颌骨重建技术

颌骨重建技术的最终目标是获得具有生理功能（如容纳种植体、便于佩戴义齿等）的颌骨。本章将总结骨组织工程的研究方法，并在生物可吸收材料和颗粒松质骨和骨髓（Particulate cancellous bone and marrow，PCBM）的研究基础上引入颌骨重建的概念。研究表明将聚乳酸网状支架和颗粒松质骨及骨髓复合可以成功重建下颌骨。
为了提高骨生成的效率，在明确骨生成过程中成骨细胞的重要功能的同时，我们必须清楚其中的分子机理。在此基础上，才能选择最适宜的支架材料和生长因子的最佳使用方法。

介绍:

因为肿瘤切除、外伤等原因引起的下颌骨的缺损不仅给患者带来颜面畸形，同时还会导致咀嚼、吞咽和语音等功能的丧失。传统的修复通常采用骨移植或者植入人工材料的方法。过去的观念认为采用血管化的骨移植或者游离骨移植是比较可靠的修复方式。然而，从另一个角度来看，这种方法有很多弊端，比如供骨区的缺损和取材量有限。上世纪末的牵张成骨术（Distraction Osteogenesis，DO）为颌骨重建提供了新的思路。但是，DO治疗持续时间长，而且很难准确恢复颌骨的形态。随着分子生物学和材料学的发展，以获得各种不同的组织和器官为目标的组织工程技术逐渐发展起来。众多迹象表明，颌骨是组织工程构建器官的最佳目标之一。本章将重点介绍骨组织工程的研究进展，并阐述生物可降解聚合物支架和颗粒松质骨及骨髓（PCBM）复合后重建颌骨的步骤。

骨组织工程的研究进展

骨组织工程的目标是模拟骨折过程中骨修复的自然过程。换言之，即在预期的部位通过对成骨前体细胞、支架和生物活性物质等的调控，促进骨组织愈合。骨组织工程中现在主要采取以下三种治疗方法：
第一种是基于支架的治疗方法。这种方法使用预先成形的植入物修复骨缺失，通过内源性成骨前体细胞达到成骨的目的。钛合金纤维和含磷酸三钙和羟基磷灰石的陶瓷是最常用的材料。这些材料都具有多孔的特性以助于骨的生成。而隔离膜不仅有助于恢复因牙周炎丧失的牙槽骨，还可以阻止牙龈上皮和结缔组织长入骨缺损的部位。这种功能被用于为成骨细胞和残余的牙周韧带维持空间，帮助牙槽骨和牙骨质再生，这一方法被称为引导组织再生术（Guided Tissue Regeneration，GTR）。隔离膜主要使用的材料是聚四氟乙烯和生物可吸收聚乳酸（PLLA）和聚羟基乙酸（PGA）。然而这些材料缺乏生物活性，比如骨诱导作用等，而且无法应用于骨缺损量较大或血供较差的部位，所以应用十分有限

第二种是基于因子的治疗方法。通过直接在骨缺损部位使用成骨诱导因子，避免了第一种方法的局限性。研究表明以骨形成蛋白2，3，7（bone morphogenetic protein BMP-2，3，7）和成骨蛋白1（osteogenic protein，OP-1）等为代表的生长因子都具有骨诱导作用。为了临床的应用，必须建立一套载体系统或者传递系统，通过该系统生长因子可以在需要骨修复的部位得到有效的释放。当BMP和载体系统（比如脱钙骨、多孔的羟基磷灰石、生物可降解的多聚四氟乙烯、聚乳酸或胶原海绵等）被植入到啮齿类动物、狗、羊或者猴子的骨极量缺损部位，其治疗效率因年龄和种属差异而不尽相同。试验表明在灵长类动物中要达到满意的治疗效果需要使用大剂量的BMP。然而大剂量的BMP直接应用于人体会带来很大的风险，因此为了避免负面结果还需要长期的观察和检测。

第三种是基于细胞的治疗方法。这种方法将成骨前体细胞直接移植到骨缺损部位。由于骨髓中含有大量的成骨前体细胞，因此骨髓的植入被认为可以导致大量的骨形成，这一点在很多临床前试验和临床研究中都得到了证实。由于基于细胞的治疗方法并不依靠骨缺损部位原有的成骨前体细胞来修复骨缺损，所以可以用于骨缺损周围组织破坏严重的情况，比如严重的术后瘢痕、放疗、年龄因素以及患有糖尿病等全身疾病的患者。现在临床上使用的方法是从自体的髂骨获得骨髓，复合适当的生物材料后，即刻植入缺损部位。这种骨髓移植或者说带蒂移植相对来说是比较容易和廉价的。然而，随着年龄的增加和疾病的原因，健康的骨髓逐渐减少，成骨前体细胞也相应减少，因此很难获得含有足量成骨前体细胞的骨髓。20世纪90年代以来，很多研究者都报道了从人和动物骨髓中分离间充质干细胞进行体外扩增的方法。通过这种方法，只需要从患者体内取出少量的骨髓，经体外扩增后复合于适当的载体或者支架上即可用于骨组织的修复。因为所需的细胞量很少，所以这种方法高效而且微创。然而，在临床应用之前，还需要寻找适当的生物可降解支架材料。理想的支架不仅对活体组织无害而且还有足够的机械强度、适当的吸收速率和最小的排斥反应。

使用聚乳酸网和自体颗粒松质骨及骨髓重建颌骨

颗粒松质骨和骨髓（PCBM）进行骨移植具有很多的优点：富含成骨前体细胞和骨基质，很强的骨形成能力，而且供区也可以自发性再生。

然而，PCBM本身强度不够，无法保持一定的形状，因此需要一个支架来保持预定的形态、引导和支持新骨的形成，直到新骨具有足够的强度可以承担外力作用。而且该支架还应当可以在骨修复完成之后降解消失。聚左旋乳酸（PLLA）被证实是具有最适强度和降解性的大分子材料。在过去的十年中，PLLA被广泛应用于整形手术和口腔手术中。PLLA在体内通过非酶化水解的方式降解为乳酸，乳酸则加入三羧酸循环，分解为二氧化碳和水，通过肺和肾排出体外。因此，PLLA是PCBM移植的理想支架材料。然而对于临床应用很重要的一点是了解在该材料吸收过程中的组织反应和有无引发肿瘤的可能。作者使用PLLA制作了支架，并在此基础上进行了颌骨重建。

临床前研究结果

活体组织对PLLA的反应

将分子量为205，000道尔顿的PLLA加热至245℃，降温至80℃时牵拉抽丝制成直径0.3～0.6mm的微丝（Gunze, Kyoto, Japan），将微丝织成PLLA网（表107.1）。PLLA网可以用剪刀切割，并可以在加热到70℃时任意塑形。PLLA网被种植于成年狗和鼠的背部皮下以及鼠的颅骨骨膜下。植入一月后，组织学检查证实，PLLA网中所有的微丝都被薄层的纤维结缔组织包裹，而微丝之间则充满了毛细血管、成纤维细胞和脂肪组织。植入后三月，可以观察到巨噬细胞出现在微丝周围，微丝开始慢慢降解。植入后30个月，在显微镜下可以观察到PLLA网中的微丝继续降解和吸收，周围组织中可以观察到大量已水解的PLLA颗粒被巨噬细胞所包围（图107.1）。颗粒的周围很少观察到炎性细胞，而且周围的骨组织也没有出现吸收现象。电境下观察到巨噬细胞内充满了含有PLLA颗粒的液泡，这些细胞的线粒体和粗面内质网的结构正常（图107.2）。在10只老鼠体内植入了50个样本，观察时间在18～30个月之间，均为发现有肿瘤的形成。研究结果证实PLLA网是一种通过水解和被巨噬细胞吞噬而缓慢降解吸收的生物性材料，对机体组织没有明显损害。而且PLLA微丝在活体组织三个月内仍可保持足够的强度，虽然三个月后强度开始逐渐降低，但这已经为PCBM成骨提供了足够的时间。因此可以说PLLA网是PCBM移植的理想的支架材料。

PLLA在活体组织内完全降解一般需要2～3年，甚至长达5年。另一方面，Bergsma等人研究发现，使用PLLA板和螺钉进行颧骨骨折坚固内固定术后3.5~5.7年时，可能出现局部的肿胀，原因可能是PLLA降解后的产物引起的局部非特异性排斥反应。而植入物的形态、大小、分子量、结晶态、降解速率、植入处的血液循环等因素都会影响组织对支架材料的反应。总的来说，高分子量和高结晶态的PLLA吸收时间长，局部炎症反应轻。现在的观点是选择相对高分子量、高结晶态和低吸收速率的PLLA材料，而通过增大PLLA和组织的接触面积来提高吸收和降解的速率，这样就可以减轻组织的急性反应。而Bergsma等报道的组织对PLLA的迟发性炎症反应可能是因为皮下植入的高分子量PLLA过量，大大超过周围组织的清除能力所致。

基于PLLA网和PCBM的骨组织工程

将PLLA网制成的圆柱体中填满PCBM，然后植入成年犬的背部皮下。植入后一周发现在圆柱体内有异位的骨生成；而在植入后一月骨生成达到高峰，几乎形成了和圆柱体形状一样的成熟的骨组织（图107.3）。丰富的毛细血管网穿过PLLA网渗透到新生的骨小梁之间，这对于骨组织的改建是十分重要的。结果显示PLLA网不仅仅为骨生成提供一个支架，而且为营养供应和代谢提供了通路。进一步的研究表明，使用上述方法可以修复犬下颌骨的极量缺损。术后三月犬下颌骨的连续性得到重建。术后6月发现再生的骨组织和机体原有骨组织已很难分辨。这些研究证实PLLA和PCBM复合可以用于下颌骨的重建。

临床研究

在1995～1998年间共有36位患者接收了PLLA网和PCBM复合物修复下颌骨的手术。其中男性25例，女性11例，年龄范围15～73岁（平均年龄50.7岁）；恶性肿瘤患者17例，良性肿瘤18例，下颌骨囊肿1例；手术采取边缘性切除（marginal resection）18例，截断性切除（segmental resection）19例；即刻修复21例，二期修复（术后一年以上）15例。

采用下颌骨网状托盘28例，网状板6例，移植的PCBM量因人而异（10～40g）。通过术后即刻和术后六月的X光片（主要是全景片）来评价下颌骨重建的治疗效果。评价标准是：在X光片上，术后6月的成骨量达到手术移植的三分之二即为优；非受力区成骨量少于三分之二为良；其余为差。结果显示18例患者（50%）为优，11例患者（31％）为良，7例为差（19％）（见表107.2）。而采取不同手术方式的结果是：采取边缘性切除方式的17例中有14例结果是优或良（82.4％），采取截断切除的16例中良以上有12例（75.0％）。因此采取边缘性切除术比采取截断切除术治疗效果更好。术后即刻修复的21例患者中有17例（81％）获得了良以上结果，而二期修复的15例中有12例（80％）。在结果为差的患者中，有5例出现感染（其中有三例在颌骨重建的同期采用了显微外科技术进行了软组织修复），另两例因为固定不牢或反复手术导致局部血液循环较差所致。在PLLA网状托盘或者网状板植入术后1～5年，均未发生严重的不良反应。

事实证明PLLA和PCBM复合物重建下颌骨的方法可以用于恶性肿瘤二期修复和全下颌骨良性疾病的治疗（见图107.6，107.7）。而预防术后感染、保证足够的血供和坚强的固定是获得满意结果的重要因素。
这种重建的方法导致的应激较小、手术相对简单；而且对于骨的外形的恢复非常理想，尤其是在颏部的重建上，具有传统髂骨移植难以比拟的优势；还可以提供上下颌骨之间准确的对应关系，为将来的种植体或者义齿佩戴提供良好的基础。而带有牙种植体的PLLA网状系统可以在骨再生的同时完成骨和种植体的整合。

展望

将来使用高效生物活性因子可以加速血管化而促进骨生成，只需使用少量的骨髓就可以获得满意的骨量。这种办法可以解决那些局部血液循环较差和成骨前体细胞较少的病例。基本成纤维细胞生长因子（basic Fibroblast Growth Factor, bFGF）在促进血管生成的同时，还可以通过促进间充质前体细胞的增值来加强骨生成。Tabata等报道bFGF与水凝胶复合后会随着凝胶的降解而逐渐释放出来，而释放持续的时间取决于凝胶中的水分含量。Yamada等使用水凝胶复合bFGF修复兔颅骨缺损，证实了bFGF具有促进骨再生的能力。因此bFGF、水凝胶、PCBM三者复合，可以进一步促进骨再生，这将是颌骨组织工程的发展方向。

人工骨复合骨髓细胞进行三维培养的研究最近也取得了很大进展，这将推动颌骨重建技术的发展，而且将进一步推动骨组织工程技术的进步。将来通过对供体细胞的基因改造，可以在预期的部位为骨生成提供所需的生长因子，将使骨组织工程的前景更加光明。