颅骨修复材料的发展历史

发布时间:2015-12-02 09:52:21
颅骨修复材料的发展历史

  顾建文教授,解放军306医院

  马原副主任,解放军成都军区总医院神经外科

  颅骨修补术是指各种原因引起的颅骨缺陷后,采用手术方式对缺损部分进行人工材料整形修补的过程。颅骨修补术主要对去骨瓣减压和开颅手术造成的缺损颅骨进行修复,一般在颅骨缺损形成和修补手术实施之间需要一定的时间间隔。通常,医生会用不同的材料代替缺损部位的颅骨。人工修复缺损颅骨可以改善病人容貌,消除颅骨缺损导致的心理影响,恢复脑组织的生理状态。颅骨成形术已被证实可以改善脑电图异常、脑血流异常和其它神经障碍。

  

  颅骨修补的主要病因是颅脑创伤和脑肿瘤切除等开颅手术造成的颅骨缺损。手术的禁忌包括颅内感染、脑积水、脑肿胀。延迟颅骨修补可以防止自体或异体植入后的感染。研究表明,异体植入物应该在自体骨化后1年开展。

  

  多种材料已被用来修复颅骨缺损。理想的颅骨修补材料应该具有以下特征:(1)可透过放射线,(2)耐感染性,(3)不传导热量,(4)生物力学性能好,(5)能够完全匹配缺损部位和延展性好,(6)价格便宜,(7)方便使用。

  古代用于颅骨修补的材料

  考古证据表明,颅骨修补术可以追溯到公元前7000年。许多古老的人类文明已经开展颅骨修补手术,包括大不列颠人,亚洲人,北部非洲人和波西利亚人。最典型的例子,可以从一个秘鲁人头骨追溯到公元前2000年;这个颅骨被发现有一个左额缺陷被1mm厚的金碟覆盖。

  

  

  当时,颅骨修复的材料取决于病人的经济和社会地位,贵重的金属被用于贵族,普通公民只能用葫芦代替,并不是从可行性和效能出发。最早的颅骨修补文字记载来自16世纪的Fallopius,他提议,硬脑膜如果未破损,可以替换骨折的颅骨;如果硬脑膜已经损坏,可以用金片修补缺损颅骨。

  

  异种移植

  纵观历史,医生曾试图用动物组织修复颅骨缺损。Meekeren在1668年用犬的骨组织对人类骨移植修补。随后进行,骨移植从狗,猿,鹅,兔,小牛和老鹰等动物移植到人类,通常的方法是将动物的骨煮沸、安置前穿孔。1901年,马尔尚报道,动物的角组织耐受性良好,牛角、水牛角、象牙的移植效果令人满意。根据经验,自体移植骨和骨替代技术的成功为异种骨移植的深入研究提供了理由。

  

  同种异体移植

  1915年,Morestin首先用尸体软骨进行颅骨修补,成型效果理想,充分填补缺陷,耐感染能力强。然而,很快就发现软骨强度不够,植入没有显著钙化。SICARD和Dambrin在1917年,试验切除尸体的颅骨通过碳酸钠、二甲苯、乙醇和乙醚处理后加热灭菌。这种处理减少了骨的厚度,仅保留了颅骨外板。但是,尸头颅骨修复出现较高的感染和骨吸收率,使同种异体间的颅骨修复成为不好的选择。由于以上原因,自体骨移植和骨代用品组织修复颅骨比同种异体骨修补效果优势明显。

  

  自体骨移植

  很多类型的材料都可以用于颅骨重建;然而,传统的方法是用自体骨瓣置换之前去除骨瓣。自体骨移植是优选,因为这种方法减少异物引入的排斥,生命体容易适应自体骨瓣并与之融为一体。1821年,Walther第一次报道用自体骨移植修补颅骨缺损。1889年,Seydel首次提到用胫骨骨片整复重建左侧顶骨缺损,病人预后良好;但是,有人指出,手术需要在两个术区开展,胫骨可能有骨折的风险,以及患者胫骨术后出现严重不适感。许多其它部位的骨组织被用于颅骨修复的尝试,如髂骨、肋骨、胸骨、肩胛骨、筋膜和脂肪。Mül-LER-König在他手术的过程中进行自体组织修复骨缺损已经是常态,修复的材料通常是手术切口相邻组织的反折覆盖,包括皮肤、骨膜、和外板。

  

  去骨瓣过程中取出的原始骨瓣是最佳的颅骨修复材料,因为没有异体成分的排斥。对于儿科患者,等儿童长大后将其原始的骨组织移植回去可能是最好的选择。自体颅骨移植最容易获取,并有它要比其他类型的骨骼存活的时间要长。当颅骨移植物被分离后,供区的重新构造被大大简化,从而降低了供区的发病率。自体裂层骨移植已成为儿童颅骨重建移植的首选。

  自体骨可以通过永冻保存或放置在腹部的皮下口袋长期保留。这两种方法对非创伤性颅脑损伤的骨瓣保存效果一样。然而,对创伤性脑损伤的处理,皮下口袋存储的方式更好,因为冷冻保存可能增加外科手术部位感染率。许多研究已经证实,腹部腹壁组织保护并提高了颅骨保存的效率,感染率降低。此外,在战场环境中,受伤的军人被后送脱离战场,将颅骨瓣储存在皮下腹壁能确保骨瓣在运输途中不会丢失。

  虽然优势明显,但自体骨移植并非没有风险。小儿患者常见的并发症是骨吸收,导致结构破坏,需要再次手术用塑料、金属或其他材料替换。对于颅骨骨瓣吸收的儿科患者,再次行颅骨修补术一般非常成功。鲍尔斯等证明用合成植入物修补颅骨的成功率比自体厚度裂层骨高。颅骨修补取决于骨传导,为骨移植提供结构基础,使骨原细胞能够进入并扎根。骨传导的过程需要矩阵结构,当骨瓣被冻结或高压蒸压灭菌时结构有可能被破坏。这可能解释了自体骨移植再吸附速率较高的问题。松野等人表明,自体骨移植物与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、氧化铝陶瓷和钛网比较感染率最高,达到25.9%。

  

  合成材料

  自体骨移植物因为美容效果好,成本较低,与患者吻合度高。但是,合成材料在很大程度上被认为可以替代自体骨,防止骨再吸收、感染、供区异常、强度降低和美观的可塑性等并发症。随着时间的推移,各种的合成材料已经解决了这些问题。

  

  金属

  金属修补颅骨的历史可以追溯到古代,在20世纪初重新运用于手术。金属的运用在很大程度上是因为它们强度高,方便消毒,具有延展性。铝是在19世纪后期使用的第一种金属,但容易感染。铝随后被证明是一个种较差的骨替代物,因为它会刺激周围组织,引起癫痫发作,并且会缓慢碎裂。虽然黄金并没有组织非相容反应,但是它的成本高,质地软。

  

  Sebileau在1903年使银变得普及,随后发现银与周围组织发生氧化反应使头皮变色。同样,银过于柔软,无法承受创伤。第一次世界大战期间,再次对黄金和白银进行了尝试,但在二战期间被钽替代。钽能够耐组织反应,耐腐蚀,耐感染,另外,还有惰性强,不可吸收的优点。然而,钽资源稀缺,价格昂贵。另一个缺点是,钽的导热性能好,容易导致温度依赖性头痛。考虑到感染,腐蚀和致痫等上述挑战,研究者把目光从金属转向丙烯酸纤维。

  

  甲基丙烯酸甲酯

  丙烯酸树脂成功制作假牙后引起研究人员的兴趣。甲基丙烯酸甲酯发现于1939年,1940以后被广泛地试验运用。甲基丙烯酸甲酯(MMA)是丙烯酸的聚合酯化合物,强度与骨头相当。此外,甲基丙烯酸甲酯比羟基磷灰石有更好的抗压和耐拉伸性能。20丙烯酸被认为与硬脑膜贴合好,不会与底层的组织起反应。随着进一步的实验,丙烯酸因为强度高、耐热性好、能透过射线、惰性强,比金属更受青睐。MMA的透射性同时具有积极和消极的后果。

  

  一方面,脑血管仍能在血管造影时看到,另一方面,植入物如果发生折断难以察觉。为了解决这个问题,少量钡常规地注入该材料中,使其能够接受放射线装置的检测。当MMA准备投入使用时,它的混合物单体引起了放热反应。虽然这种物质可以使MMA成可塑性好的糊状物,但也可能会造成灼伤。MMA潜在的裂片可以导致长期微弱的防护机制启动,甚至可能造成感染和炎症反应。Blum等人研究了MMA修补颅骨后的长期效果,发现术后8年内感染的并发症达到23%。松野等人进一步证实了这些结果,聚甲基丙烯酸甲酯具有12.7%的高感染率。MMA优异的抗张力强度使其成为广泛使用的合成材料,但断裂发生率高和不容易复合的问题使得很难被运用。

  

  羟基磷灰石

  金属和其它合成化合物存在的问题是它们很难塑造出颅骨天然轮廓的形状和影响脑CT扫描,因此,羟基磷灰石被纳入研究。羟基磷灰石是自然存在的骨的矿物成分磷酸钙化合物,但也可合成制造陶瓷。羟基磷灰石可以结合钛网成为更高强度的修复假体。羟基磷灰石异物反应低,有化学键可以结合骨头,也可以被轻易地塑造轮廓完美的修复假体。尽管优点很多,羟基磷灰石已由于其易碎性,低抗拉强度,和高感染率被限制使用。羟基磷灰石已经证明在动物模型中有骨整合能力,然而在人类活体实验中还没有太多的证据。如果露于CSF和血液中缺乏骨整合性,当羟基磷灰石暴用于大型颅骨缺损修复时会遇到结构完整性的挑战。

  

  钛网

  钛网可以单独使用,或与其他合成材料一起使用,以加强修复假体强度。钛金属合金,具有较高的综合强度和可塑性。钛是无腐蚀性和非炎性;它具有感染的风险较低,并且可以提供极好的美容效果。松野等表明钛网拥有所有颅骨修补材料的移植感染率最低为2.6%。另外,计算机辅助的3D建模可以用来设计钛网植入物提供优良的美容效果,即使对于大面积颅骨缺损也很好。

  

  氧化铝陶瓷

  氧化铝陶瓷由于强度和外观的优点,在过去十年里颅骨修补材料领域受到了关注。这种陶瓷硬度如金刚石,化学稳定的,具有和丙烯酸甲酯一样的组织稳定性。钇加入到使陶瓷材料后略微不能透射线。研究表明,定做的陶瓷假体具有非常低的术后感染率5.9%。定制的陶瓷修复假体非常昂贵,它们不仅需要预成形,并且很容易破碎,尽管其坚硬无比。

  聚醚醚醚酮

  聚醚醚醚酮(KEEK)是一种半晶质聚合物,能够透过放射线,化学惰性好,可以用蒸汽和放射线消毒。这种植入物强度、厚度适宜,与皮质骨的弹性相当,可以精确地植入的缺损内,而无需使用接骨板。新技术使PEEK这类植入物被大量使用,它们可以通过三维打印技术专门为病人的缺损颅骨设计修复假体。

  

  计算机辅助3D建模可以用来设计修复假体。PEEK主要优点是不产生CT或MRI伪影,植入物更舒适,因为该材料的密度较小,重量较轻;不像金属植入物会传到热量。缺点是聚醚醚酮植入物价格昂贵,缺乏骨整合性。尽管文献对PEEK植入物感染的风险报道很少,根据个人经验,PEEK像其异体植入物,感染率可能高于预期。此外,因为它不与周围天然骨结合,植入物有排斥和推挤风险。

  颅骨修复虽然经历了数千年的历史演替,迄今为止,仍然没获得材料学和生物学性能结合完美的理想替代植入材料。目前,临床最广泛使用的金属钛网,还存在较多的缺点和并发症,如:①患者术后对冷热反应敏感,局部有慢性疼痛,皮下积液较多;②修补术后,影响患者接受CT、MRI等医学检查;③慢性切割性溃疡、应力穿孔致颅骨修补失败;④颞窝、颧弓、眉框等不规则面颅部位修补外观美容效果欠佳;定制周期时间长,价格相对昂贵。

  

  我们的研究团队一直关注新型硬组织生物材料的研发,尤其是高分子复合材料在颅骨修复方面的基础研究和临床运用。前期研究中,我们制备了多种化学性质稳定,力学性能优异的聚苯硫醚改性化合物,但是,这种高分子材料的生物相容性还有缺陷。同时,纳米羟基磷灰石具有出色的生物相容性和促进成骨的性能,却因为机械强度、脆性和耐疲劳性不足,使其在临床骨组织植入的应用中受到限制。因此,我们将纳米羟基磷灰石和聚苯硫醚两种材料合成,充分利用其各自材料特性的优势,以制备性能更佳优异、价格更低廉的硬组织植入材料,用于颅骨缺损的修补植入。



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