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 中国组织工程研究 第20卷 第52期 2016–12–16出版 Chinese Journal of Tissue Engineering Research December 16, 2016 Vol.20, No.52 www.CRTER.org ?综述? 卢 磊，陈旭义，李一鹏，刚 琳，涂 悦 (天津中医药大学，天津市 300193;天津市神经创伤修复重点 34 实验室，天津市 300162;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;武警后勤学院附属医院，天津市 300162) 2，3，4 1，2 1，2 2，3，4 1 2 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: 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。 :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 主题词: 颅骨;钛;组织工程 基金资助: 天津市科技支撑重点项目(14ZCZDGX00500) ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH 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:2016-09-19 Lu Lei, Studying for master’s degree, Tianjin University of Traditional ————————————————————————————————————————————————————— Chinese Medicine, Tianjin 300193, China; Tianjin Key Laboratory of Neurological Trauma Repair, Tianjin 300162, China 7885 www.CRTER.org Chen Xu-yi, M.D., Associate chief physician, Master’s 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 Lu 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 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) Abstract BACKGROUND: 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 Engineering Funding: the Science and Technology Support Program of Tianjin, No. 14ZCZDGX00500 Cite 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. 0 引言 Introduction 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。 骨支架”。 1.2 纳入 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，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 P.O. Box 10002, Shenyang 110180 www.CRTER.org 1 资料和方法 Data and methods 1.1 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 7886 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 ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH www.CRTER.org 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、β-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 7887 一个有前景的平台。Thesleff等[24]把自体脂肪干细胞和β-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 μm的胶原-糖胺聚糖支架。结果表明，孔径为300 μm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 μm减至96 μm。O’Brien等[27]的研究表明，增加孔径从90 μm至150 μm，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 μm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 μm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 7888 www.CRTER.org 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臵入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 ————————————————————————————————————————————————————— P.O. Box 10002, Shenyang 110180 www.CRTER.org 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. Postaranioplasty cerebrospinal fluid hydrodynamic changes: magnetic resonance imaging quantitative analysis.Neurol Res. 1997;19(3):311-316. 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