颅骨缺损的修复材料研究进展

 作者：毕安作者单位：九江学院医学院2004级临床医学专业本科班 江西九江 332000 【关键词】  颅骨缺损 修复材料 骨移植 人工骨    PROGRESS IN RESEARCH OF  REPAIR    MATERIALS  FOR SKULL BONE DEFECTS    BI An, CHE Xiangxin    Class A0421 of Jiujiang University Medical College（ Jiujiang，Jiangxi 332000)    ABSTRACT  OBJECTIVE：Skull bone defects is a common problem in neurosurgery. Repair of skull bone defects is one of main research direction in neurosurgery. The repair materials for skull bone defects includs autologous bone, allografts bone, metal material, medical polymer material, cacium phosphate cement and engineering bone etc.    KEY WORDS   skull bone defects; repair material; autologous bone; tissue-engineering material

    颅骨缺损是神经外科临床中的常见问题，其形成的原因主要见于颅脑外伤、颅内肿瘤手术后以及烧伤等。颅骨缺损的修复是神经外科一个主要研究方向，主要包括修复材料的选择和修复方式的优化，修复材料方面，目前主要有自体骨、异体骨、医用高分子材料、金属材料、骨水泥以及组织工程复合材料等，修复的方式则有牵引成骨，基因治疗技术以及组织工程技术等。本文就颅骨缺损修复材料的研究现状进行综述。

    1  骨移植材料

    骨移植是临床治疗颅骨缺损最常用的方法，包括自体颅骨、异体颅骨和异种颅骨移植。骨移植具有三种生物学功能：①骨诱导作用即诱导局部间充质细胞分化成骨；②骨传导作用即提供支架供宿主组织长入和新骨沉积；③提供具有成骨潜力组织细胞。理想的骨移植物应具有成骨能力而不引起受体不良反应，植入机体后应有机械充填作用且易于吸收代替，必须有丰富的来源［1］。

    11 自体颅骨  自体颅骨修复具有无免疫排斥反应、美观自然等优越性，一度被认为是最佳的颅骨缺损修补材料。目前应用较多的是自体颅骨瓣。

    111 自体颅骨瓣  自体颅骨瓣符合生理要求，能促进骨质生长最终达到骨性愈合。20世纪80年代中期就有应用自体颅骨瓣修复颅骨缺损的报告。自体颅骨瓣的保存分为体内与体外保存两种方法，体外保存有常温保存、普通冰箱保存及深低温保存等方法，保存方法根据当地医院的条件来选择，原则是确保骨瓣无菌，避免发生感染［2］。体内保存可保存在病人腹壁下及大腿内侧皮下等处， Flannery等［3］研究发现，将病人的骨瓣存储于其自身腹壁的皮下组织中，相对于合成的颅骨材料来讲，是另一种安全和有效的选择。Da Silva RV等用自体颅骨瓣修复小鼠的颅骨缺损，同时用激光照射移植部位，发现激光照射可在缺损愈合的最初阶段刺激成骨作用，并呈剂量依赖。但体内保存都增加患者的痛苦。在临床实践中，无论体外还是体内保存的颅骨瓣，都存在骨瓣边缘不同程度的吸收以致变小。在粉碎性颅骨骨折时不易形成完整的大块颅骨瓣，有一定的骨瓣感染率，需要二期手术且修复时间较长。在整形外科临床所遇到的颅骨缺损多数为二期修复患者，原先的骨瓣多已不复存在，无法加以利用；在小儿先天颅面畸形颅骨整复过程中，切取颅骨外板形成骨瓣亦很困难，且可能导致继发颅脑损伤、出血等。这些问题在一定程度上限制了颅骨瓣的应用。

    112 自体颅骨碎片  朱树干等［4］在实验中发现，颅骨碎片移植处始终保持与周围正常颅骨协调一致的弧度，移植部位颅骨在形态结构与生理功能方面均能达到与正常颅骨无明显差异的骨性愈合。新生骨形成后不影响硬脑膜及脑组织的功能。临床应用主要是用于粉碎性颅骨骨折，将骨块咬成碎片回植，结果表明该方法有如下优点：一次手术能解决治疗与复发两个问题，避免二次修复手术的痛苦和经济负担；避免了其他材料塑形差的缺陷，移植区新形成的骨质在硬度、外形上与正常骨相同。但因来源不足，自体颅骨碎片在临床上应用范围比较局限，报道也较少。

113 自体颅骨粉末   1998年底，Kastsum I Matsumoto等［5］应用颅骨钻钻取颅骨外板制成的自体颅骨粉末和人体纤维蛋白胶修补开颅手术中用颅骨钻和线锯形成的小圆孔和窄缝隙缺损，该组92例患者中，有87例随访1~5年，均取得很好的临床效果，移植区在术后2年完全骨化。2004年，Tan A等［6］应用自体颅骨粉末加医用人体纤维蛋白胶黏合剂黏合修复颅骨缺损取得良好效果，修复后颅骨外观正常，无凹陷或突出，与头颅形状相仿。术后随访3~24月，效果良好。修复缺损最大直径10cm，但认为颅骨缺损面积小于6cm×6cm时修复成型效果较好。术后10~15天即塑形良好。能承受一定压力，1个月后基本成型，外观形态与正常颅骨相仿，触之坚硬，表面光滑，冲击实验类似正常颅骨；术后3个月X线检查颅骨粉末移植区域呈均匀高密度影像，CT检查移植骨与正常颅骨基本融合。

    自体颅骨粉末修复颅骨缺损的优点有：来源较丰富，应用范围较广，骨性愈合时间短，远期效果较好，能减轻患者痛苦，可避免颅骨缺损导致的脑组织继发性损害和不必要的心理负担［7］。较自体颅骨瓣与自体颅骨碎片有明显优势，但在修复颅骨巨大缺损时有欠缺。

    颅骨缺损后影响颅骨重建的因素很多，主要有骨传导和骨诱导。骨传导依靠骨膜、骨内膜、骨髓中的增殖元素和受区微环境提供的骨生成细胞的增殖形成新骨，使移植骨与受区骨融合［8］。骨诱导是指通常无成骨性质的间充质细胞在内、外因素的作用下，最终分化成骨形成细胞［9］。

    12 同种异体颅骨  同种异体颅骨具有骨诱导和骨传导作用，来源较广泛，能满足临床的要求，但异体颅骨移植存在着免疫排斥作用，影响了临床效果。异体骨抗原主要存在于骨髓、骨细胞和哈佛氏骨内皮细胞上，产生的排斥反应主要是细胞介导的免疫反应，是植骨曲淋巴细胞浸润、血管生长迟缓、毛细血管变性和新骨形成减少并使产生的新骨死亡［10］。消除异体骨免疫性的方法主要有冷冻、冷冻干燥法和照射法等。异体颅骨移植尽管存在着许多问题，但仍是一种有效的治疗颅骨缺损的方法之一。

    2  人工骨材料

    人工骨是随着生物医学和材料科学的发展，人工制备的各种植入人体内的生物材料。实验和临床应用较多的主要有：生物高分子材料与金属材料。用于颅骨修复的高分子材料种类很多，详见后面组织工程材料。金属材料主要是指钛类金属作为颅骨板支架或网架，但多为永久植入，不能参与人体新陈代谢，患者术后还有一定心理负担，而且价格昂贵。

    3  骨水泥

    磷酸钙骨水泥（Calcium phosphate cement ，CPC）是一种优良的骨修复材料，其骨生物学特性甚至可以通过制造材料的孔隙而进一步改善。Kroese-Deutman等［11］研究了多孔CPC的骨诱导能力。研究利用三月龄兔建立颅骨缺损模型，缺损为圆形，直径分别为6、9、15毫米，然后利用多孔CPC植入，12周后处死动物并进行结果评价；结果显示多孔CPC在不负重情况是一个很好的骨修复材料，并且极量骨缺损在移植12周后完成搭桥。

    4  组织工程材料

    41 组织工程学修复颅骨缺损的优势   随着组织工程学的发展，利用组织工程学方法，从自体干细胞培养出具有所需形状的颅骨，移植给患者，既具有组织相容性好、可以生长的优点，又避免了污染的机会和“拆东墙补西墙”的副损伤，因而是很有前途的颅骨修复方法。

    42 种子细胞的研究

    421 种子细胞的选择  骨组织工程的种子细胞是指具有增殖和分化能力，可以在支架上大量增殖并具有成骨能力的细胞。对种子细胞的要求主要为：①适合临床应用，即来源广泛、取材简便、创伤小；②体外扩增能力强；③具有成骨能力；④易于进行基因操作；⑤在体外增殖达到所需求的细胞数量时保持其成骨表型。

目前常作为骨组织工程的种子细胞包括骨髓基质干细胞、成骨细胞、胚胎干细胞和诱导性骨祖细胞。

     422 种子细胞的培养环境

    （1）非细胞因子类调节物的应用。在培养物中加入适当的化学物质，可以刺激成骨细胞表型的转化。目前较为常用的有地塞米松、抗坏血酸［12］、胰岛素［13］等。有些物质的诱导机制尚不清楚。有研究对地塞米松在成骨中的作用提出了质疑［14］，特别是在地塞米松的诱导下，脂肪组织来源的多能干细胞的碱性磷酸酶的活性同1，25-二羟维生素D3的诱导相比，明显偏低。然而，BMSC却正好相反［15］。这说明，不同来源的干细胞对诱导条件的反应也不同。

    （2）细胞因子的作用。在成骨细胞分化中研究最多的细胞因子时转化生长因子的超家族成员中的骨形态发生蛋白（BMPs）和转化生长因子（TGF-）。关于其他生长因子如碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）［16］、胰岛素样生长因子（IGF）［17］在成骨中的作用也有众多报告。近来关于BMP在颅骨修复中作用的研究报道越来越多，能调节细胞的形态和生长，其诱导成骨作用无种属特异性，具有跨物种诱导成骨作用。目前，BMP诱导成骨的机制尚未完全了解，但已知其通过多种形式发挥作用。Campisi等证明BMP2、BMP4和BMP7在成骨过程中，具有将机械刺激转化为生物应答的作用［18］。这提示，通过术后的应力持续作用加以外源或内源BMPs，有望解决组织工程颅骨的生物力学特征。

    （3）成骨表型的检测。在体外培养系统中的成骨细胞表型发育与其体内的发育分化有着较大的相似之处，一般可经历细胞增殖、细胞外基质成熟和机制矿化三个时期。每一时期都有一定的形态特征和一系列相关蛋白表达［19］。通过形态学观察和蛋白质及其mRNA的检测，可以评价其成骨活性。具有酶活性的可以通过组织化学的方法检测，碱性磷酸酶的检测已经成为评价成骨活性普遍采用的方法，但有资料显示碱性磷酸酶的活性与基质的钙化并非平行。Martin等开发出一种计算机机动定量检测系统根据显微荧光成像的结果测量钙质沉积的情况［20］，使成骨表型的检测直接而简便。

    423支架材料的选择  在临床实际应用中，无论哪种修复颅骨缺损的种子细胞或细胞因子，都必须要合适的载体作为支架和缓释体。目前研究较多的有以下几种：①可降解高分子材料，国内外研究较多的是聚羟基乙酸（polyglycolicacid，PGA）、聚乳酸（polylactacid，PLA）、聚羟基乙酸与聚乳酸的共聚物（PLGA）等；②陶瓷类材料，多孔羟基磷灰石（hydroxylapatite，HA）、磷酸三钙等；③复合材料，如PGA与HA复合，或HA与胶原、BMP复合形成复合材料；④生物衍生材料，如胶原凝胶、纤维蛋白凝胶构建组织工程软骨等。

【参考文献】  ［1］Mulliken JB， et al. Induced osteogenesis for repair and construction in the craniofacial region［J］. Plas Recon Surg 1980，65∶553

［2］陈清璐，黄纯真.国内自体颅骨瓣体外保存修复颅骨缺损概况［J］. 中国临床康复，2006，10(21)∶156

［3］Flannery T， McConnell RS.Cranioplasty：why throw the bone flap out［J］? Br J Neurosurg. 2001，15(6)∶518

［4］朱树干，杨扬等.自体颅骨碎片移植修补颅骨缺损的动物实验及临床研究［J］. 山东医科大学学报，1993，31∶2212

［5］Matsumoto K，Kohmura E，Kato A，et al. Restotation of skull bone defects at craniotomy using autologous bone dust and fibrin glue［J］. Surg Neurol，1998，50∶3442

［6］Tan A，Wei CC，Xie BJ. Clinical observation of one stage cranioplasty for skull defect with selfcranial bone powder［J］. Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi，2004，18∶312

［7］Missori P，Ratelli E，et al. Reconstruction of suboccipital craniotomy with autologus bone chips［J］. Acta Neurochir，2002，144∶917

［8］Risky WK，Wongand A，et al. A quantitative assessment of the healing of intramembranous and endochondral autogenous bone graft［J］. European Journal of Orthodontics，1999，21∶119

［9］张永刚，卢世璧.骨传导与骨诱导［J］.中华创伤杂志，1996，12∶3322

［10］Bos CD. Immune responses of rate to frozen bone allograft［J］. J Bone Joint Surg 1983，65A∶230

［11］Kroese-Deutman HC， Wolke JG， Spauwen PH， Jansen JA.Closing capacity of cranial bone defects using porous calcium phosphate cement implants in a rabbit animal model［J］. J Biomed Mater Res A. 2006，79(3)∶503

［12］Cheng SL， Zhang SF，et al .Expression of bone matrix during dexamethasone -induced mineralization of human bone marrow stroml cells［J］. J Cell Biochem，1996，61(2)∶182

［13］Lee JA，Parrett BM，et al. Biological alchemy： engineering bone and fat -derived stem cell［J］. Ann Plast Surg，2003，50(6)∶610

［14］Cooper MS，Hewison M，et al. Glucocorticoid activity， inactivity and the osteoblast［J］. J Endocrinol，1999，163(2)∶159

［15］Zuk A，Zhu M，et al. Human adipose tissue is a source of multipotent stem cells［J］. Mol Biol Cell，2002，13(12)∶4279

［16］Tabata Y，Yamada K. et al. Skull bone regeneration in primates response to basic fibroblast growth factor［J］. J Neuro Surg，1999，91(5)∶851