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            顱骨修補材料運用現狀及3D打印技術在其制備工藝中的應用展望

            2018.01.05

            臨床中,針對重型顱腦損傷、腦動脈瘤破裂出血、腦出血等病人,術后多需行去骨瓣減壓。術后顱骨缺損較大時(≥3 cm),可出現顱骨缺損綜合征,表現為頭痛、頭暈,體位變化時加重缺損部位的不適感。針對顱骨缺損,顱骨修補手術可以減小硬腦膜與皮瓣局部的張力,提高骨窗鄰近區域的腦動脈灌注,從而明顯的改善神經功能障礙。顱骨修補材料成為影響顱骨修補手術效果諸多因素之一,在輕量化制造和組織生物相容性等方面得到了迅猛的發展。


            目前,顱骨修補手術中應用的材料,以形態穩定并且生物相容性較好的鈦合金為主導。3D打印技術是20世紀末出現的新技術,是以影像數據為基礎,利用塑料顆粒、生長因子、金屬粉末及陶瓷等元素為源材料,通過材料的逐層打印、精確堆積,快速制造任意構型的數字化成型技術。3D打印技術通過控制孔隙率、孔隙分布及孔徑尺寸,使植入材料擁有多孔結構,更接近人體骨組織的彈性模量,減少應力遮擋效應。從而促進自體骨與植入材料更好的融合,提高生物組織相容性,并通過增加骨-材料結合位點,達到提高植入材料-自體骨的力學穩定性效果。隨著技術的發展及材料的革新,3D打印植入材料已逐漸進入臨床應用階段。


            1.傳統顱骨修補材料

            1.1 自體骨

            即病人自身的肋骨、髂骨或顱骨瓣,因其具有完整的骨性結構、并有誘骨生長的潛能,能提高生物相容性,術后出現排異反應、皮下積液及感染的幾率低,是一種效果確切的修補材料。但其存在骨質來源受限、保存骨瓣及取骨時增加手術創傷、部分病例術后植入骨質被吸收及難以塑形等缺陷,臨床實際應用中無法大范圍推廣。

            1.2 骨水泥

            在20世紀60年代初問世,化學名為聚甲基丙烯酸甲酯,是性能優異、用途廣泛的水溶性高分子化合物,術中按比例配伍后塑形,具有塑形簡單、成本低廉、機械強度高等優點,化學性質穩定,且不易被吸收。但伴有配伍時產熱易損傷周圍組織,術后出現皮下積液、感染等問題,極少數病例因骨水泥對血液動力學產生影響,出現彌漫性血管內凝血及深靜脈血栓等事件。

            1.3 有機玻璃

            早期,因為其隔熱不導電,CT及MRI等影像學檢查中不產生偽影,加熱后塑形方便等優勢,在臨床中有機玻璃修補材料被廣泛使用。但該類材料具有脆性大、抗沖擊性差,術后皮下積液幾率高,意外碎裂后可刺傷腦組織等風險,目前臨床上已基本不用。

            1.4 醫用硅膠

            對機體刺激性少、無毒、產生過敏反應比例小,生物相容性較可靠,具有穩定的理化特性,植入體內后可以維持原有的柔韌性和彈性,不易降解;而且耐高溫,塑形快捷,消毒方便。但在實際應用中,有額顳部固定不穩定、材料中含雜質會增加誘發癲癇的風險,所以臨床中存在局限性。

            1.5 陶瓷材料

            即生物醫用無機非金屬材料,包括玻璃、陶瓷及碳素等。具有較好生物相容性,且化學性能穩定。氧化鋯等陶瓷材料的抗壓、化學穩定性和耐磨性能都比有機材料及金屬材料好,不過這類材料的主要問題是脆性、韌性較差,導致其實際應用受限。


            2.顱骨修補材料的運用現狀

            鈦合金材料經歷了3個階段的發展過程,首先是純鈦和鈦合金Ti-6Al-4V 階段,中間經歷了以Ti-5A1-2.5Fe和Ti-6AI-7Nb為主的新型α+β型合金,近年來出現的鈦合金材料則具有更好的生物相容性和合理的彈性模量。由于β型鈦合金的耐磨性能好、強度高,并且彈性模量優于α和α+β型鈦合金,所以,β型鈦合金成為近期生物醫用材料中研究的主要對象。鈦網作為顱骨修補材料的早期,多采用手工塑形,手術中依據病人骨窗的實際情況直接塑形,并根據骨窗形狀對鈦網進行裁剪,由于塑形增加了手術和麻醉時間,從而提高了術后感染幾率。

            圖片:雷尼紹3D打印的鈦合金顱骨植入物


            另外,裁剪將鈦網的完整性降低,導致其穩定性破壞。手工塑形的材料與骨窗敷貼性差,外形美觀度有限,部分病人還因為鈦網翹邊變形,損傷頭皮而降低手術成功率?,F階段臨床工作中,多以數字化3D塑形技術代替,可以輕松解決上述問題。其制備是以頭部螺旋CT薄層掃描數據為基礎,通過計算機獲得與病人顱骨缺損外形符合的3D模型,通過計算機上的模擬測試,獲得貼合程度滿意的修補材料,再由數控銑床無模壓制生產所需的顱骨修補材料。


            與傳統手工塑形相比,數字化3D塑形技術耗時短、貼合度好,符合生理解剖形態,并且因為植入材料與骨窗邊緣貼合度好,從而減少了鈦釘的使用數量、術野暴露時間及并發癥發生率。因為,鈦合金顱骨修補材料的特點是具有合適的強度與剛度,材料厚度薄、質量輕,抗壓性較強,塑形簡單,鈦釘固定穩定性好,具有合適的生物相容性、穩定性、低致敏性、無毒性和無致癌性,植入人體后可永久保留;因此,目前鈦合金顱骨補片是臨床上普遍使用的顱骨修補材料。


            但在部分大面積顱骨缺損的病例中,由于鈦網的機械強度受限,抵抗外力的沖擊力度有限,尤其在進行含眼眶邊緣的顱骨缺損修復時,鈦網材料難以保持預定設計的外形,往往會局部摩擦覆蓋的軟組織,使其變薄后引起鈦網的外露。而且鈦植入物也存在著一些無法克服的缺點:比如鈦的模量比骨骼高2~3個數量級,應力屏蔽可引發骨溶解與松動;再者鈦植入物在CT、MRI等醫學影像上存在偽影、重影等問題,這些將對病人后期的腦部診斷產生重大影響。聚醚醚酮(Poly-ether-ether-ketone,PEEK)是一種芳香族的以酮鏈相連接的多聚體材料。于1977年由英國ICI公司開發成功,在20世紀80年代初期由英國Victrex公司實現工業生產化的一種高性能特種工程塑料。PEEK主要是以4,4′-二氟二苯甲酮、對苯二酚、無水碳酸鈉為原料,二苯砜為溶劑,在無水條件下于300~340 ℃進行親核縮聚合制得。


            圖片:EOS 設備3D打印的PEEK 植入物


            PEEK最早應用于骨科的手術中,其生物力學性能與骨皮質相似,且具有良好的生物組織相容性,能耐高溫及抗離子輻射等特性。目前使用的PEEK材料通過手術前計算機輔助設計和生產,手術中與周圍殘留骨質貼合理想,擁有和缺損的骨邊緣相同的厚度。因術前成形良好無需塑形,手術麻醉時間大為減少,術后感染率明顯降低。對眶周、顴骨顴弓和部分上頜骨等不規整顱骨缺損病例,通過計算機精確設計、切削制備的PEEK植入材料能快速獲得極佳的外形修復效果。PEEK通過微型鈦板和鈦釘與周圍骨窗進行牢固的固定。與其它預成形的植入材料,與鈦網和多孔聚乙烯等材料相比,PEEK材料對X線為半穿透性,并且無磁性,不產生影像學偽影,便于術后CT和MRI檢查。而且,植入體內的PEEK材料具有絕熱特性,避免產生同鈦網材料一樣的導熱情況,預防損傷腦組織。


            PEEK材料憑借其優異的綜合性能在生物醫用領域占有重要地位,良好的耐蠕變性和耐熱等級高的特點使其應用于制造人體骨修復植入材料;PEEK材料的耐磨損性能和耐化學藥品腐蝕性使其成為高壽命人工骨質的替代品;其潛在的抑菌性在臨床治療中發揮了重要作用。但是,因為目前國內制備的時間較長并且手術費用昂貴,使該類植入材料難以在臨床廣泛使用。其他還有多種材料被應用于顱骨修補材料的制備,例如鈷鋯合金、聚乳酸-羥基乙酸共聚物、羥基磷灰石、殼聚糖及藻酸鹽等,其中納米級羥基磷灰石是自然存在的骨骼的礦物成分磷酸鈣化合物。納米級羥基磷灰石可以結合鈦網成為更高強度的修補材料,具有活躍的成骨活性,而且其結構與自體骨的成分十分相似,所以其生物相容性極高,可以被輕易地塑造輪廓完美的修復假體。但是,羥基磷灰石因為易碎性、低抗拉強度和高感染率被限制使用。該類材料在人體骨性材料替代使用領域還在進行更深層次的探索和研究。


            3. 3D打印技術的應用現狀及其在顱骨修補材料制備中的展望

            3D打印技術是增材制造的一種,目前較為成熟的分支有分層實體制造技術、電子束燒結、激光熔覆技術、激光成形技術、直接金屬激光燒結、立體平版印刷技術、選擇性激光燒結、紫外線成形技術等。3D打印技術在上世紀末出現后,早期應用于手術導板設計制作、個體化手術方案設計,還有部分疑難手術的模擬演練,伴隨著此項技術的進一步發展,通過控制孔隙分布、孔隙率和孔徑大小,使植入材料具有多孔結構,與人體自身組織結構相似,解決了植入材料高度丟失和下沉等缺陷。多孔結構的設計,使其具有合適的機械特性和足夠的孔隙結構,互相溝通的孔隙結構允許組織鑲嵌生長,減少了植入材料松動的幾率。電子束燒結制造的多孔結構鈦合金椎間融合器材料,與常規PEEK材料制造的椎間融合器相比,前者具有更少的微移動特性與出色的骨結合特性。因為以上所列的優點,目前3D打印的植入材料被廣泛使用于人工關節置換、脊椎椎體置換等手術中。


            3D打印技術是一項革命性的創新技術,與傳統的顱骨修補材料、鈦合金網板以及PEEK材料等植入物的制備工藝相比較,3D打印技術突破了設計和傳統制備工藝的瓶頸,通過數字可視化設計,大幅度縮短設計、制備周期,減少材料消耗率,且源材料不受限制。由于定制個體化,使3D打印制備的顱骨修補材料將能滿足更多特殊要求、難度復雜的手術,并且具有以下優勢:①術前可視數字化設計并制備完成修補材料,術中勿需塑形,縮短手術暴露時間;②制備的修補材料個性化程度高,且快速成型,加工時間短;③數字化成型修補材料與骨窗貼合更理想,對位良好,改善外觀;④3D打印技術將促成修補材料的輕量化設計逐漸科學合理,材料本身的多孔結構將促進術后成骨細胞的滲入融合,提高生物相容性,從而減少手術后排異反應。


            綜合而言,3D打印技術在神經外科個體化手術治療領域有較大潛力,在顱骨修補材料的制備工藝方面相對于傳統制造工藝有著明顯的進步和提升。目前,3D打印技術領域存在一定的技術瓶頸,除了源材料的種類有限而且費用昂貴,另外現階段3D打印技術領域缺乏相關的產品質量評價及認證體系,相應的臨床準入制度不夠全面,這些問題一定程度上阻礙了該技術的快速發展。但隨著智能材料和生物活性材料研究的進一步深入,將來通過3D打印技術可以制造任意復雜形狀的植入材料,并且這些材料可以隨時間和外界環境發生相應的變化,將更好地與人體組織融合、生長。


            近年來,針對以細胞和組織為源材料,進行攜帶細胞的3D打印技術正被深入研究。此項技術與顱骨修補材料制備工藝中的融合與運用,將會促進具有生物活性的輕量化設計顱骨修補材料的產生,屆時,顱骨修補材料使用中現存的各種困境將迎刃而解。3D打印技術在生物醫用材料的制備領域仍處于初始階段,要實現3D打印技術在顱骨修補材料制備中的應用還面臨很多挑戰,但是前景廣闊。


            (轉載自網絡)

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