颅骨修补材料研究现状及3D打印技术应用前景.doc

www.CRTER.org卢磊，等. 颅骨修补材料研究现状及3D打印技术应用前景颅骨修补材料研究现状及3D打印技术应用前景卢 磊1，2，陈旭义2，3，4，李一鹏1，2，刚 琳1，2，涂 悦2，3，4 (1天津中医药大学，天津市 300193；2天津市神经创伤修复重点实验室，天津市 300162；3武警后勤学院附属医院脑创伤与神经疾病研究所，天津市 300162；4武警后勤学院附属医院，天津市 300162)引用本文：卢磊，陈旭义，李一鹏，刚琳，涂悦. 颅骨修补材料研究现状及3D打印技术应用前景J.中国组织工程研究，2016，20(52):7885-7890.DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.52.019 ORCID: 0000-0001-5447-1746(卢磊)文章快速阅读：颅骨修补材料的研究进展目前正在使用的颅骨修复材料以及组织工程技术和3D打印技术在颅骨修复中的应用卢磊，男，1988年生，河南省南阳市人，汉族，天津中医药大学在读硕士，主要从事神经内科，组织工程等方面的研究。并列第一作者：陈旭义，男，浙江省温州市人，汉族，博士，副主任医师，硕士生导师，主要从事神经创伤与再生、组织工程、三维打印、生物力学研究及神经外科研究。通讯作者：涂悦，教授，博士生导师，武警后勤学院附属医院中国武警脑科医院，天津市300162中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:2095-4344(2016)52-07885-06稿件接受：2016-09-19Lu Lei, Studying for masters degree, Tianjin University of Traditional Chinese Medicine, Tianjin 300193, China; Tianjin Key Laboratory of Neurological Trauma Repair, Tianjin 300162, China聚醚醚酮材料的优缺点3D打印技术在颅骨修复中的优点及限制颅骨组织工程技术的优点及限制钛合金材料的优缺点有利骨重建的支架微结构精确匹配缺损部位混合材料在骨重建的应用生长因子在骨重建的应用 文题释义：骨组织工程支架材料：大体可以分为：天然材料，包括壳聚糖、胶原蛋白、明胶、藻酸盐和丝素蛋白等。人工合成高分子材料，包括聚乳酸、聚乙醇酸和聚乳酸-羟基乙酸共聚物等。人工合成无机材料，包括羟基磷灰石和磷酸三钙等。3D打印技术：是一种快速成型技术，它是以计算机辅助设计模型的几何信息为基础，通过成型设备把材料逐层堆积得到三维实体。3D打印技术可以个性化打印形状，精确吻合缺损；可以通过特定的程序设定打印出有利于细胞增殖的孔隙，增强支架的骨诱导性、骨传导性、骨再生。摘要背景：应用颅骨修补材料不仅能恢复正常的颅骨形态，而且对恢复脑功能有重要意义。目的：对聚醚醚酮、钛合金和组织工程技术在颅骨修补方面的研究现状以及与3D打印技术联合应用的前景做一个总结。方法：检索中国知网数据库、和PubMed数据库1995至2016年发表的有关颅骨修复材料的文献，英文检索词为“bone regeneration material in calvarial，3d printing bone scaffold ”，中文检索词为“颅骨修补材料，3D打印骨支架”。结果与结论：钛合金和聚醚醚酮材料虽已在临床上使用，但钛合金有导电性、导热性，聚醚醚酮不参与缺损部位骨整合，有脱落或移位的可能。组织工程技术参与颅骨组织重建，修复效果满意，但支架材料选择和制备问题、种子细胞获取问题及生长因子缓释问题需要克服。3D打印技术可个性化打印形状，精确吻合缺损，但对原材料要求高，需要有良好的生物相容性及良好的生物力学性能。组织工程与3D打印技术相结合应用于颅骨修补应用前景广阔。 关键词：生物材料；骨生物材料；颅骨修补；聚醚醚酮；钛合金；组织工程；3D打印技术 3 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 主题词：颅骨；钛；组织工程 基金资助：天津市科技支撑计划重点项目(14ZCZDGX00500)Research status of skull repair materials and the prospect of three-dimensional printing technology Lu Lei1, 2, Chen Xu-yi2, 3, 4, Li Yi-peng1, 2, Gang Lin1, 2, Tu Yue2, 3, 4 (1Tianjin University of Traditional Chinese Medicine, Tianjin 300193, China; 2Tianjin Key Laboratory of Neurological Trauma Repair, Tianjin 300162, China; 3Institute of Traumatic Brain Injury and Neurology, Affiliated Hospital of Logistics University of CAPF, Tianjin 300162, China; 4Affiliated Hospital of Logistics College of CAPF, Tianjin 300162, China)AbstractBACKGROUND: Skull repair materials cannot only restore the normal shape of the skull, but also play an important role in brain functional recovery. OBJECTIVE: To summarize the research status of polyetheretherketone (PEEK), titanium alloy and tissue engineering technique in cranioplasty and the prospect of three-dimensional (3D) printing technology.METHODS: Literatures related to skull repair materials were retrieved in databases of CNKI and PubMed published from 1995 to 2016, using the keywords of “bone regeneration material in calvarial, 3d printing bone scaffold” in Chinese and English, respectively. RESULTS AND CONCLUSION: Although titanium and PEEK have been used in clinic, titanium holds conductivity, thermal conductivity, while PEEK that may be displaced or lost is not involved in osseointegration. Tissue engineering technology participates in the skull tissue reconstruction, achieving satisfactory repair outcomes, but the problems of scaffold selection and preparation, seed cell obtainment, and growth factor release need to be overcomed. 3D printing technology can print personalized shape, fit the defect precisely, but the raw materials should have good biocompatibility and biomechanical property. Combination of tissue engineering technology with 3D printing technology shows a broad prospect in cranioplasty.Subject headings: Skull; Titanium; Tissue EngineeringFunding: the Science and Technology Support Program of Tianjin, No. 14ZCZDGX00500Cite this article: Lu L, Chen XY, Li YP, Gang L, Tu Y. Research status of skull repair materials and the prospect of three-dimensional printing technology. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(52):7885-7890.1ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH0 引言 Introduction Chen Xu-yi, M.D., Associate chief physician, Masters supervisor, Tianjin Key Laboratory of Neurological Trauma Repair, Tianjin 300162, China; Institute of Traumatic Brain Injury and Neurology, Affiliated Hospital of Logistics University of CAPF, Tianjin 300162, China; Affiliated Hospital of Logistics College of CAPF, Tianjin 300162, ChinaLu Lei and Chen Xu-yi contributed equally to this work.Corresponding author: Tu Yue, Professor, Doctoral supervisor, Tianjin Key Laboratory of Neurological Trauma Repair, Tianjin 300162, China; Institute of Traumatic Brain Injury and Neurology, Affiliated Hospital of Logistics University of CAPF, Tianjin 300162, China; Affiliated Hospital of Logistics College of CAPF, Tianjin 300162, China颅骨缺损主要见于重型颅脑创伤、脑出血、大面积脑梗死等疾病开颅术后，患者失去颅骨保护而容易损伤脑组织。通过应用颅骨修补材料不仅能恢复正常的颅骨形态，而且对恢复脑功能有重要意义1。近几十年，颅骨修补材料经历了自体骨、有机玻璃，硅橡胶、骨水泥等阶段2，但上述材料因为存在各种各样的缺陷，逐步退出了修补材料的选择范围。新的材料、新的方法、新的技术被开发应用于颅骨修补。目前，颅骨修补的研究包括聚醚醚酮、钛合金等材料，颅骨组织工程以及3D打印技术。文章总结聚醚醚酮、钛合金等材料的优缺点、颅骨组织工程研究现状，以及3D打印技术在颅骨修补的应用前景。1 资料和方法 Data and methods1.1 资料来源 由第一作者检索1995至2016年中国知网数据库和PubMed数据库，英文检索词为“bone regeneration material in calvarial, 3d printing bone scaffold ”；中文检索词为“颅骨修补材料，3D打印骨支架”。1.2 纳入标准 与颅骨修补材料相关文献，包括临床使用材料、基础研究材料及3D打印骨支架方面的文献。1.3 排除标准 与纳入标准无关或重复性研究。1.4 数据的提取 计算机初检得到英文文献286篇，中文文献151篇。阅读标题和摘要初筛，排除重复性研究及文献内容与修复材料无关的文献；阅读全文，筛选与纳入标准相符的文献，最后选取42篇文献。2 结果 Results 2.1 聚醚醚酮 聚醚醚酮是2013年经美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration，FDA)批准上市的骨移植材料，为一种人工合成的半水晶样多聚体。聚醚醚酮能抗高温，即使在260 仍可保持性质不变，组织相容性好，化学性质稳定，弹性模量与皮质骨相近，即使受到碰撞也不会出现凹陷或变形，可以很好地保护开颅术后患者3-5。国外有学者将聚醚醚酮材料用于颌面部、颞眶部及前额部等部位颅骨缺损患者的手术，颅骨修复美学效果令人满意，脑功能也得到很好恢复6-8。国外有3家医院通过分析2006至2012年65例接受聚醚醚酮植入物的患者指出：定制的聚醚醚酮植入物对大面积颅骨缺损患者来说是最好的选择9。目前国内较少应用，有学者报道了聚醚醚酮颅骨修补的临床短期疗效，个体化定制的聚醚醚酮植入物吻合精度高，对称性好，可以很好地恢复患者的容貌，减轻患者的心理压力，术后能显著减少皮下积液和皮下感染率10。只是目前国内此材料尚未生产，需要国外进口，价格较贵。因不参与缺损部位的骨整合，定制的聚醚醚酮植入物有脱落的风险，并且聚醚醚酮材料的远期疗效未知，需要继续观察11。2.2 钛合金 钛合金是目前临床广泛应用的颅骨修复材料，密度低，强度高，因此钛合金的比强度高，患者在置入钛合金后也不会感到重，并且其组织相容性好，稳定性好，致敏性低，对CT、MRI检查干扰较小12，而这些特点也是钛合金材料被用来作为颅骨修补材料的原因。近年来随着技术的进步，采用计算机三维成型技术能个体化定制植入物。Williams等13对151例用个性化定制钛合金材料植入物做颅骨修补的患者进行观察，发现手术时间减少，术后皮下积液量少，远期感染率低。Matsuno等14证实钛合金材料的感染率是2.6%，在所有的修补材料中最低。刘桂彪等15观察198例钛网修复颅骨患者，发现术后无头皮下积血，降低了修补材料裸露、继发性感染等并发症。但钛合金材料也有如下缺点：有导电性、导热性，手术后头部对电磁波和外界温差较敏感，患者在使用手机或洗澡时会有不适感16。目前仍有众多学者研究钛合金，希望将来研究出理想的钛合金用于颅骨修补。2.3 颅骨组织工程 长期置入时，非生物材料植入物可能发生偏移或脱落，需要二次手术，而组织工程技术参与颅骨重建成为目前研究的重要领域。颅骨组织工程是把有生物相容和生物降解性能的材料置入缺损部位，材料与细胞或生长因子相结合，以此来支持和引导骨生成，增强骨重建效果。骨组织工程支架材料大体可以分为：天然材料，包括壳聚糖、胶原蛋白、明胶、藻酸盐和丝素蛋白等；人工合成高分子材料，包括聚乳酸、聚乙醇酸和聚乳酸-羟基乙酸共聚物等；人工合成无机材料，包括羟基磷灰石和磷酸三钙等。天然材料来源广泛，组织相容性好，降解产物无毒，但其降解速度不易控制，力学强度不足；人工合成高分子材料有较好的力学强度，但其亲水性差，易导致无菌性炎症；人工合成无机材料组织相容性好，体内易降解，但其脆性较大。理想的颅骨支架材料应该有良好的生物相容性及骨生成、骨诱导、骨传导的作用。另外，支架材料还要有一定的刚度和韧性，材料的降解产物不会引起炎症反应。而单一材料不能完全符合颅骨组织工程支架的要求，所以将几种材料混合或者材料与细胞因子相结合制成支架，成为目前研究颅骨组织工程支架的热点。将多种材料混合制成支架，可以弥补单一材料的不足。Przekora等17用壳聚糖、-1，3-葡聚糖、生物陶瓷作为支架材料，测定3种不同的成骨细胞系(正常人胚胎成骨细胞、人骨肉瘤来源的成骨细胞和小鼠颅盖骨细胞MC3T3-E1)对支架的成骨特性。结果发现：新的支架能增加碱性磷酸酶的活性，促进细胞外基质合成，能诱导矿化结节的形成，表明这3种材料混合制成的支架在骨组织工程中有很好的应用前景。Villa等18用胶原-羟基磷灰石作为支架材料，用成骨细胞测定支架的细胞黏附率、生存力及在支架中的分布，用鼠颅骨缺损模型测定支架的成骨特性，结果表明3周后完全填充骨缺损。某些细胞生长因子或小离子能提高材料的成骨能力。因此组织工程支架与生长因子或小离子相复合制成缓释支架是一种骨组织工程的新趋势。硅元素能促进骨成型和钙化，是矿化的使动因子19-20。Kim等21用硅元素和羟基磷灰石结合作为支架材料，人间充质干细胞测定羟基磷灰石支架的生物活性，兔颅骨缺损测定骨重建效率。结果表明硅元素的存在提高了细胞增殖、黏附，增强了细胞的成骨分化；兔颅骨缺损实验表明，第8周新骨形成有很大提高。重组人骨形态发生蛋白是一种重要的成骨调节因子，它可以促进成骨，但非受控和非靶向的超生理剂量缓释，会引起严重的不良反应。Quinlan等22采用冻干工艺将重组人骨形态发生蛋白2和胶原-羟基磷灰石制成多孔的复合支架，以长期低剂量缓释重组人骨形态发生蛋白2。结果表明低剂量缓释支架能增强碱性磷酸酶活性和钙生成，能增强大鼠颅骨缺损的愈合水平，而不引起骨生长异常和相邻骨吸收。Dadsetan等23将重组人骨形态发生蛋白2同磷酸钙相结合，用兔颅骨临界缺损评估支架的体内再生情况。组织学结果证实骨生长紧邻支架表面，表明这种涂层支架有好的骨整合性和骨传导性。这项研究中获得的结果表明，磷酸钙和涂层的重组人骨形态发生蛋白2之间有良好的的协同效应，并且可以为大的骨缺损的功能恢复提供一个有前景的平台。Thesleff等24把自体脂肪干细胞和-磷酸三钙支架联合应用于4例大型颅骨缺损患者，结果发现没有出现相关的并发症，CT扫描骨化结果令人满意。虽然骨组织工程支架有很大的进展，出现很多新方法，但仍存在局限性，需要克服支架材料的选择、生长因子缓释及种子细胞的获取问题。2.4 制造方法2.4.1 其他方法 组织工程支架的孔结构(孔径，孔隙率，孔互连性)在组织再生中起关键的作用，并且许多文献已研究孔结构的具体参数。对组织再生来说，支架的多孔结构是必要的，因为其有利于细胞的黏附，迁移和增殖，以及营养物质，氧和废物的运输。已经明确大孔径能促进营养供应和废物清除，而小孔径能提供更多的表面积，以利于细胞黏附。Murphy等25使用改性冻干技术制造孔径范围为85-325 m的胶原-糖胺聚糖支架。结果表明，孔径为300 m改善了成骨细胞的浸润和黏附。Harley等26的研究表明，使用不同冷冻温度制造不同孔径的CG支架，温度从-10至-40 产生的孔径范围相应的从 151 m减至96 m。OBrien等27的研究表明，增加孔径从90 m至150 m，可以降低成纤维细胞的移动性。同样，其他的研究表明，在给定的孔径范围，随着孔径增加，成骨细胞附着减少。Guo等28应用不同的强度脉冲超声波(0-0.11 MPa)制造不同孔隙率(36%- 55%)的藻酸盐支架，结果表明，支架暴露于0.085 MPa超声波(53%)的孔隙率，能提高细胞活力和型胶原表达。Zhang等29用冰粒制造的胶原支架，实验发现支架孔径150-200 m为支架提供最佳环境，促进软骨细胞分化，可增加型胶原的表达及支架的机械性能。孔互连性也是在支架来说也是应考虑的因素，因为它影响营养物质和氧气的运输。此外，一些研究表明，孔互连性能影响支架血管组织向内生长。然而，支架互联性的制造是具有挑战性的。研究表明，增加孔隙大小可能降低机械性能。理想的支架应考虑其结构和机械性能。对骨组织再生来说，这样的设计是很重要的，其中机械强度是愈合的一个重要方面。Melchels等30的研究评估了孔互连性对细胞行为的影响，在聚乳酸支架孔隙直径为126 m的互连孔中，骨髓间充质干细胞在支架中均匀分布及高增殖。采用溶液浇铸/离子洗出法、原位成型法、静电纺丝法、相分离/冻干法、气体成孔法等方法制备的组织工程支架，获得了比较满意的效果，但在孔径精确性、孔隙均匀性、空间结构复杂性、支架个性化等方面可控性差，不利于骨组织的生长。2.4.2 3D打印技术 3D打印技术是一种快速成型技术，它是以计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)模型的几何信息为基础，通过成型设备把材料逐层堆积得到三维实体。3D 打印技术可在很大程度上实现支架孔径的精确性、孔隙均匀性、空间结构复杂性、支架个性化等方面的可控性，克服传统制造方法的缺点，因此可能制备出更优良的骨组织工程支架。3D打印技术能打印出与骨缺损部位精确吻合的植入体。打印出的个体化植入体有完全吻合患者缺损部位，减少手术时间，减少患者住院时间。国内有医生为23例进行下颌角截骨患者置入3D打印的假体，所有患者均一期愈合，没有感染、出血等并发症，术后3个月CT检查发现骨整合良好31。3D打印技术能打印出可控结构的骨组织工程支架。对组织工程来说，支架的孔结构是非常重要的，支架的孔结构可能会影响细胞的附着和生长方向并诱导不同生物学行为。因此组织工程的支架应该具有适当的结构和机械性能，以支持细胞的黏附、增殖和分化。3D打印技术在打印骨组织工程支架时，能将材料制造有预定形式和结构的支架，可以控制孔隙率和微孔的大小，实现孔隙之间完全贯通及孔隙梯度结构的成型，因而，可以制造出骨骼内部的微仿生结构32-34。孔隙支持细胞穿过和代谢物流通，并为种植细胞提供优良的微环境，以利于其的黏附、增殖及分化35-37。打印复合材料的骨组织工程支架。Chang等38利用激光烧结技术在陶瓷材料中掺入碳酸钙粉末制作复合支架，结果表明该支架有良好的机械性能及生物相容性。国内学者通过3D打印技术制备了锶-生物玻璃支架，采用该支架修复大鼠颅骨缺损，支架的成骨和血管化能力显著提高39。3D打印制备的锶-磷酸镁支架，提高了支架的力学强度及体外降解性40。打印材料与生长因子复合的骨组织工程支架。Wang等41用3D打印技术制备羟基磷灰石和重组人骨形态发生蛋白2复合骨支架，重组人骨形态发生蛋白2可持续释放21 d，诱导骨髓间充质干细胞成骨分化。体内实验表明该支架有良好的骨重建能力。国内学者用3D打印技术制备聚乳酸-羟基乙酸共聚物/羟基磷灰石和重组人骨形态发生蛋白2复合的骨支架，该支架有良好的机械性能和生物相容性42。3D打印技术作为一种新的方法在颅骨修补方面与传统方法相比能精确地匹配患者的缺损部位；应用其制造骨组织工程支架，可以通过特定程序控制支架的三维立体结构，增强支架的骨诱导性、骨传导性、骨再生，更适合种子细胞黏附、增殖、分化，以诱导成骨修复缺损，具有重大的应用价值。但对打印材料要求高，需要打印时材料立即成型。3 展望与探讨 Prospects and discussion 虽然颅骨修补材料的研究取得了很大的发展，但仍有缺陷。钛合金和聚醚醚酮是目前临床常用的颅骨修补材料，仍有缺点，需要继续观察和研究，希望通过改性等方法在未来出现更理想的修补材料。组织工程技术为颅骨修补提供了新的方法和思路，但用传统的方法制备支架，在孔径精确性、孔隙均匀性、空间结构复杂性、支架个性化等方面可控性差，不利于骨组织的生长。3D打印技术可以克服上述传统制造方法的缺点，能制备出更优良的骨组织工程支架。但要克服材料选择的问题。但有理由相信，随着生物材料学及3D打印技术的发展，这些难点都可以攻破。通过组织工程技术和3D打印技术的联合应用，筛选出合适的支架材料、种子细胞和生长因子，应用于颅骨修复有广阔的前景。 作者贡献：第一作者构思、设计本综述并检索资料，通讯作者审校。利益冲突：所有作者共同认可文章无相关利益冲突。伦理问题：未涉及与伦理冲突内容。文章查重：文章出版前已经过CNKI反剽窃文献检测系统进行3次查重。文章外审：文章经国内小同行外审专家审核，符合本刊发稿宗旨。作者声明：第一作者对于研究和撰写的论文中出现的不端行为承担责任。论文中涉及的原始图片、数据(包括计算机数据库)记录及样本已按照有关规定保存、分享和销毁，可接受核查。文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。4 参考文献 References 1 Dujovng M,Femandez P,Alperin N,et al. 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