來覆蓋顱骨缺損的部位［1］。后有外科醫生用山羊和狗的顱骨來修復患者缺失的顱骨。1668 年，荷蘭外科醫生發表的文章敘述了用狗的顱骨修補劍傷導致的顱骨缺損［2-4］。修補缺損顱骨最理想的材料除具有安全、堅固、輕盈、便宜、耐酸堿腐蝕、射線透過射線、無毒害等基本性質外，還需與人體有良好的生物相容性、不被免疫排斥和優美的生物曲線。現將臨床常用的成形材料綜述如下。

1 自體移植材料

自體移植材料主要包括自體顱骨和人體其余部位的骨瓣，往往選擇人體髂骨、肋骨、胸骨等部位取骨［5］。自體骨擁有完美的生物相容性及誘導成骨潛力，并且極少發生排斥反應，自體骨植入后對感染有一定的抵抗作用，疾病傳播風險低，強度與顱骨強度相同。此外，術中取下患者的骨瓣與自身顱骨缺損契合度高。由于自體骨數量有限及移植后非常容易出現吸收，自體骨難以修復缺損較大的顱骨［6］。并且取出體外后自體骨如何保存也是一大難題，目前常見的保存方法大致分為體內或體外保存。前者是將術中取出的骨瓣通過手術移植到患者大腿、腹壁等部位皮下，等到患者行顱骨成形手術時再將皮下的骨瓣取出。但這種方法會增加患者的痛苦，易出現感染及骨瓣在皮下被吸收的情況。體外保存有冰凍保存、風干后保存等保存方式，待修補時再行消毒滅菌。但由于個人保存方法不規范，集中儲存于醫院中成本過高，因此，其應用受到限制［7-8］。

2 異體移植材料

異體移植材料往往取自他人的骨瓣，在一定程度上可解決顱骨缺損區域較大患者自體骨不足的問題，滿足臨床需求。為減少排斥反應，常用輻射法、高壓蒸氣滅菌等方法處理異體骨。由于異體材料的獲取會對供者造成較大創傷并涉及許多倫理學問題，目前已經極少應用。

3 異種移植材料

早期神經外科醫生曾嘗試使用犬類、猿類等低等動物的骨組織進行顱骨成形術。異種骨移植除了常見的移植后感染及骨質吸收等并發癥外，由于人體對異種移植材料具有極大的免疫排斥反應，對患者造成二次傷害，臨床上已經不再使用異種材料進行顱骨修復［9］。

4 金屬類移植材料

可用作顱骨修補的金屬主要包括金、銀、鋁、鈦等。鋁作為骨移植物的金屬材料會隨著時間的推移而溶解，并會刺激腦內神經組織，誘發癲癇，目前已經不再使用。金作為修補材料雖然效果較好，但黃金材料質地較軟，并且不具有成本效益，從而未能得到廣泛使用。用銀板修補的顱骨容易與皮膚周圍組織發生氧化反應，使皮瓣變色，而且純銀質軟，對外力的抵抗力差，受力后產生形變，從而損傷顱內組織及神經［10］。20 世紀 50 年代鈦元素開始應用于顱骨成形術中。鈦制成的材料安全、強度高、可透過射線、抗酸堿性強，在人體內很少產生排異反應，目前臨床上應用較多［11］。但由于鈦網為金屬材料，有良好的熱傳遞性，在室外高溫環境中有可能對顱內大腦組織及神經造成損傷，鈦網仍不是目前最理想的顱骨成形術材料選擇［12］。

5 非金屬類顱骨移植材料

5.1 聚甲基丙烯酸甲酯 這種材料具有堅固、穩定、耐熱、可被X 線穿透等特點，由于其強度與人體的骨骼類似，也被稱作骨水泥，在臨床上用于顱骨缺損修復［13］。但其較脆，外力撞擊時易出現開裂，所以很少單獨用于顱骨修補中。聚甲基丙烯酸甲酯與自體骨相比缺乏孔隙，被植入顱內后無法被新的組織浸潤包裹，術后易發生感染，目前已經較少使用。另外，由于難以與周圍組織相容且不能隨顱骨的生長，兒童的顱骨缺損禁用聚甲基丙烯酸甲酯作為修補材料。

5.2 羥磷灰石 羥磷灰石與生物相容度高，其化學成分和結構非常類似于人類骨骼。由于羥磷灰石材料與骨的相似性，其可以通過影響破骨細胞的活性進而干涉骨組織的重塑過程，與新骨形成類似，其本身也可以在植入后作為合成的骨的支架。已經證明，當與正常骨組織相鄰時，類骨物質只形成在羥磷灰石的表面［14］。而且通過在羥磷灰石材料補片制造過程中增加孔的數量和大小，可以實現完全或近乎完全的材料再吸收。羥磷灰石材料易塑形，其最大的特點是有各種大小的氣孔。這些大小不等的氣孔不但促進新骨生成的成骨細胞遷移和附著，而且對植入該裝置的骨祖細胞提供充足的營養和生理液體至關重要。這種高度多孔和可滲透的結構對于細胞容納和增殖十分理想，可以促進新骨基質的合成，并使新組織快速再生以及補體材料與患者缺損處的健康顱骨的相互整合。由于這些性質，羥磷灰石被廣泛用于成年人以及兒童的顱面骨重建［15］。但由于羥磷灰石質地較脆，常常通過在其內部鑲嵌鈦網及抗生素涂層來增加其強度與抗感染能力。

5.3 聚醚醚酮材料 目前顱骨成形術中的新材料聚醚醚酮是一種芳族半結晶聚合物，具有耐高溫和輻射的優點，擁有類似于皮質骨的強度和硬度，惰性強，基本排除了由機械或化學分解因素所導致的細胞毒性物質的釋放。此外，由于聚醚醚酮材料在高溫下的結構穩定性，使其可以在濕熱或干熱下滅菌，而不會產生形變。其極低的熱傳導性降低了外界溫度變化對顱內腦組織及神經組織造成損傷的可能，并且不會對患者影像學檢查結果造成影響。此外，聚醚醚酮材料也能夠通過CT 薄層掃描與計算機3D打印技術相結合制成與患者缺損處顱骨生物弧度近乎完全相同的成形材料，使顱骨修補后更加美觀［16-17］。但是，聚醚醚酮材料價格較高，部分患者難以接受。因此，在不考慮價格因素的前提下，聚醚醚酮材料被視為是目前顱骨成形術最理想的材料。

6 未來的顱骨成形材料

6.1 骨組織工程制造的成形材料 骨組織工程通過體外培養將種子細胞移植到支架材料上，并添加生長因子共同用于缺損區的修補［18］。這一技術使顱骨缺損區域恢復到完全正常的生理結構和狀態變成可能。骨組織工程所制造的成形材料在促進顱骨缺損區新生骨的生長的同時，材料也逐漸降解，最終缺損區顱骨實現完全再生。而且骨組織工程可以完美地解決自體骨保存困難、取材有限的問題，是一種優于自體骨的修補方式。

6.1.1 支架材料 支架是主體，起到承載細胞的作用［19］。目前市面上的支架材料大致分為天然材料和人工合成材料。常見的如膠原蛋白、羥磷灰石等，理想的支架材料應具備以下特點：易制造獲得，經濟實惠；對人體安全無害；不被人體免疫排斥；易于細胞附著和增殖。

6.1.2 種子細胞 人體胚胎干細胞、誘導多能干細胞、骨髓間充質干細胞等是目前理想的種子細胞，也是骨組織工程最為重要部分［20］。理想的種子細胞需具有易獲得性、誘導后可定向分化性、高活性等特性。常見的種子細胞有胚胎干細胞：人體的胚胎干細胞是目前最佳的種子細胞，其擁有自我復制和多向分化的潛能，通過誘導可分化為人體的任何細胞。在動物實驗中已經證實，人胚胎干細胞具有巨大的成骨潛力。誘導多能干細胞：通過導入外源基因體細胞去分化，使其基因重編程而得到的類似于胚胎干細胞一種細胞類型，其除了具有多向分化的能力外，同樣具有自我更新的潛能。雖然誘導多能干細胞在一定程度上避免了倫理問題，但由于基因表達不穩定導致誘導效率較低，目前臨床上難以廣泛應用，未來還需要更多的研究。骨髓間充質干細胞：骨髓間充質干細胞主要來源于自體骨髓和臍帶，具有良好的多向分化能力。骨髓間充質干細胞作為種子細胞在骨組織工程的應用較廣泛，并且通過與支架材料復合后在骨誘導方面更加出色。由于隨著年齡增長骨髓間充質干細胞在人體內逐漸減少，目前在臨床上的應用受到一定限制［21］。

6.1.3 生長因子 為了加快骨增殖、血管組織浸潤，維持種子細胞的活性，往往需要生長因子的幫助，這也是骨組織工程中必不可少的一個環節。常見的生長因子有骨形成蛋白、血小板衍生生長因子、轉化生長因子β 等，但生長因子往往會帶來一定的并發癥，需謹慎選擇［22］。

6.2 四維（4D）生物打印

6.2.1 概念 4D 生物打印是把時間的概念加入到了3D生物打印中，近年來被提出并作為未來新的組織工程技術。4D 生物打印為構建復雜的功能結構材料提供了可能。4D 生物打印將3D 打印的材料動態化，使刺激響應材料在各種刺激下逐漸改變材料形狀［23］。隨著時間的推移，所打印出含細胞結構體的功能轉化和成熟均向著打印時設定的方向進行，這一技術使骨組織工程具有前所未有的潛力。打印材料結構和功能隨著時間的推移而不斷改變是4D生物打印的最主要特點［24］。

6.2.2 在骨組織工程中的應用 ①形狀記憶支架的骨組織工程4D打印：通過熱刺激形成記憶效應的原理，可制造出形狀可復性的聚乳酸和羥基磷灰石多孔支架。聚乳酸和羥基磷灰石復合多孔支架具有較高的形狀恢復能力，可作為顱骨缺損的植入物修復小面積的骨缺損［25］。因此，4D 打印結構所具有的形狀變換特征可以實現個性化的骨缺損修復。這種4D 生物材料可用于修復植入后由于契合度差異導致的支架形狀改變所產生空隙空間的骨缺損。如通過3D激光印刷技術，打印環氧化丙烯酸酯材料所制造的具有生物相容性的溫度響應形狀記憶支架。由于多孔支架具有良好的生物相容特性，使多功能人骨髓間充質干細胞更加容易附著與增殖。因此，具有形狀記憶的生物醫學支架對骨組織工程中4D 結構的發展有很大幫助。②帶有血管和神經網絡的骨組織工程4D打印：神經外科中修復較大的顱骨缺損所面臨的主要問題往往是如何促進修補材料中微血管和神經網絡生長。4D 打印所出的微血管系統也許會成為這一問題的解決方法。通過將小鼠骨髓間充質干細胞與甲基丙烯酸藻酸鹽和透明質酸混合水凝膠結合，目前已經制造出直徑與最小血管的直徑相當的中空自折疊血管［26］。此外，在生物打印過程中，4D 水凝膠內的酶可誘導纖維蛋白生物膜形成，這也能促進顱骨修補材料中血管網的生成［27］。此外，電響應生物材料的4D生物打印具有神經組織的巨大再生潛力。這種電刺激響應的4D 技術可以與骨組織結構構建技術相結合，用來修復具有神經損傷的顱骨缺損。③基于功能轉換機制的骨組織工程4D 打印：仿生骨微環境可以在一定程度上改善3D打印支架的生物學功能，并在生物打印的后期驅動干細胞成骨。仿生微環境的建立促進了3D 打印構建體的功能完善成熟，目前也被認為是組織工程中的4D 打印。通過用富含細胞的礦化細胞外基質修飾聚合物3D打印支架來模擬骨微環境，隨著時間的推移，打印出的骨結構變得更加成熟［28］。結果表明，細胞外基質修飾的支架比裸三維印刷支架具有更好的骨誘導和骨傳導特性。此外，具有壓電效應的智能生物材料，如鈦酸鋇，可以響應外加應力刺激生理電微環境，促進成骨細胞的生長，具有良好的生物相容性和骨誘導能力。壓電材料的特性可用于在打印材料的后期增強印刷結構的功能成熟，為4D骨組織生物印刷提供新的策略。④基于可注射刺激響應材料的骨組織工程4D打印：目前被開發并逐漸應用于骨組織工程的可注射的熱響應性多聚糖水凝膠，可作為不同細胞、無機高分子復合物或生長因子的載體［29］。這些改性生物材料熔點較低，在生理溫度和室溫之間物質狀態不同，在人體溫度下可轉化成為類似于凝膠的狀態［30］。這些可注射的混合水凝膠具有理想的流變特性和體內自固化的能力，是目前作為成骨細胞的理想載體，并且這些材料具有改善堿性磷酸酶活性和鈣沉積的作用，使其能夠填充小面積、不規則形狀的骨缺損并在人的體溫下形成凝膠，對顱骨缺損的微創修復具有很大幫助。生物活性物質目前也被納入水凝膠系統，用來增強間充質干細胞的分化，為骨缺損修復提供新的途徑［31-32］。

6.2.3 存在的問題 首先，如何將目前現有的刺激響應生物材料完美打印并轉化為優質的4D 生物材料仍十分困難。雖然已經對生物制造方法中的幾種刺激響應生物材料進行了詳細研究，并驗證了這些材料具有良好的的細胞相容性和體內適用性，但是將它們妥善的在人的體內直接應用仍然有相當大的難度。此外，目前還需要更多的研究來解決4D生物打印中所面臨的各種挑戰，如減少在4D打印過程產生的對充滿細胞生物支架的影響，對4D打印材料的大規模和高質量生產。其次，4D 打印材料結構的現有形狀變換過程仍然是簡單的變形，例如折疊或組裝。目前仍需付出更多的努力來提高材料漸變的形狀和打印精確度［33］。在使用刺激響應材料的過程中，如何使材料的刺激反應能力長期保持敏感，當發生形狀變化時，如何精確控制內應力的產生或釋放也是有待解決的問題。有報道指出，重復折疊及展開會導致打印的結構機械性能明顯下降，幾乎所有的4D 打印材料只能在特定的情況下完全恢復到原來的形狀。另外，打印材料結構的機械強度通常難以承受高壓。因此，研究出具有形狀轉換穩定特性的4D生物打印結構十分必要，特別是當打印材料需要重復響應時。此外，在臨床實踐應用之前，還有一些問題需要解決。例如，溫度和體內電解質濃度的適度改變，一般情況下不會對活細胞產生不利影響，但當紫外線水平和體內酸堿度的劇烈變化可能對4D 材料的活性產生極大的負面影響，如何合理的處理刺激響應材料和免疫系統之間的相互作用，使4D打印材料和人體內微環境之間更加協調也十分關鍵［34］。此外，由于人體內的生理活動十分復雜，細胞的活性會受到各種刺激的影響，如神經調節、體液調節等。打印的生物材料在實現其全部功能之前通常要經歷多個轉化過程。因此，如何打印出能夠在多種刺激下仍能完成復雜的形態和功能轉變的生物材料具有很大挑戰。最后，在生物打印中減少對材料細胞的刺激和損傷也十分困難，減少對這些可編程生物材料的刺激的每一個過程都需要花費巨大的成本，如何減少4D生物打印的成本以及如何在移植后誘導4D 生物材料的流暢性表達都是今后需解決的問題。

相比于目前傳統的臨床顱骨成形材料，骨組織工程材料具有更加廣闊的應用前景，其具有的生物相容性、安全性等特性是目前傳統材料無法比擬的，但其研究仍處于起步階段，材料的選擇及打印成本等問題仍需進一步研究解決。隨著生物技術的不斷進步、材料科學的突破以及干細胞應用研究和組織工程學的發展，相信顱骨成形術會完美重建人的顱腔結構和功能。