听骨链病变的修复-赝复体技术的发展

鲁雪雪 孙建军 童步升

听骨链缺损是临床常见中耳疾病之一,由此引起杠杆运动与阻抗匹配功能的障碍，使声波不能正常传入内耳,造成传导性聋。通过鼓室重建和听骨置换方法可以有效地改善听力，听骨链重建手术即重建鼓膜-底板间的连接、恢复两窗间相位-压力差,目的是恢复听骨链解剖结构的完整性、活动度及稳定性。随着耳外科技术、材料科学与制作工艺的进步，在听骨链病变的修复与重建领域出现了许多令人瞩目的进展。听骨赝复体是听骨链重建的重要材料，目前其在生物相容性、结构适形性、解剖可塑性以及制作精细化等方面达到前所未有的水平。本文从听骨假体设计、赝复体材料的特性、赝复体演变等方面进行归纳总结，就听骨链病变的修复及听骨赝复体技术的研究进展进行综述，为临床提供参考。

1 中耳生物力学与假体设计

1.1声波传递的结构基础 人耳具备精细的能量传递及转换功能。外耳道内声波通过鼓膜的振动将其传递至听骨链，再经镫骨底板传至内耳的外淋巴液，而后者可刺激毛细胞变形形成生物电，电信号经听觉通路传递给大脑产生听觉。在传导过程中，除鼓膜、听骨链等精细构造外，各听骨之间的肌腱及韧带的协调起着重要的作用。

1.2中耳的生物力学 自1978年起，许多国外学者[1]开始利用有限元方法(finite-element method，FEM)研究中耳结构的力学行为以分析中耳腔结构改变时中耳传音效果的差异。随后国内学者也通过上述方法对人耳结构展开了相关的仿真模拟与数值分析。曾新宇等[2]通过对比鼓膜、锤砧骨以及镫骨底板的移动方向与振幅数据，建立有限元模型，发现锤骨、砧骨及镫骨围绕一定的转轴进行转动和摇摆，而镫骨底板则呈现活塞式运动。黄华等[3]研究去除部分听骨的中耳有限元模型(临床最常见的病变类型)，并建立柱形金属钛结构架构于锤骨与镫骨之间(即模仿PORP功能)，观察在不同部分听骨赝复物(pqrtial ossicular replacement prosthesis,PORP)植入模型情况下，以及放置不同软骨材料时的镫骨底板活动度，结果显示各组之间活动度存在差异，表明PORP材料的种类及安放位置对中耳的声波传导功能有显著影响。Koike等[4]曾应用有限元理论研究听骨链及鼓膜的弹性模量，并指出使用该模型可以逼真地再现复杂的听骨链运动且发现中耳腔不影响鼓膜的振动模式。Gan等[5]在17个新鲜或新鲜冷冻的颞骨标本上应用有限元方法建立模型，测试两个植入物质量负载条件下镫骨底板的位移(这两种植入物是由类似的稀土磁性材料制成的圆柱形结构，包括用于听骨附着的钛金属丝)，并将镫骨位移与250～8 000 Hz频率的无负载(对照)条件进行比较，结果表明，植入物的质量越大，在镫骨足板处测量的位移越小；作者提出，对于听骨链的质量负荷增加应有一个数量限制，质量过大将显著影响听力阈值。上述研究提示，听骨链运动机制研究对人耳功能的基础研究及临床研究有着重要的指导意义。

1.3听骨赝复体的构型设计 除了生物相容性外，对听骨植入体的另一重要评价指标是假体的适形性与可塑性，研究人员已设计出数百种不同类型和不同材料的听骨赝复体。依据其在中耳显微解剖学与结构力学特征，将其归纳为部分听骨赝复体(PORP)和全听骨赝复体(total ossicular replacement prothesis,TORP)两大类。在PORP和TORP整体设计方面，充分体现了根据锤骨、砧骨和镫骨上结构病变的特点，进行连接与修复的适形性理念[6]。在可塑性方面，主要通过对假体长度、盘径和曲度的调节实现精准的个体化修复。就材料性质而言，目前认为，钛金属及其合金假体(包括某些特殊类型的复合材料假体)在重量、构件的精细度方面较为理想，可以满足不同型号与规格假体的制备，为临床应用提供了多元化的选择[7,8]。

2 各种赝复体材质的特性与优劣

2.1同种异体的听骨、皮质骨与软骨 同种异体假体来源于人类供体组织，它们易于获得和雕塑，但材料来源受限,需要储存并特殊处理后使用[9]。此外，不能忽视的是存在传播艾滋病、疯牛病等疾病的可能性。因此，这类材料正逐渐退出人们的视野[10]。

2.2高分子聚合物 此类材料包括聚乙烯、聚四氟乙烯等。多孔高分子聚乙烯的优点是质地较轻，其多孔构造有利于组织长入。由于其疏水性和低表面张力，聚四氟乙烯材料多用于镫骨重建假体[11]。缺点是临床应用中发现其具有不稳定性、易脱位及偶有排斥反应[12]。中耳假体直接与鼓膜或人工鼓膜表面接触时排出率较高，在咽鼓管功能不佳或感染存在时更加明显。为降低排出率，术者通常在假体和鼓膜间放置软骨片以获取良好效果。

2.3生物陶瓷 包括生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷，前者是指在生物体内不发生或发生极小反应的材料，如：氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等；生物活性陶瓷的主要成分与人体骨成分中无机质部分接近，植入后经新陈代谢可被新生骨结构代替，如羟基磷酸钙陶瓷、羟基磷灰石陶瓷。该陶瓷质地较脆且多孔，因此骨的矿化组织和纤维组织可进入并填充其间隙,将其固定。单纯羟基磷灰石是无骨诱导能力的，但当其和骨形态发生蛋白混合植入后,可具备骨传导及诱导成骨的双重特性[13]。羟基磷灰石人工赝复体的生物相容性极佳，相关研究结果表明，新型羟基磷灰石复合骨形态发生蛋白假体与同种异体听骨相比，修复听骨缺损可获得更好的效果，其赝复物可以直接与鼓膜相接触[14]。

2.4钛金属 钛金属听骨赝复体生物相容性好，暴露于空气后，其表面会形成一层氧化层，对活体组织具有高亲和性，故其表面可吸附各种活细胞[15]。目前临床上已广泛应用的钛听骨设计合理，可塑性强。部分有镂空设计的听骨在术中视野好，顶部的圆盘有小孔可以观察安放位置。特殊的凹陷套装于镫骨头更加稳定，操作简单、 方便。钛金属质轻且坚硬，能产生较好高频听力传导效果。Goode[16]描述了一种适合于测试的人颞骨模型，并讨论了在该模型中评估几种假体的结果，假体力学模型证实，鼓膜与镫骨之间有合适的张力，有利于声波传导，不同的张力可引起中耳传声效果变化，张力位于0.5～4.0 kHz频率区间都能获得最佳听力效果。钛质假体具有一定程度的骨结合性，能和骨直接形成骨连接。Sudhoff 等[17]曾为植入钛假体4年后的患者行二次手术，取出假体时不慎将镫骨带出，超微结构证实，钛假体与镫骨足板间存在骨性连接。提示骨性连接可能会引起镫骨足板固定导致手术失败。

3 赝复体演变及与临床效果提升

3.1赝复体材料的演变 Austin提出的以锤骨、 镫骨为依据的听骨链缺损分型方法沿用至今[18]，各种修复技术与赝复体均以此为基础。目前应用于临床的植入听骨材料种类繁多，其演变轨迹与顺序为：从经典自体或同种异体骨到高分子聚合材料、生物陶瓷、钛金属，以及由多种材料组成的复合假体。

3.2不同材料听骨赝复体的临床效果 Gelfand 等[19]分析了404例中耳胆脂瘤患者应用羟基磷灰石及钛质人工听骨进行听力重建的效果，接受部分听骨赝复体(PORP)的羟基磷灰石组患者手术前后的气骨导差为9.9 dB，钛质 PORP组为9.5 dB， 两组之间差异无统计学意义，即使用两种材料重建听骨链听力改善无明显差异，但羟基磷灰石人工听骨组术后胆脂瘤复发及感染的几率较钛听骨组高。

Shah[20]对应用钛质赝复物进行听骨链重建的患者进行为期11.1个月的随访，发现19例患者中有18例(94.8%)术后听力恢复正常或仅有轻度听力下降，并提出钛质假体是用于听骨链重建的有效且合适的植入物；在假体和移植物之间使用软骨有助于防止假体的移位，是稳定听小骨、提高远期疗效的重要手段。

从赝复体的制备可以发现，钛金属材料假体的构造更为精细，尤其是在与原有(或残存)听骨的连接界面或耦合方式，具有较好的适形性和稳定性。其可固定砧骨长脚的桥接假体，既可以重建砧镫关节，又能够保留锤砧关节。术中还可根据不同缺损程度，应用长度可调的假体来满足个体化的需求。Zenner[21]在临床实验中分别采用固定长度和可调节长度两种假体，显示可调节假体可允许外科医生调整假体的长度，在手术过程中选择所需的尺寸，保证了良好的术中处理，以适应患者的个人解剖需求。

任何材料各有其优缺点，临床选择何种假体需根据情况而定。从中耳生物力学原理认识鼓室传声结构是耳外科技术改善听觉传导功能的基石。

4 新技术与新趋势

4.1组织工程与器官再生 组织工程(tissue engineering，TE)，是细胞生物学与材料学相互融合的一门科学，其可在体外或体内构建组织或器官，用于替代病变部位。组织工程要素包括种子细胞、细胞外基质与诱导因子、生物支架。按比例构建成为细胞-材料复合物, 然后将其植入体内。 生物支架在体内渐进降解及吸收，与此同时，随着种子细胞不断增殖, 最终可形成符合目标需求的组织或器官[22]。Weinand等[23]设计了水凝胶人拇指骨组织，使用磷酸三钙(tricalcium phosphate,TCP)和聚己内酯(polycaprolactone,PCL)制成的人拇指远端指骨的3D打印支架，在多孔支架上分别于体外和体内研究了磁性分选人间充质干细胞，比较两种不同水凝胶中的成骨能力,结果表明最好的骨样组织由I型胶原水凝胶形成，组织学和放射学检查及生物力学硬度检测也同样证实这一点。此实验证明可以用组织工程方法构造成骨，未来可望运用于听骨链病变的修复。

原位组织工程的问世及发展，改变了组织缺损修复的传统模式。通过该项技术可以规避许多其他材料的各种缺点，具有明显的可行性优势，尤其适用于耳鼻咽喉及颅-颌面部位的病损修复。李雪盛等[22]应用原位组织工程技术，观察了听骨的再生过程，将猪的小柱状脱细胞骨与骨形态发生蛋白2复合后制成听骨假体,植入动物听泡内,观察其成骨状况，组织学观察显示有成骨细胞和骨基质形成，表明存在自体听骨的再生过程。上述结果表明加载蛋白的脱细胞骨可在听泡内产生新生骨组织，且外形与体积可控。该研究将为听骨链重建提供全新思路和实验基础。

4.2快速成型技术 随着生物材料与3D打印技术的快速发展，骨组织缺损的修复逐渐成为最佳的应用目标。基于预先设计方案，以“分段制造, 逐层叠加”原理选择相应的生物材料进行的三维打印，已广泛用于许多医疗假体的制作，包括耳模成形、下颌骨成形等。骨骼组织是一种复杂的矿物质复合物，主要是磷酸钙(CaP)和有机基质(主要是I型胶原蛋白)，具有精致的组织结构和力学功能。理论上，骨骼组织是可以使用3D打印实现形态模拟。Trombetta[24]曾总结3D打印的纯CaP陶瓷支架或复合CaP陶瓷支架，两者都可提供支持和促进骨骼生长的支架;对比低温印刷与高温处理打印方法的优缺点，发现用于药物和生长因子递送的CaP骨架，经高温技术处理后具有使CaP陶瓷获得增强的机械性能的作用；在标准的体外试验中，在温和的低温支架制造条件下掺入抗生素可保持药物的抗菌活性，该研究为骨组织打印奠定了技术基础。通过3D打印生成的矩阵支架，还可将干种子细胞接种于此，该支架可以为初始细胞的附着和随后的组织生长提供模板，确保细胞在支架结构内有序生长。

当听骨链病变时，最易累及的是砧骨，因此对砧骨的处理始终是临床的大概率事件。3D打印技术能够依据需要设计出相应结构模型，选择合适的打印材料，即可制备出所需的物体构型，为听小骨假体的定制化及个性化提供了可能。Hirsch等[25]利用快速成型技术设计打印出砧骨结构的替代物，完成了听骨链的个体化匹配。由此可见，定制3D打印个体化的听骨假体将是中耳病变所致的解剖变异的潜在解决方案。

5 展望

从听骨链重建适应症到各种听骨假体的演变与优化，关于听骨链重建的研究仍在继续。传统的听骨假体已无法满足个体化的临床需求，作为器官可再生替代的一种途径，未来组织工程与再生医学及3D打印技术的发展可以解决临床上修复和重建的各种需求。在深入了解中耳解剖及生理特点的同时，可通过改进假体的材质与适配性，为患者提供更适合的治疗方案。应用组织工程技术，将实现真正意义的修复与再生，使听骨链重建的远期效果得到进一步的提升。