颅骨成形材料的分类及其应用进展

杨佳良，展如才

1 潍坊医学院，山东省千佛山医院神经外科，济南250014；2 山东第一医科大学第一附属医院（山东省千佛山医院）神经外科

颅骨成形术也被称为颅骨修补术，是目前神经外科的常见手术。术中如何选择最合适的成形材料，仍是目前神经外科医生讨论的热点。最早古印加人使用贝壳、椰子、葫芦以及金、银板来覆盖颅骨缺损的部位［1］。后有外科医生用山羊和狗的颅骨来修复患者缺失的颅骨。1668 年，荷兰外科医生发表的文章叙述了用狗的颅骨修补剑伤导致的颅骨缺损［2-4］。修补缺损颅骨最理想的材料除具有安全、坚固、轻盈、便宜、耐酸碱腐蚀、射线透过射线、无毒害等基本性质外，还需与人体有良好的生物相容性、不被免疫排斥和优美的生物曲线。现将临床常用的成形材料综述如下。

1 自体移植材料

自体移植材料主要包括自体颅骨和人体其余部位的骨瓣，往往选择人体髂骨、肋骨、胸骨等部位取骨［5］。自体骨拥有完美的生物相容性及诱导成骨潜力，并且极少发生排斥反应，自体骨植入后对感染有一定的抵抗作用，疾病传播风险低，强度与颅骨强度相同。此外，术中取下患者的骨瓣与自身颅骨缺损契合度高。由于自体骨数量有限及移植后非常容易出现吸收，自体骨难以修复缺损较大的颅骨［6］。并且取出体外后自体骨如何保存也是一大难题，目前常见的保存方法大致分为体内或体外保存。前者是将术中取出的骨瓣通过手术移植到患者大腿、腹壁等部位皮下，等到患者行颅骨成形手术时再将皮下的骨瓣取出。但这种方法会增加患者的痛苦，易出现感染及骨瓣在皮下被吸收的情况。体外保存有冰冻保存、风干后保存等保存方式，待修补时再行消毒灭菌。但由于个人保存方法不规范，集中储存于医院中成本过高，因此，其应用受到限制［7-8］。

2 异体移植材料

异体移植材料往往取自他人的骨瓣，在一定程度上可解决颅骨缺损区域较大患者自体骨不足的问题，满足临床需求。为减少排斥反应，常用辐射法、高压蒸气灭菌等方法处理异体骨。由于异体材料的获取会对供者造成较大创伤并涉及许多伦理学问题，目前已经极少应用。

3 异种移植材料

早期神经外科医生曾尝试使用犬类、猿类等低等动物的骨组织进行颅骨成形术。异种骨移植除了常见的移植后感染及骨质吸收等并发症外，由于人体对异种移植材料具有极大的免疫排斥反应，对患者造成二次伤害，临床上已经不再使用异种材料进行颅骨修复［9］。

4 金属类移植材料

可用作颅骨修补的金属主要包括金、银、铝、钛等。铝作为骨移植物的金属材料会随着时间的推移而溶解，并会刺激脑内神经组织，诱发癫痫，目前已经不再使用。金作为修补材料虽然效果较好，但黄金材料质地较软，并且不具有成本效益，从而未能得到广泛使用。用银板修补的颅骨容易与皮肤周围组织发生氧化反应，使皮瓣变色，而且纯银质软，对外力的抵抗力差，受力后产生形变，从而损伤颅内组织及神经［10］。20 世纪 50 年代钛元素开始应用于颅骨成形术中。钛制成的材料安全、强度高、可透过射线、抗酸碱性强，在人体内很少产生排异反应，目前临床上应用较多［11］。但由于钛网为金属材料，有良好的热传递性，在室外高温环境中有可能对颅内大脑组织及神经造成损伤，钛网仍不是目前最理想的颅骨成形术材料选择［12］。

5 非金属类颅骨移植材料

5.1 聚甲基丙烯酸甲酯 这种材料具有坚固、稳定、耐热、可被X 线穿透等特点，由于其强度与人体的骨骼类似，也被称作骨水泥，在临床上用于颅骨缺损修复［13］。但其较脆，外力撞击时易出现开裂，所以很少单独用于颅骨修补中。聚甲基丙烯酸甲酯与自体骨相比缺乏孔隙，被植入颅内后无法被新的组织浸润包裹，术后易发生感染，目前已经较少使用。另外，由于难以与周围组织相容且不能随颅骨的生长，儿童的颅骨缺损禁用聚甲基丙烯酸甲酯作为修补材料。

5.2 羟磷灰石 羟磷灰石与生物相容度高，其化学成分和结构非常类似于人类骨骼。由于羟磷灰石材料与骨的相似性，其可以通过影响破骨细胞的活性进而干涉骨组织的重塑过程，与新骨形成类似，其本身也可以在植入后作为合成的骨的支架。已经证明，当与正常骨组织相邻时，类骨物质只形成在羟磷灰石的表面［14］。而且通过在羟磷灰石材料补片制造过程中增加孔的数量和大小，可以实现完全或近乎完全的材料再吸收。羟磷灰石材料易塑形，其最大的特点是有各种大小的气孔。这些大小不等的气孔不但促进新骨生成的成骨细胞迁移和附着，而且对植入该装置的骨祖细胞提供充足的营养和生理液体至关重要。这种高度多孔和可渗透的结构对于细胞容纳和增殖十分理想，可以促进新骨基质的合成，并使新组织快速再生以及补体材料与患者缺损处的健康颅骨的相互整合。由于这些性质，羟磷灰石被广泛用于成年人以及儿童的颅面骨重建［15］。但由于羟磷灰石质地较脆，常常通过在其内部镶嵌钛网及抗生素涂层来增加其强度与抗感染能力。

5.3 聚醚醚酮材料 目前颅骨成形术中的新材料聚醚醚酮是一种芳族半结晶聚合物，具有耐高温和辐射的优点，拥有类似于皮质骨的强度和硬度，惰性强，基本排除了由机械或化学分解因素所导致的细胞毒性物质的释放。此外，由于聚醚醚酮材料在高温下的结构稳定性，使其可以在湿热或干热下灭菌，而不会产生形变。其极低的热传导性降低了外界温度变化对颅内脑组织及神经组织造成损伤的可能，并且不会对患者影像学检查结果造成影响。此外，聚醚醚酮材料也能够通过CT 薄层扫描与计算机3D打印技术相结合制成与患者缺损处颅骨生物弧度近乎完全相同的成形材料，使颅骨修补后更加美观［16-17］。但是，聚醚醚酮材料价格较高，部分患者难以接受。因此，在不考虑价格因素的前提下，聚醚醚酮材料被视为是目前颅骨成形术最理想的材料。

6 未来的颅骨成形材料

6.1 骨组织工程制造的成形材料 骨组织工程通过体外培养将种子细胞移植到支架材料上，并添加生长因子共同用于缺损区的修补［18］。这一技术使颅骨缺损区域恢复到完全正常的生理结构和状态变成可能。骨组织工程所制造的成形材料在促进颅骨缺损区新生骨的生长的同时，材料也逐渐降解，最终缺损区颅骨实现完全再生。而且骨组织工程可以完美地解决自体骨保存困难、取材有限的问题，是一种优于自体骨的修补方式。

6.1.1 支架材料 支架是主体，起到承载细胞的作用［19］。目前市面上的支架材料大致分为天然材料和人工合成材料。常见的如胶原蛋白、羟磷灰石等，理想的支架材料应具备以下特点：易制造获得，经济实惠；对人体安全无害；不被人体免疫排斥；易于细胞附着和增殖。

6.1.2 种子细胞 人体胚胎干细胞、诱导多能干细胞、骨髓间充质干细胞等是目前理想的种子细胞，也是骨组织工程最为重要部分［20］。理想的种子细胞需具有易获得性、诱导后可定向分化性、高活性等特性。常见的种子细胞有胚胎干细胞：人体的胚胎干细胞是目前最佳的种子细胞，其拥有自我复制和多向分化的潜能，通过诱导可分化为人体的任何细胞。在动物实验中已经证实，人胚胎干细胞具有巨大的成骨潜力。诱导多能干细胞：通过导入外源基因体细胞去分化，使其基因重编程而得到的类似于胚胎干细胞一种细胞类型，其除了具有多向分化的能力外，同样具有自我更新的潜能。虽然诱导多能干细胞在一定程度上避免了伦理问题，但由于基因表达不稳定导致诱导效率较低，目前临床上难以广泛应用，未来还需要更多的研究。骨髓间充质干细胞：骨髓间充质干细胞主要来源于自体骨髓和脐带，具有良好的多向分化能力。骨髓间充质干细胞作为种子细胞在骨组织工程的应用较广泛，并且通过与支架材料复合后在骨诱导方面更加出色。由于随着年龄增长骨髓间充质干细胞在人体内逐渐减少，目前在临床上的应用受到一定限制［21］。

6.1.3 生长因子 为了加快骨增殖、血管组织浸润，维持种子细胞的活性，往往需要生长因子的帮助，这也是骨组织工程中必不可少的一个环节。常见的生长因子有骨形成蛋白、血小板衍生生长因子、转化生长因子β 等，但生长因子往往会带来一定的并发症，需谨慎选择［22］。

6.2 四维（4D）生物打印

6.2.1 概念 4D 生物打印是把时间的概念加入到了3D生物打印中，近年来被提出并作为未来新的组织工程技术。4D 生物打印为构建复杂的功能结构材料提供了可能。4D 生物打印将3D 打印的材料动态化，使刺激响应材料在各种刺激下逐渐改变材料形状［23］。随着时间的推移，所打印出含细胞结构体的功能转化和成熟均向着打印时设定的方向进行，这一技术使骨组织工程具有前所未有的潜力。打印材料结构和功能随着时间的推移而不断改变是4D生物打印的最主要特点［24］。

6.2.2 在骨组织工程中的应用 ①形状记忆支架的骨组织工程4D打印：通过热刺激形成记忆效应的原理，可制造出形状可复性的聚乳酸和羟基磷灰石多孔支架。聚乳酸和羟基磷灰石复合多孔支架具有较高的形状恢复能力，可作为颅骨缺损的植入物修复小面积的骨缺损［25］。因此，4D 打印结构所具有的形状变换特征可以实现个性化的骨缺损修复。这种4D 生物材料可用于修复植入后由于契合度差异导致的支架形状改变所产生空隙空间的骨缺损。如通过3D激光印刷技术，打印环氧化丙烯酸酯材料所制造的具有生物相容性的温度响应形状记忆支架。由于多孔支架具有良好的生物相容特性，使多功能人骨髓间充质干细胞更加容易附着与增殖。因此，具有形状记忆的生物医学支架对骨组织工程中4D 结构的发展有很大帮助。②带有血管和神经网络的骨组织工程4D打印：神经外科中修复较大的颅骨缺损所面临的主要问题往往是如何促进修补材料中微血管和神经网络生长。4D 打印所出的微血管系统也许会成为这一问题的解决方法。通过将小鼠骨髓间充质干细胞与甲基丙烯酸藻酸盐和透明质酸混合水凝胶结合，目前已经制造出直径与最小血管的直径相当的中空自折叠血管［26］。此外，在生物打印过程中，4D 水凝胶内的酶可诱导纤维蛋白生物膜形成，这也能促进颅骨修补材料中血管网的生成［27］。此外，电响应生物材料的4D生物打印具有神经组织的巨大再生潜力。这种电刺激响应的4D 技术可以与骨组织结构构建技术相结合，用来修复具有神经损伤的颅骨缺损。③基于功能转换机制的骨组织工程4D 打印：仿生骨微环境可以在一定程度上改善3D打印支架的生物学功能，并在生物打印的后期驱动干细胞成骨。仿生微环境的建立促进了3D 打印构建体的功能完善成熟，目前也被认为是组织工程中的4D 打印。通过用富含细胞的矿化细胞外基质修饰聚合物3D打印支架来模拟骨微环境，随着时间的推移，打印出的骨结构变得更加成熟［28］。结果表明，细胞外基质修饰的支架比裸三维印刷支架具有更好的骨诱导和骨传导特性。此外，具有压电效应的智能生物材料，如钛酸钡，可以响应外加应力刺激生理电微环境，促进成骨细胞的生长，具有良好的生物相容性和骨诱导能力。压电材料的特性可用于在打印材料的后期增强印刷结构的功能成熟，为4D骨组织生物印刷提供新的策略。④基于可注射刺激响应材料的骨组织工程4D打印：目前被开发并逐渐应用于骨组织工程的可注射的热响应性多聚糖水凝胶，可作为不同细胞、无机高分子复合物或生长因子的载体［29］。这些改性生物材料熔点较低，在生理温度和室温之间物质状态不同，在人体温度下可转化成为类似于凝胶的状态［30］。这些可注射的混合水凝胶具有理想的流变特性和体内自固化的能力，是目前作为成骨细胞的理想载体，并且这些材料具有改善碱性磷酸酶活性和钙沉积的作用，使其能够填充小面积、不规则形状的骨缺损并在人的体温下形成凝胶，对颅骨缺损的微创修复具有很大帮助。生物活性物质目前也被纳入水凝胶系统，用来增强间充质干细胞的分化，为骨缺损修复提供新的途径［31-32］。

6.2.3 存在的问题 首先，如何将目前现有的刺激响应生物材料完美打印并转化为优质的4D 生物材料仍十分困难。虽然已经对生物制造方法中的几种刺激响应生物材料进行了详细研究，并验证了这些材料具有良好的的细胞相容性和体内适用性，但是将它们妥善的在人的体内直接应用仍然有相当大的难度。此外，目前还需要更多的研究来解决4D生物打印中所面临的各种挑战，如减少在4D打印过程产生的对充满细胞生物支架的影响，对4D打印材料的大规模和高质量生产。其次，4D 打印材料结构的现有形状变换过程仍然是简单的变形，例如折叠或组装。目前仍需付出更多的努力来提高材料渐变的形状和打印精确度［33］。在使用刺激响应材料的过程中，如何使材料的刺激反应能力长期保持敏感，当发生形状变化时，如何精确控制内应力的产生或释放也是有待解决的问题。有报道指出，重复折叠及展开会导致打印的结构机械性能明显下降，几乎所有的4D 打印材料只能在特定的情况下完全恢复到原来的形状。另外，打印材料结构的机械强度通常难以承受高压。因此，研究出具有形状转换稳定特性的4D生物打印结构十分必要，特别是当打印材料需要重复响应时。此外，在临床实践应用之前，还有一些问题需要解决。例如，温度和体内电解质浓度的适度改变，一般情况下不会对活细胞产生不利影响，但当紫外线水平和体内酸碱度的剧烈变化可能对4D 材料的活性产生极大的负面影响，如何合理的处理刺激响应材料和免疫系统之间的相互作用，使4D打印材料和人体内微环境之间更加协调也十分关键［34］。此外，由于人体内的生理活动十分复杂，细胞的活性会受到各种刺激的影响，如神经调节、体液调节等。打印的生物材料在实现其全部功能之前通常要经历多个转化过程。因此，如何打印出能够在多种刺激下仍能完成复杂的形态和功能转变的生物材料具有很大挑战。最后，在生物打印中减少对材料细胞的刺激和损伤也十分困难，减少对这些可编程生物材料的刺激的每一个过程都需要花费巨大的成本，如何减少4D生物打印的成本以及如何在移植后诱导4D 生物材料的流畅性表达都是今后需解决的问题。

相比于目前传统的临床颅骨成形材料，骨组织工程材料具有更加广阔的应用前景，其具有的生物相容性、安全性等特性是目前传统材料无法比拟的，但其研究仍处于起步阶段，材料的选择及打印成本等问题仍需进一步研究解决。随着生物技术的不断进步、材料科学的突破以及干细胞应用研究和组织工程学的发展，相信颅骨成形术会完美重建人的颅腔结构和功能。