田焰寬 鄭兆柱 李毓陵 王曉沁 李 剛

1. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院 現(xiàn)代絲綢國家工程實(shí)驗(yàn)室(中國) 2. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國)

多年來，胸壁腫瘤、放射性潰瘍、感染或胸壁嚴(yán)重創(chuàng)傷等頑疾一直困擾著患者和醫(yī)務(wù)人員[1]。起初人們一直采取保守治療的方法對(duì)待這類疾病，但治療效果不理想。近年來，在對(duì)胸壁附近的惡性腫瘤及腫瘤附近的部分胸壁進(jìn)行了大量的研究工作后，人們認(rèn)識(shí)到將這些腫瘤根本性切除可達(dá)到良好的治療效果[2]。然而，在進(jìn)行上述切除性手術(shù)后，胸壁組織會(huì)發(fā)生大面積的缺損，從而易引發(fā)一系列后遺癥，如胸廓的不完整、不穩(wěn)定性和堅(jiān)固性惡化，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致胸壁軟化和呼吸循環(huán)困難等一系列問題[3]。

因此，研制理想的胸壁替代物來進(jìn)行胸壁的重建，以確保胸腔的支撐力和彈性是一個(gè)值得關(guān)注的問題。醫(yī)用人工胸壁是一種根據(jù)胸壁缺損部位的大小，對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ)的人造器官，如圖1所示。

眾所周知，人工胸壁研究的重點(diǎn)是人造胸壁材料的選擇和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，本文詳細(xì)介紹了目前人工胸壁所用材料、結(jié)構(gòu)及其性能要求和發(fā)展前景。

a) 人體胸壁缺損

c) 根據(jù)缺損部位設(shè)計(jì)的人工胸壁結(jié)構(gòu)圖

圖1 人體胸壁示意圖

1 人工胸壁材料

1.1 自體材料

自體材料即人體自身的材料，包括闊肌膜、肌瓣、大網(wǎng)膜等，其最符合人體生理要求。自體材料本身具有生物相容性，但它是一種通過“二次損傷”來治療損傷部位的典型方法，犧牲了健康的生理組織，且其材料來源有限、力學(xué)性能一般，隨著手術(shù)時(shí)間的延長，患者不適感增加[4]，因此目前自體材料不作為人工胸壁材料的第一選擇。

1.2 同種異體材料

同種異體材料以生物體源材料為主，取自動(dòng)物組織居多，具有柔韌性好、取材方便、抗拉力等力學(xué)性能優(yōu)異且容易制備保存[5]等優(yōu)點(diǎn)。其最大的缺點(diǎn)是具有抗原性，容易與人體發(fā)生排斥反應(yīng)，通常需要進(jìn)行改性處理，并且，存在疾病細(xì)菌交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 人工材料

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工材料在各領(lǐng)域及醫(yī)用人造胸壁中發(fā)揮著越來越重要的作用。與自體材料和同種異體材料相比，人工材料來源更廣泛，并可簡化手術(shù)過程，加快手術(shù)進(jìn)程，緩解患者的創(chuàng)傷，對(duì)胸腔的支撐效果也更好。人工材料種類豐富，主要包括金屬材料、合成材料和生物可降解材料。

1.3.1 金屬材料

用于人工胸壁的金屬材料主要有金屬絲、金屬網(wǎng)和金屬板。金屬材料硬度較大，對(duì)胸廓能起到很好的支撐作用，但其缺點(diǎn)也很明顯，如金屬材料會(huì)對(duì)術(shù)后X射線檢查產(chǎn)生一定的干擾，尤其是金屬板，影響更大；金屬材料不能降解，且其抗感染能力差，長期留在體內(nèi)會(huì)對(duì)患者的健康不利[6]。

1.3.2 合成材料

人工合成材料指利用化學(xué)方法或聚合作用將不同物質(zhì)經(jīng)人為加工而成的材料。目前，其在生物醫(yī)學(xué)上使用最為廣泛。人工合成材料性能優(yōu)異，Suganuma等[7]將Marlex網(wǎng)及鈦合金結(jié)合，進(jìn)行胸壁重建，將鈦合金的穩(wěn)定性與Marlex的生物相容性相結(jié)合，使人工胸壁的支撐度和相容性得到更進(jìn)一步提升。Akiba等[8]將Core-tex補(bǔ)片用于臨床人工胸壁重建，獲得了一定的效果。盡管人工材料在人工胸壁重建上的應(yīng)用越來越多，但是其本身也存在弊端，如Marlex網(wǎng)進(jìn)行胸壁缺損修補(bǔ)后，反常呼吸問題難以得到解決，導(dǎo)致患者不適；盡管Core-tex補(bǔ)片的塑形和抗張強(qiáng)度較好，生物適應(yīng)性優(yōu)異，且其術(shù)后感染等并發(fā)癥較少，但Core-tex補(bǔ)片價(jià)格高昂，給普通病患帶來了極大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，限制了其在人造胸壁重建中的廣泛應(yīng)用。

1.3.3 生物可降解材料

自20世紀(jì)90年代以來，生物可降解材料一直以良好的生物相容性、優(yōu)異的生物降解性和可調(diào)控的力學(xué)性能在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色，它在組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用具有很好的前景。目前應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)方面的生物可降解材料越來越多，應(yīng)用于人工胸壁研究的主要有如下幾種：聚乳酸(PLA)[9]、聚羥基乙酸(PGA)[10]、聚對(duì)二氧環(huán)己酮(PDO)[11]和聚已內(nèi)酯(PCL)[12]。降解時(shí)間是測(cè)量可降解材料的重要指標(biāo)之一，決定了材料的降解速度。材料的降解時(shí)間是否與胸壁缺損部位新組織的生長速率相匹配，是這種材料能否應(yīng)用于人造胸壁的決定性因素。幾種常見可降解材料的降解時(shí)間如表1所示。

表1 幾種常見可降解材料的降解時(shí)間

上述幾種降解材料雖目前較常應(yīng)用于人工胸壁，但也存在一些弊端。一般而言，人工胸壁的降解周期應(yīng)盡可能長，至少需3個(gè)月。由表1可知，PGA的降解時(shí)間為60 d，降解速度過快，很明顯不能滿足人工胸壁的要求；PCL的降解時(shí)間為720 d，降解速度較慢，盡管滿足人工胸壁降解時(shí)間要求，但其在體內(nèi)降解時(shí)間過長可能會(huì)引起傷口的感染；PLA降解速度適宜，其斷裂強(qiáng)度為4.0～6.0 cN/dtex，伸長率為20%～30%，但其抗沖擊性不足，力學(xué)性能難以滿足要求，限制了PLA在人工胸壁修補(bǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用；PDO具有良好的生物相容性、降解性、可加工性及力學(xué)性能，其降解產(chǎn)物與人體代謝產(chǎn)物一致，排斥反應(yīng)較小，適合作為胸壁修復(fù)材料，然而PDO價(jià)格相對(duì)過高，這在一定程度上制約了它的推廣應(yīng)用。

近些年來，絲素蛋白已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)組織工程領(lǐng)域，產(chǎn)品有人造血管[13]、人造骨[14]和人造皮膚[15]等。絲素蛋白是一種具有良好的生物相容性，生物降解性和降解率的天然大分子材料，基本符合人工胸壁的要求。它易于加工，較其他天然纖維力學(xué)性能更優(yōu)，且其能夠進(jìn)行表面改性，有利于組織修復(fù)[16-17]。絲素蛋白在人工骨骼中的應(yīng)用有利于人工胸壁中肋骨的開發(fā)研究[18]。

2 人工胸壁材料性能要求

胸壁是人機(jī)體胸腔的外屏障，是人體進(jìn)行呼吸活動(dòng)的重要場(chǎng)所，在人體進(jìn)行各種生理活動(dòng)中具有舉足輕重的作用。理想的人工胸壁材料通常具備一定的性能要求，人工胸壁性能要求及其原因或目的如表2所示。

表2 人工胸壁性能要求及其原因或目的

3 人工胸壁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)

早期的醫(yī)務(wù)工作者面對(duì)缺損的胸壁，多采用金屬絲、網(wǎng)和板進(jìn)行胸壁網(wǎng)與肋骨一體重建，將其固定于缺損部位[19]，如圖2a)和2b)所示。這種方法效果較差，硬質(zhì)材料有其致命的缺陷，表面光滑和內(nèi)部孔洞少，這對(duì)于細(xì)胞組織的生長繁殖不利，并且術(shù)后材料與組織固定處常常會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)，從而造成組織的破壞。

3.2 “三明治”結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，研究人員結(jié)合不同材料的特性，設(shè)計(jì)出一種類似人工胸壁結(jié)構(gòu)的“三明治”結(jié)構(gòu)。即以硬度較大和力學(xué)性能較好的材料為基礎(chǔ)，在其上下覆蓋生物相容性和生物穩(wěn)定性較好的材料作為外層，由此構(gòu)成類似于三明治的結(jié)構(gòu)[20]，如圖2c)所示。這種結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是結(jié)合了各組分材料的特性，使其制品能夠較好地適應(yīng)于人體。目前，“三明治”結(jié)構(gòu)臨床上已經(jīng)取得了一定的效果，但它具有手術(shù)操作繁瑣和固定位置容易松動(dòng)的缺點(diǎn)。

3.3 紡織型人工胸壁和多管仿生結(jié)構(gòu)

紡織型人工胸壁目前主要有機(jī)織和針織兩種結(jié)構(gòu)。其中，機(jī)織平紋結(jié)構(gòu)可確保人造胸壁具有良好的支撐效果，抗彎性能較好，給胸壁內(nèi)臟提供了更好保護(hù)作用的同時(shí)，能防止反常呼吸?？椢锷系目锥礊樾律M織提供了良好的生長環(huán)境。隨著人工胸壁的降解和新生組織的生長，自體胸壁生長愈合，從而使身體機(jī)能有條不紊地運(yùn)行[21]。

楊苛等[22]在前人的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種獨(dú)特的織造工藝，其特點(diǎn)是形成沿緯向帶管道的人工胸壁修補(bǔ)網(wǎng)，如圖2d)所示。該織物結(jié)構(gòu)采用了經(jīng)李剛等[23]改進(jìn)的多梭箱小樣劍桿織機(jī)織造。楊苛等的設(shè)計(jì)獨(dú)特之處在于，一方面，修補(bǔ)網(wǎng)織物采用了緯向變化組織。由于組織的變化發(fā)生在緯向，故織物的經(jīng)縮不變，其經(jīng)紗之間的張力也不會(huì)有太大的變化，由此確保了織造的順利進(jìn)行；同時(shí)，沿緯向變化可使織物更加柔韌，可根據(jù)需要織制出不同尺寸的修補(bǔ)網(wǎng)。該結(jié)構(gòu)與其他縱向多管道胸壁修補(bǔ)網(wǎng)相比制作更簡單。另一方面，臨床上為有助于新生骨的生長，往往要求人工肋骨具有一定的孔隙率。為促進(jìn)成骨細(xì)胞的黏附和增殖，楊苛等選擇三維五向編織工藝制作人造肋骨。所得人工胸壁不僅具有良好的力學(xué)性能，而且含有大量的孔洞，從而解決了硬性材料人工肋骨孔洞少和表面光滑的問題。該人工胸壁修補(bǔ)網(wǎng)雖較易制作且效果較好，但其人工肋骨的制作過于繁瑣。若參考生物醫(yī)學(xué)上人工肋骨[24-26]的制作方法，將可大大簡化制作工藝，縮短加工時(shí)間，從而降低成本。

3.4 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)也稱增材制造技術(shù)。作為當(dāng)前流行的一種前沿科學(xué)技術(shù)，與傳統(tǒng)加工和其他“材料減少”技術(shù)相比，它基于離散性和積累性原理，通過材料的逐漸積累而實(shí)現(xiàn)。3D打印技術(shù)是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，且科學(xué)技術(shù)含量非常高，涵蓋了化學(xué)、材料工程科學(xué)和信息技術(shù)等各個(gè)方面的先進(jìn)知識(shí)[27-28]。

利用3D打印技術(shù)制備人工胸壁，首先是利用CT數(shù)據(jù)對(duì)胸壁進(jìn)行三維重建，生產(chǎn)出堅(jiān)硬的胸骨和與胸骨相連的鈦制肋骨，然后，打印機(jī)向鈦金屬粉末床發(fā)射電子束，使鈦金屬粉末熔化，最后，逐層產(chǎn)生完整的接枝，最終得到人工胸壁產(chǎn)品，如圖2e)所示。

a) 傳統(tǒng)條狀結(jié)構(gòu)

b) 傳統(tǒng)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

c) “三明治”結(jié)構(gòu)

d) 多管道仿生式結(jié)構(gòu)

e) 3D打印結(jié)構(gòu)

4 前景展望

隨著人們生活水平的提高，其對(duì)醫(yī)療健康不斷提出新的要求。受胸壁腫瘤、胸壁創(chuàng)傷和局部功能喪失等病癥困擾的患者對(duì)人工胸壁的要求也會(huì)越來越高。近十幾年來，科研工作者在人工胸壁的研究領(lǐng)域不斷突破，取得了一些成就。然而，現(xiàn)有的人工胸壁依然存在各種問題，人工胸壁研究仍然是生物醫(yī)用材料和心胸外科領(lǐng)域的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

胸壁重建能否取得成功的關(guān)鍵因素是人工胸壁材料的研究開發(fā)、選擇、改性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。目前，科研工作者在材料選擇上主要分兩方面。一方面是尋找已有的、性能滿足臨床移植要求的材料，或研制全新的、性能適宜的生物材料。然而，現(xiàn)階段還沒有找到一種完全令人滿意的重建修補(bǔ)材料，因此通常利用化學(xué)方法，通過改變物質(zhì)的微觀構(gòu)象賦予材料新性能。另一方面，組合應(yīng)用多種材料，充分利用各組分材料的性能優(yōu)勢(shì)，以滿足人工胸壁的性能要求。

人工胸壁在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面應(yīng)能夠根據(jù)胸壁缺損大小進(jìn)行裁剪。另外，人工胸壁在機(jī)體內(nèi)應(yīng)有良好的生物相容性和生物力學(xué)性能穩(wěn)定性，以及與缺損部位有一定的相似性，故人工胸壁結(jié)構(gòu)的個(gè)性化應(yīng)是今后研究的重要方向。新興的先進(jìn)制造技術(shù)(如3D打印技術(shù)、激光雕刻)的快速發(fā)展也為人工胸壁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)提供了更多的空間。

總之，生物醫(yī)用人工胸壁研究涵蓋了紡織、生物材料和醫(yī)學(xué)臨床等多學(xué)科領(lǐng)域，需要各個(gè)學(xué)科的工作者協(xié)同合作，從而開發(fā)出符合臨床移植要求的市場(chǎng)化的人工胸壁產(chǎn)品。