生物醫(yī)用人工胸壁的研究進展

田焰寬 鄭兆柱 李毓陵 王曉沁 李 剛

1. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院 現代絲綢國家工程實驗室(中國) 2. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室(中國)

多年來，胸壁腫瘤、放射性潰瘍、感染或胸壁嚴重創(chuàng)傷等頑疾一直困擾著患者和醫(yī)務人員[1]。起初人們一直采取保守治療的方法對待這類疾病，但治療效果不理想。近年來，在對胸壁附近的惡性腫瘤及腫瘤附近的部分胸壁進行了大量的研究工作后，人們認識到將這些腫瘤根本性切除可達到良好的治療效果[2]。然而，在進行上述切除性手術后，胸壁組織會發(fā)生大面積的缺損，從而易引發(fā)一系列后遺癥，如胸廓的不完整、不穩(wěn)定性和堅固性惡化，會進一步導致胸壁軟化和呼吸循環(huán)困難等一系列問題[3]。

因此，研制理想的胸壁替代物來進行胸壁的重建，以確保胸腔的支撐力和彈性是一個值得關注的問題。醫(yī)用人工胸壁是一種根據胸壁缺損部位的大小，對其進行修補的人造器官，如圖1所示。

眾所周知，人工胸壁研究的重點是人造胸壁材料的選擇和結構的設計，本文詳細介紹了目前人工胸壁所用材料、結構及其性能要求和發(fā)展前景。

a) 人體胸壁缺損

c) 根據缺損部位設計的人工胸壁結構圖

圖1 人體胸壁示意圖

1 人工胸壁材料

1.1 自體材料

自體材料即人體自身的材料，包括闊肌膜、肌瓣、大網膜等，其最符合人體生理要求。自體材料本身具有生物相容性，但它是一種通過“二次損傷”來治療損傷部位的典型方法，犧牲了健康的生理組織，且其材料來源有限、力學性能一般，隨著手術時間的延長，患者不適感增加[4]，因此目前自體材料不作為人工胸壁材料的第一選擇。

1.2 同種異體材料

同種異體材料以生物體源材料為主，取自動物組織居多，具有柔韌性好、取材方便、抗拉力等力學性能優(yōu)異且容易制備保存[5]等優(yōu)點。其最大的缺點是具有抗原性，容易與人體發(fā)生排斥反應，通常需要進行改性處理，并且，存在疾病細菌交叉感染的風險。

1.3 人工材料

隨著科學技術的發(fā)展，人工材料在各領域及醫(yī)用人造胸壁中發(fā)揮著越來越重要的作用。與自體材料和同種異體材料相比，人工材料來源更廣泛，并可簡化手術過程，加快手術進程，緩解患者的創(chuàng)傷，對胸腔的支撐效果也更好。人工材料種類豐富，主要包括金屬材料、合成材料和生物可降解材料。

1.3.1 金屬材料

用于人工胸壁的金屬材料主要有金屬絲、金屬網和金屬板。金屬材料硬度較大，對胸廓能起到很好的支撐作用，但其缺點也很明顯，如金屬材料會對術后X射線檢查產生一定的干擾，尤其是金屬板，影響更大；金屬材料不能降解，且其抗感染能力差，長期留在體內會對患者的健康不利[6]。

1.3.2 合成材料

人工合成材料指利用化學方法或聚合作用將不同物質經人為加工而成的材料。目前，其在生物醫(yī)學上使用最為廣泛。人工合成材料性能優(yōu)異，Suganuma等[7]將Marlex網及鈦合金結合，進行胸壁重建，將鈦合金的穩(wěn)定性與Marlex的生物相容性相結合，使人工胸壁的支撐度和相容性得到更進一步提升。Akiba等[8]將Core-tex補片用于臨床人工胸壁重建，獲得了一定的效果。盡管人工材料在人工胸壁重建上的應用越來越多，但是其本身也存在弊端，如Marlex網進行胸壁缺損修補后，反常呼吸問題難以得到解決，導致患者不適；盡管Core-tex補片的塑形和抗張強度較好，生物適應性優(yōu)異，且其術后感染等并發(fā)癥較少，但Core-tex補片價格高昂，給普通病患帶來了極大的經濟負擔，限制了其在人造胸壁重建中的廣泛應用。

1.3.3 生物可降解材料

自20世紀90年代以來，生物可降解材料一直以良好的生物相容性、優(yōu)異的生物降解性和可調控的力學性能在生物醫(yī)學領域扮演著越來越重要的角色，它在組織工程領域的應用具有很好的前景。目前應用于生物醫(yī)學方面的生物可降解材料越來越多，應用于人工胸壁研究的主要有如下幾種：聚乳酸(PLA)[9]、聚羥基乙酸(PGA)[10]、聚對二氧環(huán)己酮(PDO)[11]和聚已內酯(PCL)[12]。降解時間是測量可降解材料的重要指標之一，決定了材料的降解速度。材料的降解時間是否與胸壁缺損部位新組織的生長速率相匹配，是這種材料能否應用于人造胸壁的決定性因素。幾種常見可降解材料的降解時間如表1所示。

表1 幾種常見可降解材料的降解時間

上述幾種降解材料雖目前較常應用于人工胸壁，但也存在一些弊端。一般而言，人工胸壁的降解周期應盡可能長，至少需3個月。由表1可知，PGA的降解時間為60 d，降解速度過快，很明顯不能滿足人工胸壁的要求；PCL的降解時間為720 d，降解速度較慢，盡管滿足人工胸壁降解時間要求，但其在體內降解時間過長可能會引起傷口的感染；PLA降解速度適宜，其斷裂強度為4.0～6.0 cN/dtex，伸長率為20%～30%，但其抗沖擊性不足，力學性能難以滿足要求，限制了PLA在人工胸壁修補領域的應用；PDO具有良好的生物相容性、降解性、可加工性及力學性能，其降解產物與人體代謝產物一致，排斥反應較小，適合作為胸壁修復材料，然而PDO價格相對過高，這在一定程度上制約了它的推廣應用。

近些年來，絲素蛋白已廣泛應用于生物醫(yī)學組織工程領域，產品有人造血管[13]、人造骨[14]和人造皮膚[15]等。絲素蛋白是一種具有良好的生物相容性，生物降解性和降解率的天然大分子材料，基本符合人工胸壁的要求。它易于加工，較其他天然纖維力學性能更優(yōu)，且其能夠進行表面改性，有利于組織修復[16-17]。絲素蛋白在人工骨骼中的應用有利于人工胸壁中肋骨的開發(fā)研究[18]。

2 人工胸壁材料性能要求

胸壁是人機體胸腔的外屏障，是人體進行呼吸活動的重要場所，在人體進行各種生理活動中具有舉足輕重的作用。理想的人工胸壁材料通常具備一定的性能要求，人工胸壁性能要求及其原因或目的如表2所示。

表2 人工胸壁性能要求及其原因或目的

3 人工胸壁的結構設計

3.1 傳統結構

早期的醫(yī)務工作者面對缺損的胸壁，多采用金屬絲、網和板進行胸壁網與肋骨一體重建，將其固定于缺損部位[19]，如圖2a)和2b)所示。這種方法效果較差，硬質材料有其致命的缺陷，表面光滑和內部孔洞少，這對于細胞組織的生長繁殖不利，并且術后材料與組織固定處常常會出現松動，從而造成組織的破壞。

3.2 “三明治”結構

在傳統方法的基礎上，研究人員結合不同材料的特性，設計出一種類似人工胸壁結構的“三明治”結構。即以硬度較大和力學性能較好的材料為基礎，在其上下覆蓋生物相容性和生物穩(wěn)定性較好的材料作為外層，由此構成類似于三明治的結構[20]，如圖2c)所示。這種結構的最大特點是結合了各組分材料的特性，使其制品能夠較好地適應于人體。目前，“三明治”結構臨床上已經取得了一定的效果，但它具有手術操作繁瑣和固定位置容易松動的缺點。

3.3 紡織型人工胸壁和多管仿生結構

紡織型人工胸壁目前主要有機織和針織兩種結構。其中，機織平紋結構可確保人造胸壁具有良好的支撐效果，抗彎性能較好，給胸壁內臟提供了更好保護作用的同時，能防止反常呼吸?？椢锷系目锥礊樾律M織提供了良好的生長環(huán)境。隨著人工胸壁的降解和新生組織的生長，自體胸壁生長愈合，從而使身體機能有條不紊地運行[21]。

楊苛等[22]在前人的研究基礎上，設計出一種獨特的織造工藝，其特點是形成沿緯向帶管道的人工胸壁修補網，如圖2d)所示。該織物結構采用了經李剛等[23]改進的多梭箱小樣劍桿織機織造。楊苛等的設計獨特之處在于，一方面，修補網織物采用了緯向變化組織。由于組織的變化發(fā)生在緯向，故織物的經縮不變，其經紗之間的張力也不會有太大的變化，由此確保了織造的順利進行；同時，沿緯向變化可使織物更加柔韌，可根據需要織制出不同尺寸的修補網。該結構與其他縱向多管道胸壁修補網相比制作更簡單。另一方面，臨床上為有助于新生骨的生長，往往要求人工肋骨具有一定的孔隙率。為促進成骨細胞的黏附和增殖，楊苛等選擇三維五向編織工藝制作人造肋骨。所得人工胸壁不僅具有良好的力學性能，而且含有大量的孔洞，從而解決了硬性材料人工肋骨孔洞少和表面光滑的問題。該人工胸壁修補網雖較易制作且效果較好，但其人工肋骨的制作過于繁瑣。若參考生物醫(yī)學上人工肋骨[24-26]的制作方法，將可大大簡化制作工藝，縮短加工時間，從而降低成本。

3.4 3D打印技術

3D打印技術也稱增材制造技術。作為當前流行的一種前沿科學技術，與傳統加工和其他“材料減少”技術相比，它基于離散性和積累性原理，通過材料的逐漸積累而實現。3D打印技術是一項綜合性技術，且科學技術含量非常高，涵蓋了化學、材料工程科學和信息技術等各個方面的先進知識[27-28]。

利用3D打印技術制備人工胸壁，首先是利用CT數據對胸壁進行三維重建，生產出堅硬的胸骨和與胸骨相連的鈦制肋骨，然后，打印機向鈦金屬粉末床發(fā)射電子束，使鈦金屬粉末熔化，最后，逐層產生完整的接枝，最終得到人工胸壁產品，如圖2e)所示。

a) 傳統條狀結構

b) 傳統網狀結構

c) “三明治”結構

d) 多管道仿生式結構

e) 3D打印結構

4 前景展望

隨著人們生活水平的提高，其對醫(yī)療健康不斷提出新的要求。受胸壁腫瘤、胸壁創(chuàng)傷和局部功能喪失等病癥困擾的患者對人工胸壁的要求也會越來越高。近十幾年來，科研工作者在人工胸壁的研究領域不斷突破，取得了一些成就。然而，現有的人工胸壁依然存在各種問題，人工胸壁研究仍然是生物醫(yī)用材料和心胸外科領域的難點和熱點。

胸壁重建能否取得成功的關鍵因素是人工胸壁材料的研究開發(fā)、選擇、改性和結構設計。目前，科研工作者在材料選擇上主要分兩方面。一方面是尋找已有的、性能滿足臨床移植要求的材料，或研制全新的、性能適宜的生物材料。然而，現階段還沒有找到一種完全令人滿意的重建修補材料，因此通常利用化學方法，通過改變物質的微觀構象賦予材料新性能。另一方面，組合應用多種材料，充分利用各組分材料的性能優(yōu)勢，以滿足人工胸壁的性能要求。

人工胸壁在結構設計方面應能夠根據胸壁缺損大小進行裁剪。另外，人工胸壁在機體內應有良好的生物相容性和生物力學性能穩(wěn)定性，以及與缺損部位有一定的相似性，故人工胸壁結構的個性化應是今后研究的重要方向。新興的先進制造技術(如3D打印技術、激光雕刻)的快速發(fā)展也為人工胸壁的結構設計和產品開發(fā)提供了更多的空間。

總之，生物醫(yī)用人工胸壁研究涵蓋了紡織、生物材料和醫(yī)學臨床等多學科領域，需要各個學科的工作者協同合作，從而開發(fā)出符合臨床移植要求的市場化的人工胸壁產品。