楊佳良，展如才

1 濰坊醫(yī)學(xué)院，山東省千佛山醫(yī)院神經(jīng)外科，濟(jì)南250014；2 山東第一醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院（山東省千佛山醫(yī)院）神經(jīng)外科

顱骨成形術(shù)也被稱為顱骨修補(bǔ)術(shù)，是目前神經(jīng)外科的常見手術(shù)。術(shù)中如何選擇最合適的成形材料，仍是目前神經(jīng)外科醫(yī)生討論的熱點(diǎn)。最早古印加人使用貝殼、椰子、葫蘆以及金、銀板來覆蓋顱骨缺損的部位［1］。后有外科醫(yī)生用山羊和狗的顱骨來修復(fù)患者缺失的顱骨。1668 年，荷蘭外科醫(yī)生發(fā)表的文章敘述了用狗的顱骨修補(bǔ)劍傷導(dǎo)致的顱骨缺損［2-4］。修補(bǔ)缺損顱骨最理想的材料除具有安全、堅(jiān)固、輕盈、便宜、耐酸堿腐蝕、射線透過射線、無毒害等基本性質(zhì)外，還需與人體有良好的生物相容性、不被免疫排斥和優(yōu)美的生物曲線?，F(xiàn)將臨床常用的成形材料綜述如下。

1 自體移植材料

自體移植材料主要包括自體顱骨和人體其余部位的骨瓣，往往選擇人體髂骨、肋骨、胸骨等部位取骨［5］。自體骨擁有完美的生物相容性及誘導(dǎo)成骨潛力，并且極少發(fā)生排斥反應(yīng)，自體骨植入后對感染有一定的抵抗作用，疾病傳播風(fēng)險(xiǎn)低，強(qiáng)度與顱骨強(qiáng)度相同。此外，術(shù)中取下患者的骨瓣與自身顱骨缺損契合度高。由于自體骨數(shù)量有限及移植后非常容易出現(xiàn)吸收，自體骨難以修復(fù)缺損較大的顱骨［6］。并且取出體外后自體骨如何保存也是一大難題，目前常見的保存方法大致分為體內(nèi)或體外保存。前者是將術(shù)中取出的骨瓣通過手術(shù)移植到患者大腿、腹壁等部位皮下，等到患者行顱骨成形手術(shù)時(shí)再將皮下的骨瓣取出。但這種方法會增加患者的痛苦，易出現(xiàn)感染及骨瓣在皮下被吸收的情況。體外保存有冰凍保存、風(fēng)干后保存等保存方式，待修補(bǔ)時(shí)再行消毒滅菌。但由于個(gè)人保存方法不規(guī)范，集中儲存于醫(yī)院中成本過高，因此，其應(yīng)用受到限制［7-8］。

2 異體移植材料

異體移植材料往往取自他人的骨瓣，在一定程度上可解決顱骨缺損區(qū)域較大患者自體骨不足的問題，滿足臨床需求。為減少排斥反應(yīng)，常用輻射法、高壓蒸氣滅菌等方法處理異體骨。由于異體材料的獲取會對供者造成較大創(chuàng)傷并涉及許多倫理學(xué)問題，目前已經(jīng)極少應(yīng)用。

3 異種移植材料

早期神經(jīng)外科醫(yī)生曾嘗試使用犬類、猿類等低等動物的骨組織進(jìn)行顱骨成形術(shù)。異種骨移植除了常見的移植后感染及骨質(zhì)吸收等并發(fā)癥外，由于人體對異種移植材料具有極大的免疫排斥反應(yīng)，對患者造成二次傷害，臨床上已經(jīng)不再使用異種材料進(jìn)行顱骨修復(fù)［9］。

4 金屬類移植材料

可用作顱骨修補(bǔ)的金屬主要包括金、銀、鋁、鈦等。鋁作為骨移植物的金屬材料會隨著時(shí)間的推移而溶解，并會刺激腦內(nèi)神經(jīng)組織，誘發(fā)癲癇，目前已經(jīng)不再使用。金作為修補(bǔ)材料雖然效果較好，但黃金材料質(zhì)地較軟，并且不具有成本效益，從而未能得到廣泛使用。用銀板修補(bǔ)的顱骨容易與皮膚周圍組織發(fā)生氧化反應(yīng)，使皮瓣變色，而且純銀質(zhì)軟，對外力的抵抗力差，受力后產(chǎn)生形變，從而損傷顱內(nèi)組織及神經(jīng)［10］。20 世紀(jì) 50 年代鈦元素開始應(yīng)用于顱骨成形術(shù)中。鈦制成的材料安全、強(qiáng)度高、可透過射線、抗酸堿性強(qiáng)，在人體內(nèi)很少產(chǎn)生排異反應(yīng)，目前臨床上應(yīng)用較多［11］。但由于鈦網(wǎng)為金屬材料，有良好的熱傳遞性，在室外高溫環(huán)境中有可能對顱內(nèi)大腦組織及神經(jīng)造成損傷，鈦網(wǎng)仍不是目前最理想的顱骨成形術(shù)材料選擇［12］。

5 非金屬類顱骨移植材料

5.1 聚甲基丙烯酸甲酯 這種材料具有堅(jiān)固、穩(wěn)定、耐熱、可被X 線穿透等特點(diǎn)，由于其強(qiáng)度與人體的骨骼類似，也被稱作骨水泥，在臨床上用于顱骨缺損修復(fù)［13］。但其較脆，外力撞擊時(shí)易出現(xiàn)開裂，所以很少單獨(dú)用于顱骨修補(bǔ)中。聚甲基丙烯酸甲酯與自體骨相比缺乏孔隙，被植入顱內(nèi)后無法被新的組織浸潤包裹，術(shù)后易發(fā)生感染，目前已經(jīng)較少使用。另外，由于難以與周圍組織相容且不能隨顱骨的生長，兒童的顱骨缺損禁用聚甲基丙烯酸甲酯作為修補(bǔ)材料。

5.2 羥磷灰石 羥磷灰石與生物相容度高，其化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)非常類似于人類骨骼。由于羥磷灰石材料與骨的相似性，其可以通過影響破骨細(xì)胞的活性進(jìn)而干涉骨組織的重塑過程，與新骨形成類似，其本身也可以在植入后作為合成的骨的支架。已經(jīng)證明，當(dāng)與正常骨組織相鄰時(shí)，類骨物質(zhì)只形成在羥磷灰石的表面［14］。而且通過在羥磷灰石材料補(bǔ)片制造過程中增加孔的數(shù)量和大小，可以實(shí)現(xiàn)完全或近乎完全的材料再吸收。羥磷灰石材料易塑形，其最大的特點(diǎn)是有各種大小的氣孔。這些大小不等的氣孔不但促進(jìn)新骨生成的成骨細(xì)胞遷移和附著，而且對植入該裝置的骨祖細(xì)胞提供充足的營養(yǎng)和生理液體至關(guān)重要。這種高度多孔和可滲透的結(jié)構(gòu)對于細(xì)胞容納和增殖十分理想，可以促進(jìn)新骨基質(zhì)的合成，并使新組織快速再生以及補(bǔ)體材料與患者缺損處的健康顱骨的相互整合。由于這些性質(zhì)，羥磷灰石被廣泛用于成年人以及兒童的顱面骨重建［15］。但由于羥磷灰石質(zhì)地較脆，常常通過在其內(nèi)部鑲嵌鈦網(wǎng)及抗生素涂層來增加其強(qiáng)度與抗感染能力。

5.3 聚醚醚酮材料 目前顱骨成形術(shù)中的新材料聚醚醚酮是一種芳族半結(jié)晶聚合物，具有耐高溫和輻射的優(yōu)點(diǎn)，擁有類似于皮質(zhì)骨的強(qiáng)度和硬度，惰性強(qiáng)，基本排除了由機(jī)械或化學(xué)分解因素所導(dǎo)致的細(xì)胞毒性物質(zhì)的釋放。此外，由于聚醚醚酮材料在高溫下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使其可以在濕熱或干熱下滅菌，而不會產(chǎn)生形變。其極低的熱傳導(dǎo)性降低了外界溫度變化對顱內(nèi)腦組織及神經(jīng)組織造成損傷的可能，并且不會對患者影像學(xué)檢查結(jié)果造成影響。此外，聚醚醚酮材料也能夠通過CT 薄層掃描與計(jì)算機(jī)3D打印技術(shù)相結(jié)合制成與患者缺損處顱骨生物弧度近乎完全相同的成形材料，使顱骨修補(bǔ)后更加美觀［16-17］。但是，聚醚醚酮材料價(jià)格較高，部分患者難以接受。因此，在不考慮價(jià)格因素的前提下，聚醚醚酮材料被視為是目前顱骨成形術(shù)最理想的材料。

6 未來的顱骨成形材料

6.1 骨組織工程制造的成形材料 骨組織工程通過體外培養(yǎng)將種子細(xì)胞移植到支架材料上，并添加生長因子共同用于缺損區(qū)的修補(bǔ)［18］。這一技術(shù)使顱骨缺損區(qū)域恢復(fù)到完全正常的生理結(jié)構(gòu)和狀態(tài)變成可能。骨組織工程所制造的成形材料在促進(jìn)顱骨缺損區(qū)新生骨的生長的同時(shí)，材料也逐漸降解，最終缺損區(qū)顱骨實(shí)現(xiàn)完全再生。而且骨組織工程可以完美地解決自體骨保存困難、取材有限的問題，是一種優(yōu)于自體骨的修補(bǔ)方式。

6.1.1 支架材料 支架是主體，起到承載細(xì)胞的作用［19］。目前市面上的支架材料大致分為天然材料和人工合成材料。常見的如膠原蛋白、羥磷灰石等，理想的支架材料應(yīng)具備以下特點(diǎn)：易制造獲得，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠；對人體安全無害；不被人體免疫排斥；易于細(xì)胞附著和增殖。

6.1.2 種子細(xì)胞 人體胚胎干細(xì)胞、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞等是目前理想的種子細(xì)胞，也是骨組織工程最為重要部分［20］。理想的種子細(xì)胞需具有易獲得性、誘導(dǎo)后可定向分化性、高活性等特性。常見的種子細(xì)胞有胚胎干細(xì)胞：人體的胚胎干細(xì)胞是目前最佳的種子細(xì)胞，其擁有自我復(fù)制和多向分化的潛能，通過誘導(dǎo)可分化為人體的任何細(xì)胞。在動物實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)證實(shí)，人胚胎干細(xì)胞具有巨大的成骨潛力。誘導(dǎo)多能干細(xì)胞：通過導(dǎo)入外源基因體細(xì)胞去分化，使其基因重編程而得到的類似于胚胎干細(xì)胞一種細(xì)胞類型，其除了具有多向分化的能力外，同樣具有自我更新的潛能。雖然誘導(dǎo)多能干細(xì)胞在一定程度上避免了倫理問題，但由于基因表達(dá)不穩(wěn)定導(dǎo)致誘導(dǎo)效率較低，目前臨床上難以廣泛應(yīng)用，未來還需要更多的研究。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞：骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞主要來源于自體骨髓和臍帶，具有良好的多向分化能力。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞作為種子細(xì)胞在骨組織工程的應(yīng)用較廣泛，并且通過與支架材料復(fù)合后在骨誘導(dǎo)方面更加出色。由于隨著年齡增長骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在人體內(nèi)逐漸減少，目前在臨床上的應(yīng)用受到一定限制［21］。

6.1.3 生長因子 為了加快骨增殖、血管組織浸潤，維持種子細(xì)胞的活性，往往需要生長因子的幫助，這也是骨組織工程中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。常見的生長因子有骨形成蛋白、血小板衍生生長因子、轉(zhuǎn)化生長因子β 等，但生長因子往往會帶來一定的并發(fā)癥，需謹(jǐn)慎選擇［22］。

6.2 四維（4D）生物打印

6.2.1 概念 4D 生物打印是把時(shí)間的概念加入到了3D生物打印中，近年來被提出并作為未來新的組織工程技術(shù)。4D 生物打印為構(gòu)建復(fù)雜的功能結(jié)構(gòu)材料提供了可能。4D 生物打印將3D 打印的材料動態(tài)化，使刺激響應(yīng)材料在各種刺激下逐漸改變材料形狀［23］。隨著時(shí)間的推移，所打印出含細(xì)胞結(jié)構(gòu)體的功能轉(zhuǎn)化和成熟均向著打印時(shí)設(shè)定的方向進(jìn)行，這一技術(shù)使骨組織工程具有前所未有的潛力。打印材料結(jié)構(gòu)和功能隨著時(shí)間的推移而不斷改變是4D生物打印的最主要特點(diǎn)［24］。

6.2.2 在骨組織工程中的應(yīng)用 ①形狀記憶支架的骨組織工程4D打?。和ㄟ^熱刺激形成記憶效應(yīng)的原理，可制造出形狀可復(fù)性的聚乳酸和羥基磷灰石多孔支架。聚乳酸和羥基磷灰石復(fù)合多孔支架具有較高的形狀恢復(fù)能力，可作為顱骨缺損的植入物修復(fù)小面積的骨缺損［25］。因此，4D 打印結(jié)構(gòu)所具有的形狀變換特征可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的骨缺損修復(fù)。這種4D 生物材料可用于修復(fù)植入后由于契合度差異導(dǎo)致的支架形狀改變所產(chǎn)生空隙空間的骨缺損。如通過3D激光印刷技術(shù)，打印環(huán)氧化丙烯酸酯材料所制造的具有生物相容性的溫度響應(yīng)形狀記憶支架。由于多孔支架具有良好的生物相容特性，使多功能人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞更加容易附著與增殖。因此，具有形狀記憶的生物醫(yī)學(xué)支架對骨組織工程中4D 結(jié)構(gòu)的發(fā)展有很大幫助。②帶有血管和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的骨組織工程4D打?。荷窠?jīng)外科中修復(fù)較大的顱骨缺損所面臨的主要問題往往是如何促進(jìn)修補(bǔ)材料中微血管和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生長。4D 打印所出的微血管系統(tǒng)也許會成為這一問題的解決方法。通過將小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞與甲基丙烯酸藻酸鹽和透明質(zhì)酸混合水凝膠結(jié)合，目前已經(jīng)制造出直徑與最小血管的直徑相當(dāng)?shù)闹锌兆哉郫B血管［26］。此外，在生物打印過程中，4D 水凝膠內(nèi)的酶可誘導(dǎo)纖維蛋白生物膜形成，這也能促進(jìn)顱骨修補(bǔ)材料中血管網(wǎng)的生成［27］。此外，電響應(yīng)生物材料的4D生物打印具有神經(jīng)組織的巨大再生潛力。這種電刺激響應(yīng)的4D 技術(shù)可以與骨組織結(jié)構(gòu)構(gòu)建技術(shù)相結(jié)合，用來修復(fù)具有神經(jīng)損傷的顱骨缺損。③基于功能轉(zhuǎn)換機(jī)制的骨組織工程4D 打印：仿生骨微環(huán)境可以在一定程度上改善3D打印支架的生物學(xué)功能，并在生物打印的后期驅(qū)動干細(xì)胞成骨。仿生微環(huán)境的建立促進(jìn)了3D 打印構(gòu)建體的功能完善成熟，目前也被認(rèn)為是組織工程中的4D 打印。通過用富含細(xì)胞的礦化細(xì)胞外基質(zhì)修飾聚合物3D打印支架來模擬骨微環(huán)境，隨著時(shí)間的推移，打印出的骨結(jié)構(gòu)變得更加成熟［28］。結(jié)果表明，細(xì)胞外基質(zhì)修飾的支架比裸三維印刷支架具有更好的骨誘導(dǎo)和骨傳導(dǎo)特性。此外，具有壓電效應(yīng)的智能生物材料，如鈦酸鋇，可以響應(yīng)外加應(yīng)力刺激生理電微環(huán)境，促進(jìn)成骨細(xì)胞的生長，具有良好的生物相容性和骨誘導(dǎo)能力。壓電材料的特性可用于在打印材料的后期增強(qiáng)印刷結(jié)構(gòu)的功能成熟，為4D骨組織生物印刷提供新的策略。④基于可注射刺激響應(yīng)材料的骨組織工程4D打?。耗壳氨婚_發(fā)并逐漸應(yīng)用于骨組織工程的可注射的熱響應(yīng)性多聚糖水凝膠，可作為不同細(xì)胞、無機(jī)高分子復(fù)合物或生長因子的載體［29］。這些改性生物材料熔點(diǎn)較低，在生理溫度和室溫之間物質(zhì)狀態(tài)不同，在人體溫度下可轉(zhuǎn)化成為類似于凝膠的狀態(tài)［30］。這些可注射的混合水凝膠具有理想的流變特性和體內(nèi)自固化的能力，是目前作為成骨細(xì)胞的理想載體，并且這些材料具有改善堿性磷酸酶活性和鈣沉積的作用，使其能夠填充小面積、不規(guī)則形狀的骨缺損并在人的體溫下形成凝膠，對顱骨缺損的微創(chuàng)修復(fù)具有很大幫助。生物活性物質(zhì)目前也被納入水凝膠系統(tǒng)，用來增強(qiáng)間充質(zhì)干細(xì)胞的分化，為骨缺損修復(fù)提供新的途徑［31-32］。

6.2.3 存在的問題 首先，如何將目前現(xiàn)有的刺激響應(yīng)生物材料完美打印并轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)的4D 生物材料仍十分困難。雖然已經(jīng)對生物制造方法中的幾種刺激響應(yīng)生物材料進(jìn)行了詳細(xì)研究，并驗(yàn)證了這些材料具有良好的的細(xì)胞相容性和體內(nèi)適用性，但是將它們妥善的在人的體內(nèi)直接應(yīng)用仍然有相當(dāng)大的難度。此外，目前還需要更多的研究來解決4D生物打印中所面臨的各種挑戰(zhàn)，如減少在4D打印過程產(chǎn)生的對充滿細(xì)胞生物支架的影響，對4D打印材料的大規(guī)模和高質(zhì)量生產(chǎn)。其次，4D 打印材料結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有形狀變換過程仍然是簡單的變形，例如折疊或組裝。目前仍需付出更多的努力來提高材料漸變的形狀和打印精確度［33］。在使用刺激響應(yīng)材料的過程中，如何使材料的刺激反應(yīng)能力長期保持敏感，當(dāng)發(fā)生形狀變化時(shí)，如何精確控制內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生或釋放也是有待解決的問題。有報(bào)道指出，重復(fù)折疊及展開會導(dǎo)致打印的結(jié)構(gòu)機(jī)械性能明顯下降，幾乎所有的4D 打印材料只能在特定的情況下完全恢復(fù)到原來的形狀。另外，打印材料結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度通常難以承受高壓。因此，研究出具有形狀轉(zhuǎn)換穩(wěn)定特性的4D生物打印結(jié)構(gòu)十分必要，特別是當(dāng)打印材料需要重復(fù)響應(yīng)時(shí)。此外，在臨床實(shí)踐應(yīng)用之前，還有一些問題需要解決。例如，溫度和體內(nèi)電解質(zhì)濃度的適度改變，一般情況下不會對活細(xì)胞產(chǎn)生不利影響，但當(dāng)紫外線水平和體內(nèi)酸堿度的劇烈變化可能對4D 材料的活性產(chǎn)生極大的負(fù)面影響，如何合理的處理刺激響應(yīng)材料和免疫系統(tǒng)之間的相互作用，使4D打印材料和人體內(nèi)微環(huán)境之間更加協(xié)調(diào)也十分關(guān)鍵［34］。此外，由于人體內(nèi)的生理活動十分復(fù)雜，細(xì)胞的活性會受到各種刺激的影響，如神經(jīng)調(diào)節(jié)、體液調(diào)節(jié)等。打印的生物材料在實(shí)現(xiàn)其全部功能之前通常要經(jīng)歷多個(gè)轉(zhuǎn)化過程。因此，如何打印出能夠在多種刺激下仍能完成復(fù)雜的形態(tài)和功能轉(zhuǎn)變的生物材料具有很大挑戰(zhàn)。最后，在生物打印中減少對材料細(xì)胞的刺激和損傷也十分困難，減少對這些可編程生物材料的刺激的每一個(gè)過程都需要花費(fèi)巨大的成本，如何減少4D生物打印的成本以及如何在移植后誘導(dǎo)4D 生物材料的流暢性表達(dá)都是今后需解決的問題。

相比于目前傳統(tǒng)的臨床顱骨成形材料，骨組織工程材料具有更加廣闊的應(yīng)用前景，其具有的生物相容性、安全性等特性是目前傳統(tǒng)材料無法比擬的，但其研究仍處于起步階段，材料的選擇及打印成本等問題仍需進(jìn)一步研究解決。隨著生物技術(shù)的不斷進(jìn)步、材料科學(xué)的突破以及干細(xì)胞應(yīng)用研究和組織工程學(xué)的發(fā)展，相信顱骨成形術(shù)會完美重建人的顱腔結(jié)構(gòu)和功能。