整形外科解读：99-7 植入材料

介绍

虽然自体组织通常是首选，但植入材料在整形手术中具有广泛的应用，包括重建或增加软组织缺陷，骨畸形或骨折固定。选择种植体材料取决于其应用的具体要求。例如，组织向内生长成聚丙烯网或骨替代物的刚性掺入通常是可取的，而硅树脂猎人杆的包封（或缺少组织向内生长）允许随后的肌腱移植物滑行。

自体组织在许多临床情景中可能更合适，包括放射治疗史，周围组织的边缘血液供应或植入物上微弱的软组织覆盖。在这些情况下，植入相关并发症（包括感染和植入物挤压）的风险是重要的，如果可能，应避免使用异种植入物。

然而，植入材料可以在选定的情况下用作自体组织的替代物，并且在特定情况下优于自体组织。可以产生植入材料以不再吸收，并且优选用作当用作植绒移植物时将吸收的自体移植物。例如，植入物已经成功地用作轨道底板重建，颅骨成形术和颌面重建中的骨移植替代物。它们具有避免移植物收获的手术时间和供体位点发病率不足的优点。

历史

人造材料的首次记录使用量可以追溯到30,000 B.C.这些材料用作缝线。第一次记录的植入物被认为可追溯到3,000B.C.秘鲁之前的印加人使用金，银或坚果壳等材料来修复重击缺陷。不过最近的调查使这些报告受到质疑。无论如何，在未来的五千年中，植入物的使用受到感染和异物反应的限制。医学植入物的现代时代经常归功于英国眼科医生哈罗德·里德利（Harold Ridley），他指出，无意中植入飞行员眼睛的喷火冠层塑料没有不良反应。根据这一发现，他于1949年开发并将第一个人工晶体植入人体。由于外科医生，工程师和科学家继续创造出新的植入材料，很明显，理想的植入物具有某些特性。 Cumberland和Scales描述了理想植入物的性质，如表7.1所示。值得注意的是，虽然这些标准近60年前出版，但它们仍然是现代生物材料制造商试图实现的基础性质。

为了本章的目的，植入材料将分为以下一般类别：金属，聚合物，陶瓷，胶水，皮肤替代物和生物假体网格（表7.2）。

金属

为了达到医学应用所需的机械和生物物理性能，已经开发了金属（合金）的组合。这些合金的设计是惰性的，并能承受人体内的腐蚀性环境。由于金属在变形或疲劳后不能自身修复，它们必须具有超过其支撑或替换的天然组织的性质的机械性能（即，金属必须比天然组织更坚固和更硬）。

不锈钢

自20世纪20年代以来，不锈钢已被用作生物植入物。医疗级不锈钢，铁铬镍合金具有较高的拉伸强度，但容易变形（弯曲）。虽然这在一些应用中是有用的，例如用于上颌骨修复的拱杆的应用，但是总体上这些机械性能比其它目前可用的材料如钴铬和钛不太理想。此外，不锈钢将金属离子浸入周围组织，引起炎症反应和疼痛。不锈钢目前用于手术线和拱杆。在过去，骨固定系统使用不锈钢，但其他合金在本应用中已经取代了不锈钢。

钴铬

历史上，钴铬合金是人类最重要的生物材料之一。金属铬，钴铬钼（Co-Cr-Mo）合金首先在1932年被描述，以解决不锈钢所经历的一些问题。 Co-Cr-Mo合金用于早期颅面微型板和螺钉，彻底改变了现场。 Co-Cr-Mo合金的主要缺点是计算机断层摄影（CT）成像中的散射伪影。由于这一点和其他优点，钛在大多数生物医学应用中已经基本上替代了Co-Cr-Mo合金。

钛

商业级医疗钛植入物在20世纪80年代初期被引入，并且在医疗应用中几乎完全替代了其他合金，因为它们更坚固，更轻，具有较高的耐腐蚀性，并且引起较少的炎症。钛还具有较小的刚度，这导致较少的应力屏蔽（局部的骨质减少二次对植入物保护骨骼免于正常负载）。最近有些公司也引进了钛合金种植体。合金比纯钛更坚固，允许更薄的板，而不损害其整体强度。纯钛或钛合金（具有小于0.5％的铁）具有两个额外的有益特性：它们不会掉下金属探测器，并且不会在CT或磁共振成像研究中产生显著的伪像。最后，钛可以与周围的矿化骨形成化学键，而不会在植入物和骨之间形成纤维组织。这种独特的特征允许钛用于创建骨整合植入物。这些合金的整形手术应用包括用于固定骨和钛网的板和螺钉，用于诸如轨道壁重建的应用（参见图7.1）。

表 7 . 1
理想种植体的性质


表 7 . 2
植入材料



图 7.1.  钛板用于中间面重建。 L形和曲线2.0mm的板，长度为7,5和3mm的螺丝（从左到右）。

金

虽然金是化学惰性的，但其纯粹的形式具有差的机械性能。当需要强度（例如，在牙齿填充物中）时，使用金合金。对于拉伤眼患者的眼睑重量等应用，其强度不成问题，使用24克拉金合金（99.9％w / w纯度）来确保化学惰性。

铂

白金是一种惰性金属，是需要眼睑植入物对金眼敏感的患者的首选材料。白金具有比金更高的密度，因此眼睑植入物具有较低的外形，并且比金植入物不太明显。然而，含铂的一些制剂已被证明是免疫原性的，并引起了对长期接触的担忧。铂也用作形成一些聚合物的催化剂，包括生产用于凝胶乳房植入物的医用级硅胶。

聚合物

聚合物是由重复单体子单元组成的分子。聚合物的物理特性由单体的结构，聚合物链中单体单元的数量和交联度来定义。聚合物链交联时，它们独立移动的能力降低。因此，具有很少交联性的聚合物可能作为液体存在，而具有丰富交联的相同聚合物变成“凝胶”或“固体”。

有机硅

硅胶可能是今天继续使用乳房植入物的最恶心和误解的植入物质。硅胶凝胶填充的乳房植入物于1962年首次在美国引入。多年来，对壳和凝胶进行了多种变化和修饰，旨在改善乳房增大的结果并减少相关并发症。 1992年，美国食品和药物管理局（FDA）表示，“不足以显示乳房植入物的信息是安全有效的”，并暂停使用硅胶凝胶乳房植入物进行美容，但允许在乳房切除术后继续使用重建纠正先天性畸形，或由于医疗或手术原因替换破裂的硅胶填充植入物。卫生和人类服务部（HHS）随后任命了美国国家科学院医学研究所（IOM），开展了最广泛的医学史研究。 1999年，国际移民组织发布了一份关于盐水填充和硅胶凝胶灌注乳房植入物的综合报告，发现“证据表明疾病或病症如结缔组织疾病，癌症，神经系统疾病或其他系统性投诉或病症是在没有植入物的妇女中，乳房植入物的女性不常见。“

2006年，FDA的禁令被取消。作为批准过程的一部分，FDA要求两家批准的制造商对40,000名妇女的装置进行10年的研究。几个著名的科学机构（例如，IOM和英国卫生部）的广泛调查未能证明全身性疾病与硅酮有关。关于最近描述的乳房植入物接受者中的间变型大细胞淋巴瘤的讨论，请参见第53章。

随着所有这些研究成为“硅胶”，人们可能会问“硅胶究竟是什么？”硅氧烷是由交替硅（Si）和氧（O）分子组成的聚合物族。聚二甲基硅氧烷（PDMS）是大多数医疗应用中使用的聚合物，由具有两个甲基侧链的硅氧烷主链组成。它是可用于医疗器械的最惰性的生物物质之一。改变PDMS的长度和分子量可以改变硅胶的机械性能和性能。低分子量PDMS（30单体）具有类似于婴儿油的粘度，而高分子量制剂（3,000单体）是固体。改变机械性质的其它方法包括控制交联度，改变添加剂和改变固化过程。例如，用于乳房植入物的硅凝胶在硅氢化硅烷化反应中固化，其中一些甲基侧链（CH 3）被乙烯基侧链（CH“CH 2）代替，然后使硅氧烷链与每个其他。乳房植入物的硅氧烷壳体由完全聚合的硅氧烷和非晶（非结晶）二氧化硅填料组成，用于强度。

医用级硅酮无处不在，在制造过程中发现超过1000种医疗产品作为组分或残留物。例如，每一个一次性针头，注射器和静脉内管都用硅树脂润滑。塞子小瓶中的药物在制造过程中含有残留的硅酮。硅胶弹性体以其固体形式用于起搏器涂层，管道，假肢关节，脑积水分流器和阴茎植入物。像乳房植入物一样，一些特殊和下巴植入物由硅胶囊中的硅胶制成。

有机硅也被发现在一些药物中。名称为“甲基硅氧烷”（例如，二甲硅油）的成分是已被修饰以供人消费的有机硅。有机硅也用于家居用品，如口红，晒黑/洗手液，发胶，加工食品和口香糖。医疗级硅氧烷引起非特异性异物反应，导致巨噬细胞侵袭，巨细胞形成和最终的瘢痕形成。

有机硅也被发现在一些药物中。名称为“甲基硅氧烷”（例如，二甲硅油）的成分是已被修饰以供人消费的有机硅。有机硅也用于家居用品，如口红，晒黑/洗手液，发胶，加工食品和口香糖。医疗级硅氧烷引起非特异性异物反应，导致巨噬细胞侵袭，巨细胞形成和最终的瘢痕形成。

硅胶的其他整形手术应用包括面部植入物用于疟疾，鼻和下巴的重建或扩大和眶底重建。手术外科医生使用硅胶植入物进行关节成形术，屈肌腱置换术和骨块间隔垫。硅胶在这些应用中是有益的，因为它是相对惰性的，有韧性的和可变形的。过去使用低分子量硅酮作为注射软组织填充剂，但未经FDA批准用于医疗用途。应避免使用本应用程序，因为它可能导致组织反应或迁移。

聚四氟乙烯

聚四氟乙烯（PTFE）也被称为特氟龙，由Roy Plunkett在1938年发明，而他正在努力开发制冷剂。它由碳骨架与氟侧链组成。膨胀PTFE（ePTFE或Gore-Tex）由Bob Gore于​​1969年创建。它是非常化学表面的，不能交联（这使得它变得柔性），并且具有非附着性表面。它已被广泛应用于远足靴，煎锅上的涂料。在媒介领域中，它用于血管移植，作为腹壁重建的网格，以及用于面部增生的植入物。

聚酯纤维

聚酯在其主链中含有酯官能团。 Mersilene是用于疝气的针织聚酯网。聚酯网比聚丙烯更软和更亲水，而在动物研究中显示出更好的组织向内生长。涤纶是另一种已经用于血管移植的聚酯的形式。

聚丙烯

聚丙烯具有碳主链和氢和甲基的侧链。 它已经用于疝气和盆腔器官脱垂修复，但聚丙烯网可以随着时间的推移侵蚀软组织。 因此，FDA已经发布了关于在盆腔器官脱垂中使用聚丙烯筛网的警告。 它也被用作缝合材料，因为它的强度和身体内的异物反应低。

聚乙烯

聚乙烯由具有氢侧链（乙烯）的碳骨架组成。 高密度多孔形式的聚乙烯（Medpor）用于面部植入物（见图7.2）。


图 7.2.  高密度多孔聚乙烯（Medpor）用于面部增大的植入物。

孔隙度允许组织和血管向内生长。还可以雕刻为个别患者定制植入物。植入物比ePTFE植入物更难放置，因为它们更坚固，更硬。此外，软组织向内生长使得植入物更难以去除。多孔聚乙烯单独或与钛网组合可用于重建轨道地板。聚乙烯单独用于轨道底板重建的一个缺点是植入物在CT扫描上不可视化，使得难以评估植入位置。

聚甲基丙烯酸甲酯

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是通常用作骨替代物的高分子量聚合物。最终产品是通过将甲基丙烯酸甲酯单体加入到甲基丙烯酸甲酯聚合物中形成的，然后形成可成型的油灰。单体聚合，与聚合物颗粒结合，并在约10分钟内硬化。聚合过程是产生高温的放热反应。在养护过程中，使用盐水灌洗来冷却周围组织，以避免局部组织损伤，例如骨坏死或软组织损伤。整形手术中的应用包括颅骨重建。 PMMA可以单独使用或与电线或网格加强结合使用。胼cal体固有的不稳定性和相对低的应力有助于PMMA颅骨成形术的低发病率。

可生物降解聚合物

开发可生物降解聚合物以克服与永久植入物相关的一些缺点。大多数生物降解通过化学反应（如水解或氧化）和生物过程（例如酶促或细胞）的组合发生。生物降解聚合物和其所有分解产物都必须是生物相容的。尽管有许多材料会在体内降解，但只有少数在生物可降解的聚合物中具有临床意义。称为聚（乳酸 - 共 - 乙醇酸）（PLGA）的这些单独聚合物的α-羟基酸，特别是聚（乳酸），聚（乙醇酸）（PGA）和组合或共聚物是最常见的生物可降解聚合物用于临床应用。这些聚合物通过水解降解，终止于乳酸或乙醇酸。外科医生熟悉这种聚合物，因为它用于制备可吸收（Polyglactin 910; Ethicon，Somerville，NJ）缝线。这些聚合物已被用于创建用于颅面或手部应用的腹壁重建和电镀系统的生物可降解网，以及用于组织工程和再生医学应用的可再吸收支架的制造。

可通过改变乳酸与乙醇酸的比例，加入碳纤维或其它聚合物来改变降解速率。通常，增加乳酸的浓度降低了降解速率。制造商改变乳酸和乙醇酸的比例以及具体的制造方案，以优化聚合物的降解速率和强度。例如，LactoSorb（Biomet，Warsaw，IN）由82％聚L-乳酸和18％PGA组成，而Resorb-X（KLS Martin，Jacksonville，FL，用于SonicWeld系统）为100％聚-D ，l-乳酸。内皮产品（Coapt Systems，Inc.，Palo Alto，CA）具有与LactoSorb相同的制剂。在植入时，其强度等于钛镀层的强度，然后随时间而减小。通常，它们的结构完整性在头8周内被保留以允许发生骨骼愈合。

陶瓷

陶瓷的医疗应用于20世纪60年代开发。陶瓷具有晶体结构，由无机非金属分子组成。它们对生物医学使用具有一些吸引人的物理特性，包括减少异物反应，抵抗细菌定居，高抗压强度，以及组织向多孔材料向内生长（骨密度为100微米，软组织为30微米孔径） 。然而，它们的优点被其弱点所掩盖，即它们在拉伸，扭转或弯曲载荷下是脆性的并且容易断裂。他们在整形手术中的主要用途是用于骨骼增大和更换。磷酸钙是塑料制品中最常用的陶瓷。此外，在实验室中已经显示出磷酸钙既是骨诱导和骨诱导的，但是这在临床环境中尚未得到证实。

磷酸钙有两种用于医疗用途的配方：羟基磷灰石（Ca10（PO4）6（OH）2）和磷酸三钙（Ca3（PO4）2））。与羟基磷灰石相比，磷酸三钙具有更快的吸收和骨替代速率。它们可以作为注射用颗粒剂和块状物质（固体和多孔质）获得，羟基磷灰石也可以作为水泥糊剂使用。这些种植体通常用于重建面部和颅骨的非承重骨骼。水泥浆在某些情况下是有益的，例如颅骨成形术，因为它是可延展的并且可以在该情况下模制。有关皮肤和软组织填充物的讨论，请参见第42章。

粘合剂和胶

纤维蛋白组织粘合剂

第一种纤维蛋白组织粘合剂在1944年描述，并用于帮助皮肤移植物粘附到受体组织床。纤维蛋白粘合剂由两部分组成：纤维蛋白原和来自筛选供体的凝血酶。包含少量因子XIII和钙以催化反应并形成聚合的纤维蛋白。纤维蛋白胶的强度与混合物中纤维蛋白原的浓度直接相关，聚合速率由凝血酶浓度调节。用于纤维蛋白封闭剂的整形外科应用包括拔毛，整形，腹部成形术，背阔肌供体部位，DIEP / TRAM瓣供体部位和慢性血清肿。

氰基丙烯酸酯

氰化丙烯酸酯在1942年由哈里·科克博士偶然发现，并被销售为“超级胶”。在越南战争期间，外科医生发现在开放性伤口上喷射氰基丙烯酸酯会阻止出血并允许受伤的士兵被运送，从而节省了许多生命用于治疗。

当氰基氰酸酯暴露于水分（空气中有足够的水分以使聚合发生）时，放热聚合开始。整形手术中的应用包括皮肤闭合。施用产品的皮肤的表层不具有将其保持在一起的缝线，因此重要的是近似深层并且提供两侧的无张力的邻接。比较传统缝合与辛基-2-氰基丙烯酸酯的研究结果相当

皮肤替代品

在过去二十年中，生物工程皮肤替代品已成为伤口管理的主流疗法。最初设计用于替代严重烧伤患者的皮肤移植物，它们现在也用于治疗慢性静脉和慢性糖尿病性溃疡。这些产品的应用可能会随着它们的进步而扩大。理想的皮肤替代品：

1. 紧紧抓住伤口床
2. 概述正常皮肤的生理和机械性质
3. 价格便宜
4. 避免宿主的免疫排斥
5. 高效地促进组织再生和伤口修复

已经对各种细胞，介体和聚合物进行了各种组合的测试，以培养培养的皮肤替代品。我们在第3章中回顾了最常见的细胞。

INTEGRA

Integra（Integra LifeSciences Corporation，Plainsboro，NJ）是由“真皮”（下）层（具有糖胺聚糖 - 软骨素-6-硫酸的牛胶原基质）和硅胶片（上层）组成的双层皮肤替代物。伤口愈合，真皮层被患者自己的细胞所取代。作为临时外皮的硅胶片被去除，并将薄的分层厚度的皮肤移植物应用于新真皮。 Integra用于复杂伤口，如局部或全层烧伤和多种类型的溃疡。评估Integra功效的研究表明，与自体移植物，同种异体移植物或异种移植物相比，它具有较高的感染率，但似乎具有更快的伤口愈合时间。 Integra也可用于皮肤移植物不粘附的伤口。新真皮将附着在下面的床上，血管超过2周，然后允许粘附分层厚皮肤移植物。

Epicel（培养的表皮自体移植物）

Epicel（Genzyme，Cambridge，MA）是从患者自己的角质形成细胞生长的培养的表皮自体移植物，其衍生自小皮肤活检。角质形成细胞与成纤维细胞共培养生长。一旦角质细胞浓度为2至8个细胞层，大约50厘米的自体移植物就用不锈钢外科手术夹固定在凡士林纱布背层上并施用于患者。

Epicel用于深层皮肤或全层烧伤的患者，其总体表面积≥30％。根据其烧伤的严重程度和程度，可以使用或不使用分层皮肤移植物。

DERMAGRAFT

Dermagraft（Advanced Biohealing，Westport，CT）是用新生儿成纤维细胞接种的聚乳糖蛋白网。网状物被吸收并被患者自己的组织代替。它用作临时和永久性敷料，以增加在切除的烧伤创面上以及静脉和压力性溃疡中成功服用网状分层皮肤移植物。相对于感染，愈合时间，关闭时间和移植物，Dermagraft等同于同种异体移植。

Apligraf

Apligraf（Organogenesis，Canton，MA）是双层皮肤当量。较低的“真皮”层由新生儿包皮获得的I型牛胶原和成纤维细胞组成，而上“表皮”层来自角质细胞。在室温下保质期为5天。它用于静脉溃疡和糖尿病足溃疡，以及在切除的烧伤创面上的网状自体移植物的速度覆盖。

生物纤维网

目前可用的生物纤维网格材料来自脱细胞的哺乳动物组织，无论是人类（allo-genic）还是动物（异种的）。处理生物纤维网材料以除去细胞和其他潜在的免疫组分，同时保留天然细胞外基质结构。理想的网格具有表7.3.12所示的特征。有几种生物纤维网状材料可用。这些材料通常用于复杂的躯干重建和乳房重建。

表 7 . 3
理想生物纤维网的特征


小肠粘膜下层

小肠粘膜下层（SIS或Surgisis; Cook Biotech，West Lafayette，IN）是从小肠产生的。小肠粘膜下层为肠提供机械强度，并含有生物化学丰富且多样化的细胞外基质。首先在1989年被描述为血管移植物，SIS已经应用于人类的超过20种应用，包括多种类型的疝修补，硬膜修复，膀胱重建和压力性尿失禁治疗。

人类无细胞真皮基质

有几种分类为人类真菌基质（HADM）的产品包括AlloDerm（LifeCell Corp，Branchburg，NJ），Allomax（Bard Davol，Murray Hill，NJ）和FlexHD（Ethicon360，Somerville，NJ）。每个制造商使用专有技术从捐赠的同种异体移植人真皮中产生HADM。一般来说，去除表皮和皮下组织后，用真空干燥或化学洗涤剂处理真皮，除去真皮基质的胶原结构外的所有物质。 HADM的应用包括基于植入物的乳房，腹壁，胸壁，骨盆重建和唇部增大。微粉化HADM（Cymetra; LifeCell，Branchburg，NJ）也可用，已被用于喉部成形术和软组织填充物。

猪无细胞真皮基质

猪无细胞真皮基质（PADM）已被开发用于类似于HADM的应用。为了抑制免疫原性并减少胶原酶依赖性基质降解，第一代PADM（CollaMend; Bard Davol，Cranston，RI和Permacol; Covidien，Norwalk，CT）在制造过程中经历胶原纤维的化学交联，改变细胞外基质结构并抑制细胞浸润，血运重建和基质重塑潜能。

新一代的PADM（Strattice; LifeCell Corp，Branchburg，NJ）在没有化学交联的情况下进行处理。酶促除去作为与脱细胞异种移植物相关的免疫应答的主要原因的[半乳糖-α（1,3） - 半乳糖]抗原。

不完全清楚哪些产品有哪些更好的结果。在最近的体内动物研究中，将交联的PADM与用于腹壁重建的非交联PADM进行比较，非交联PADM似乎具有早期临床优势。然而，迄今尚未进行比较人类研究。

其他生物纤维网产品

牛心包膜（Veritas; Synovis，St.Paul，MN）是非交联胶原蛋白基质。免疫原性的脱细胞化和降低是通过使用专有的化学过程对游离胺基进行封端来实现的。

牛胎儿真皮（SurgiMend; TEI，Boston，MA）是来自胎儿-犊牛的无细胞基质。它不是交联的，可以促进细胞穿透，血运重建和与宿主组织的整合。

未来材料

生物材料和植入物对中介和手术产生巨大影响。一些植入物被设计为与身体几乎没有相互作用。其他设计为以被动方式与身体相互作用（例如，可生物降解的PLGA聚合物）。最近的生物材料正被设计用于调节其环境以产生组织特异性反应。此外，目前在体内模型中开发了含有细胞，多聚体，生长因子等的混合生物材料。这些生物材料最终将“感知”周围环境，并根据环境的需要改变其生化/机械性质。最终目标是创建具有独特特征的生物材料，其特征在于重建的确切生物，化学和功能需求。生物材料领域的持续发展取决于工程师，科学家，临床医师和工业界之间的跨学科合作。