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生物材料修复组织工程颅骨缺损及其性能评价

录入:linle    文章来源:网络    点击数:    更新时间:2011-8-31

  随着材料科学及生物医学工程科学的进展,不但促进了颅骨成形术的发展,同时对材料的质量提出了更高的要求。理想的颅骨修补材料应具有无细胞毒性、无或低免疫原性、可生物降解并在一定时间内可被自体新生骨取代、可任意塑形、具有足够强度和韧性、无磁性、能在机体内固化成形、较易制备和推广应用、便于CT、MRI 扫描检查等优点。选择异体修补材料时,要考虑到保护强度,外形美观,有无排异反应,修补材料是否老化、变形及儿童时期修补后在成长过程中的改变等因素。因此,临床医生正在寻找更为符合人体解剖生理的新型颅骨缺损修补材料。本文希望解决以下4个问题:①颅骨修复过程中材料学的特点与地位?②细胞因子与材料修复的关系?③复合材料在颅骨修复中的作用?④数字化技术与修复材料的相互作用。

  组织工程颅骨干细胞修复材料 获得充足的种子细胞是长期以来限制组织工程研究的瓶颈,骨髓基质干细胞尽管已被广泛应用于组织工程研究,但由于其干细胞含量过低、骨髓抽取量有限以及对患者造成的创伤等,使其广泛应用到受限。一些作者将成骨诱导脂肪源性干细胞(ADSCs) 、外胚间充质干细胞与异种松质骨支架复合,移植至颅骨缺损部位,它们都有成为种子细胞的可能性。虽然后者还存在取材方面的一些困难,但是可以通过体外培养增殖保存来解决。ADSCs可向骨、软骨、脂肪、心肌等多个方向诱导分化,而外胚间充质干细胞具有自我更新能力也可以向成骨细胞分化。外胚间充质干细胞如果在体外能适应受区的环境并保持成骨活性,那么它也可考虑作为骨组织工程的种子细胞。组织工程技术通过从少量的骨髓组织中分离得到hBMSCs作为种子细胞,经体外诱导扩增达到一定细胞数量后,与支架材料复合,体外构建组织工程骨来修复大面积颅骨缺损,其细胞能够维持成骨细胞特有的生物学特性,同时避免了免疫排斥反应发生的可能。一些报道以经体外成骨诱导的自体hBMSCs为种子细胞、部分脱钙骨(PpDBM)为支架材料,对外伤后颅骨缺损患者进行修复,取得了较理想的疗效。他们以采用组织工程技术,以患者自体hBMSCs作为种子细胞。经体外大规模扩增后与部分脱钙骨(pDBM)形成 hBMSCs-pDBM复合物来修复大面积颅骨缺损。能够避免目前颅骨缺损治疗时自体骨来源不足、对自体骨供区的损伤等缺点,为临床颅骨缺损修复建立了新的治疗模式。

  组织工程颅骨复合修复材料 由于与整形外科、 骨科及脑外科临床中存在各种复杂在的骨组织缺损,不可能使用单一分子细胞、生物材料移植物成功地进行骨再生。颅骨需修复和重建的修复材料选择也经历了从有机玻璃、有机硅橡胶板、平面钛网等材料,直到20世纪90 年代国内学者首先将EAM医用树脂和羟基磷灰石混合制成复合材料EH,弥补了单一材料缺点。

  常见细胞因子以及基因治疗修复颅骨缺损作用 病毒感染是常用的一种方法,反转录病毒只感染正在分裂中的细胞,能将非病毒基因导入细胞体内,产生病毒基因组的单一拷贝并高效准确地复制到宿主染色体DNA上,而且具有长期稳定表达的优点。实验利用反转录病毒的这些特点,构建了携带类胰岛素生长因子(IGF-1)基因的反转录病毒载体,建立了高效的IGF-1基因转移体系,转染后的hBMSCs中存在外源性基因IGF-1的整合和表达,这样转染后的BMSCs不仅可提供生长因了的局部来源,而且提供了成骨前体细胞,为骨缺损的基因治疗提供了有效的手段。

  脱钙骨是由同种异体或异种骨经不同方法处理所得,单纯异体骨移植治疗中存在成骨能力不确定、移植骨中心成骨不佳及造成病理性骨折等缺点。但将脱钙骨作为组织工程支架材料,确有其独特的优势。脱钙骨以 I型胶原为主,利于种子细胞粘附和生长,同时,该材料具有与自体骨最接近的三维结构,胶原支架所提供的细胞生长代谢环境接近生理状态。另外,脱钙骨作为生物材料,具有生物可降解性,易于被机体降解吸收,降解速率可通过调节材料含钙量来进行控制。在目前条件下,脱钙骨是骨组织工程研究中较好的支架材料之一。

  颅骨缺损实际数字化修复问题颅骨缺损患者需要进行颅骨修复和重建手术,同时也需要一种既有良好的组织相容性,又有较**度,同时又具备完美的外观、形态的人工修复材料。随着生物材料技术的发展,第4 代螺旋CT的颅骨重建功能及计算机三维虚拟成像技术和计算机数控成型技术(CAD/CAM)的出现和发展,为满足各种需求以及个体化人工颅骨替代材料创造了条件。数字化修复是指颅骨缺损患者缺乏自身健侧的对照数据,而使用上述方法从正常颅骨数据库内找到相似的形态数据进行比较,然后进行技术处理还原,完成比较满意的预制体。

  钛网在众多的颅骨修补材料中具有较强的抗压性能,组织相容性好,植入人体后,成纤维细胞可以长入钛网的微孔,使钛网与组织融为一体,具有钙化和骨化趋势,是较理想的颅内修补材料,但是传统平板钛网手工塑形时要对比颅骨缺损的大小、形态、曲度,目测塑形并裁剪,且裁剪后的边缘部分容易损伤周围组织,与颅骨表面贴附程度不够,较难达到患者及术者的要求,塑形不满意已成为钛网颅骨缺损修补术的突出问题。对颅骨缺损患者术前行计算机三维钛网成形术,观察钛网尺寸的准确度、颅骨缺损的曲率恢复度及美观程度结果显示,98%的患者双侧完全对称,塑形好,恢复良好,平均钛网置入时间仅15 min,疗效显著。

  小结:总之,组织工程修复颅骨缺损各种生物材料的有很多种,选择时要结合患者的病情、经济条件、医院科室设备及医师操作技术水平等。组织工程干细胞技术通过分离少量骨髓组织得到种子细胞,经体外诱导扩增达到一定细胞数量后,与支架材料复合,体外构建组织工程骨,来修复大面积颅骨缺损。其细胞能够维持成骨细胞特有的生物学特性,同时避免了免疫排斥反应发生的可能,新生组织工程骨能与受区骨组织完全将两种或两种以上材料复合在一起,或对生物材进行各种各样的修饰,促进细胞与材料之间的黏高细胞的生物活性并维持生物功能。利用某种载到种子细胞内,后者在骨缺损区成骨,同时分泌骨生长因子,诱导周围非定向性骨祖细胞向定向细胞分化,从而在短时问内募集到足够的具有成的种子细胞,加快颅骨损伤愈合。利用计算机三成像技术和计算机数控成型技术预制的复合材料医用树脂和羟基磷灰石复合材料本身的优点,又的和颅骨缺损周围组织解剖学上的契合性,更有美的外观形态。





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