颅骨修补的最新标准和创新材料

颅骨修补术是一种古老的手术技术，兼具脑保护和美容效果。接受颅骨修补的患者包括先天缺陷、颅内感染、脑肿瘤、颅脑创伤以及去骨瓣减压。修补术后也有助于脑电异常、脑灌注异常以及其他神经功能异常的纠正。理想的修补材料应该具有射线穿透性、耐感染、热绝缘、可延展、耐机械腐蚀、同时具有易用性和经济性。

人类最早有记录的颅骨修补早在公元前2000年，使用的材料是金板。随后逐步采用动物骨骼以及人尸体软骨、颅骨等材料，但均由于强度不够，且易发生感染而弃用。自体骨由于没有排异性而收到欢迎。尤其小儿患者再生功能活跃，因此修复良好。成人患者中，自体颅骨可冷冻保存后择期使用，其形态复位最好、成本低廉、感染风险小。但冷冻后的颅骨再植入容易发生骨质吸收而需要再手术。随着合成材料的出现，在各种特性上显示了一定的优势，其使用越来越广泛。本文介绍当前最新的颅骨修补材料，重点介绍生物聚合材料。

• 基本的指标包括生物相容性、生物可吸收性、成骨传导、诱导成骨、骨结构相似性、多孔性以及机械耐性。同时具有易用、易塑形和低成本。虽然金标准还是自体骨，临床也使用来自生物体的多种材料。多种不同特性的合成材料出现后，为临床使用提供了更多的选择。

• 脱钙骨基质（demineralized bone matrix ，DBM）：来自于人体骨骼。经酸化处理后，去除了矿物基质，而保留了有机基质（主体为胶原）以及各种生长因子（约5%）。因此具有骨诱导和传导能力。机械性能较差，仅用于缺损填充，而不能完全作为骨替代物。DBM在美国的使用占同种异体移植物50%。

• 富血小板血浆（platelet-rich plasma，PRP）：来自患者血液，最为凝胶使用。血小板经离心后，以凝血酶和氯化钙结合。富含生长因子，促进骨再生，感染和不良反应风险小。同样缺乏机械支撑力，不能单独作为骨替代物。

• 骨形态发生蛋白（bone morphogenetic proteins, BPMs）：是成骨细胞产生的生长因子。参与骨骼形成过程，异位骨的形成。在成骨位点的骨祖细胞募集中起关键作用。用于治疗骨不连。重组的BPMs为rhBMP-2和rhBMP-7已经获批用于临床。

• 羟基磷灰石（Hydroxyapatite，HA）：是牙齿和骨质的主要矿物质成分。具有多孔性，因而具有骨传导特性，能诱导组织向内生长和血管形成。单独的HA能被缓慢吸收，在植入后可维持至少3年，可表现为骨质向内生长和细胞定植的过程，并引起疼痛。机械性能上表现为质地脆、延展性差，抗压强度高，因此常用于机械负荷较低的小骨缺损。HA常采用复合形式，例如磷酸三钙HA（HA-TCP）以及与胶原蛋白的复合物，以增强成骨细胞的分化并加速成骨作用，并增加HA的韧性。

• 珊瑚（Coral）：其用作骨替代品的用途已在1992年获得FDA的批准。它经工业化转化成为HA，制成颗粒或块状。可用作生长因子载体，具有骨传导性，具有良好的骨结合能力。

• 生物活性玻璃：硅酸盐（SiO2）与体内存在的其他矿物质（例如Ca，Na2O，H和P）结合在一起。通常，生物玻璃的成分为：45％的二氧化硅（SiO2），24.5％的氧化钙（CaO）， 24.5氧化钠（Na2O）和6％的五氧化二磷（P2O325）（w / w）。机械强度弱而脆性高，因此常于其他骨替代物联合使用。
  

• 硫酸钙（CaSO4）：1996年被FDA认可为骨替代品。它具有相似的骨结构，价格便宜，并且可以以硬颗粒和注射液的形式获得。它具有骨传导性，并在1-3个月内吸收，在形成骨长入的同时产生孔隙。

• 磷酸钙水泥（calcium phosphate cements, CPCs）：1996年获得FDA批准，由磷酸钙粉末组成，与液体混合后可形成可使用的糊状物，等温硬化反应的时间从15到80分钟不等。可以将糊状物成形到骨腔中，填补骨骼和植入物之间的间隙。脆性高，但可以在体内保留长达2年。

• 磷酸三钙陶瓷（β-tri-calcium phosphate, β-TCP）：是合成骨的金标准材料。由于其性质类似于骨无机相的性质，因此具有生物相容性，可生物吸收性。骨传导特性可根据制作工艺而不同。其吸收通过破骨细胞，吸收后完全被重塑的骨替代。

• 双相磷酸钙（HA和β-TCP陶瓷）：由于HA和β-TCP各自的特性，经常一起使用。β-TCP的吸收比HA的吸收要快，但是HA的机械性能比β-TCP更好。它们的结合提高了骨骼生长速度，同时提供了更好的机械性能。

• 生物活性玻璃：硅酸盐（SiO2）与体内存在的其他矿物质（例如Ca，Na2O，H和P）结合在一起。通常，生物玻璃的成分为：45％的二氧化硅（SiO2），24.5％的氧化钙（CaO）， 24.5氧化钠（Na2O）和6％的五氧化二磷（P2O325）（w / w）。机械强度弱而脆性高，因此常于其他骨替代物联合使用。

• 金属：金属易于灭菌，易延展且坚固，一直是重点研发对象。铝（Al）易于发生感染，组织刺激大，容易诱发癫痫发作，且会缓慢崩解。金（Au）太软且太贵。银（Ag）与组织发生氧化银反应，且太软。钽（Ta）生产困难且价格昂贵，并容易出现高温传导导致患者头痛。因此，上述金属都逐步被淘汰。目前大多数金属固定系统都是钛（Ti）或钴铬合金。

• 钛：可以单独使用，也可以与其他材料结合使用以提高强度和延展性。通常将其制成与少量其他金属（例如铝或钒）的合金从而提高强度。钛具有多种优点，感染风险低，无腐蚀性，无炎症反应，并且可以提供非常好的美容效果。计算机辅助的3D塑性技术，使钛网能适用于大多数形态结构的骨缺损。钛是一种生物活性金属，自带的网眼能促进血管沟通内生长，也具有很强的骨整合潜力，并具有适当的孔隙率和质地。

• 陶瓷：强度高、硬度大、化学稳定、组织相容好、且美观效果好。但价格昂贵，脆性高，易破碎。氧化铝陶瓷是第一种用于颅骨修补的陶瓷材料，具有良好的强度和化学稳定性，但价格昂贵并且容易失效。

应用于大型颅骨缺损的修补中，可以达到较高的美容细节（见图2.）。尽管如此，PMMA修补后外露、降解和感染风险仍然较高。它是在手术中通过将液态单体与粉末状聚合物反应而制成的，需要塑形。这一过程为放热反应，操作不当可导致组织灼伤。成形后通过小的螺钉和/或头骨固定材料板妥善固定。对于较大的缺陷，可以在添加树脂之前将薄的钛网用作“地板”， 在聚合过程中可以很好地粘附和融合，形成了复合的金属-塑料单元，显著提高抗冲击的强度。

• 聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）：是一种通过丙烯酸聚合获得的聚酯，于1939年被发现，并于1970年被引入医学领域。强度接近骨骼，耐热、射线可穿透、与组织不发生相互作用，具有良好的抗压和抗扭试验效果，成本低廉，易于获得。抗压缩性和抗应力性比HA表现出更好。

• 聚乳酸（Polylactic acid，PLA）：是一种通过手性聚合获得的天然体，具有生物可吸收性，强度较低。通过调增两种异构体的比例，可以获得不同强度和吸收时间的聚合物材质。这一材质可通过加温软化、塑形，降温后成形。一般其机械强度可以维持6-9个月，在24-36个月期间完全吸收。上市的成品有不同的异构体配比和生物力学特性。这一材料也可以通过3D打印技术制作预塑形的颅骨植入物。

• 聚ε-己内酯（poly ε-caprolactone，PCL）是脂肪族聚酯家族的半晶化聚合物。生物可吸收，与成骨细胞高度相容。在体内缓慢降解，最大限度保留其机械性能。成本相对较低，是骨组织工程中支架的良好材料。可以通过3D计算机塑形。工作温度相对较低，手工塑形更为方便。

• 聚醚醚酮（polyetheretherketone, PEEK）是化学惰性的热塑性芳族聚合物。可透过X线，无磁性，不导热，强度和弹性近似骨骼。且密度小，质量轻。可通过3D计算机技术精确塑形。是理想的颅骨替代物。但价格十分昂贵。另外，作为疏水性材料，其生物相容性较差。

• 聚乙烯（polyethylene，PE）是一种生物惰性材料，它不诱导组织内生长和再生，但能促进早期血管化，可以生物活性材料覆盖。以多孔结构制成颅骨替代物，植入简便，可使用3D计算机塑形。类似的材料为聚丙烯（polypropylene，PP） ，可用于较大的颅骨缺损。

理想的颅骨修补材料的特点包括坚固、容易塑形、价格低廉、感染率低、放射线可穿透、生物相容性好、具有多孔特性等。目前尚没有一种颅骨替代物能完全满足上述要求。钛合金和PEEK是目前综合性能相对突出的材料，使用前景广阔。但价格仍然偏贵，尤其是后者。具有生物活性的复合材料是以后的发展方向。