大段骨缺损修复治疗研究进展

王海波，杨新明，赵御森

（1.河北北方学院研究生部，河北 张家口075000；2.河北北方学院附属第一医院骨科，河北 张家口075000）

由于外伤、感染、肿瘤切除或先天性疾病等原因造成的骨质缺失，形成较大的间隙，称为骨缺损，是临床常见的病症，其中尤以大段骨缺损的修复治疗较为困难。目前修复大段骨缺损的方法很多如自体骨移植、异体骨移植、人工骨移植、组织工程骨、引导性骨再生、转基因工程[1]等。现就目前常用的修复方法及研究现状综述如下。

1 大段骨缺损的概念

Schmitz等[2]提出临界骨缺损的概念，长骨骨缺损的长度有一个临界值，临界骨缺损的长度是依据长骨直径的大小来决定的，当缺损长度达到长骨直径的1.5倍时即可认为是临界骨缺损即大段骨缺损。小于该值的骨缺损机体可以自行愈合，大于该值的骨缺损无法自行愈合，据此不少学者将此定义应用于动物模型[3]。

2 主要修复技术

2.1 自体骨移植

自体骨移植是临床常用修复骨缺损的方法，而且相对其它方法成功率也较高。与其他骨移植方法相比，自体骨与拟修复缺损部位的骨性支架相同，而且组织相容性好、无免疫排斥反应，自体骨还保留了自身的成骨细胞、细胞因子等活性物质，骨诱导活性高，成骨能力强，成骨迅速，综合以上优点自体骨仍是目前临床最常用的治疗骨缺损的材料。游离自体骨移植由于没有血供，其愈合主要依靠受区血供重建后受区骨（端）向植骨有选择，有方向性的长入，即 “爬行替代”过程及移植骨自身诱导成骨的 “同步取代”过程来完成，愈合缓慢，对较小的骨缺损修复效果较好。但在修复大段骨缺损时，大段的骨移植物其中央部位因为血运差而成为死骨，只有表面可见膜内或软骨内成骨，完全吸收，再塑型困难，肢体的功能难以快速恢复。在临床上应用较多的带血供的自体骨移植是带蒂腓骨移位修复胫骨中上段及股骨下段广泛瘤样病变或良性骨肿瘤行长段截骨术后的骨缺损，该方法效果良好，肢体功能恢复满意[4]。随着显微外科技术的不断发展完善，使吻合血管的骨移植被广泛应用，移植骨有血供丰富，愈合能力强，功能恢复快等特点，王新卫等[5]应用显微外科技术吻合血管游离腓骨移植修复67例胫骨慢性骨髓炎合并长段骨缺损8～22cm取得了良好的效果。但自体骨移植也存在一定的缺点，如增加了手术创伤和手术时间，取骨量有限，并且会在供区造成新的骨缺损，移植骨的形态、大小等方面不容易满足要求，而且取骨区有伤口感染、疼痛等并发症发生。

2.2 异体骨移植

异体骨移植不但供骨量大，而且不会造成机体的二次创伤。在修复大段骨缺损的方面，异体骨移植同样也存在着新骨替代缓慢，生物力学性状差的问题。异体骨移植还存在着免疫排异的问题，为了使异体移植骨的抗原性降低，人们使用了很多的理化方法，如冻干、煮沸、脱钙、辐照等，经过上述处理降低了异体骨的抗原性，但同时也降低了异体骨的强度及骨诱导性，移植术后骨折愈合可能相对较慢。

2.3 人工骨移植

理想的骨移植材料应该具有良好的骨传导性、骨诱导性及生物相容性，而且其结构要与骨组织近似易被机体吸收。基于以上条件，人们通过各种方法提取或仿制骨的有效成分用于骨缺损修复。目前应用的人工骨材料主要包括：生物陶瓷、骨水泥、组织化人工骨等。人工骨移植材料来源广泛，制备容易，还可以满足移植骨的形态、大小等方面的要求，有较好的生物相容性，使用方便。但它也有明显的缺点如：由于人工骨本身没有成骨细胞及细胞因子等激活物所以它不具备骨诱导性；人工骨吸收及降解较缓慢，有时会影响新骨的形成。

2.4 组织工程骨

1995年Crane GM[6]提出了骨组织工程的概念，骨组织工程是将种子细胞在体外培养增殖后种植于人工或天然合成的支架上，并与相关诱导因子复合，然后移植于体内，达到修复骨缺损的目的。组织工程骨由种子细胞、生物支架和生长因子三部分构建组成，利用组织工程学原理与方法再生的骨组织植入体内无免疫排斥，且来源充足，其优势已得到广泛认同[7]。制备出的人工骨可按需要形状大量制备，是理想的骨修复材料，所以组织工程骨被认为是目前治疗骨缺损的理想方法。

2.4.1 种子细胞 种子细胞是组织工程研究中的基本环节[8]，骨组织工程的种子细胞应满足以下要求：①具有向成骨细胞分化的潜能；②取材容易，对机体损伤小；③易于分离培养，在体外培养时增殖能力强，稳定性好，培养时衰减率低，经连续传代仍能保持成骨潜能，修复能力强，生物毒性低，组织相容性好，免疫活性低，致瘤性低；④植入机体后能够适应受区的生理、病理、应力等微环境并保持成骨活性。骨髓间充质干细胞、脂肪源性干细胞、胚胎干细胞、成纤维细胞、骨膜细胞等都具有较强的成骨效应，都可作为种子细胞的来源。其中骨髓间充质干细胞是中胚层发育的早期细胞，是存在于骨髓中非造血干细胞的一种干细胞，骨髓间充质干细胞具有多向分化潜能的细胞，在特定的诱导条件下可分化为多种间充质细胞，如肝细胞、成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞、肌肉细胞和神经细胞等。骨髓间充质干细胞是目前骨组织工程最主要的种子细胞来源[9]，具有较好的临床应用前景。

2.4.2 支架材料 骨组织工程研究的中心环节是寻求能够作为细胞移植与引导新骨生长的支架结构[8]，良好的支架材料应具有以下条件：①具有良好的组织相容性及降解性，降解速率与骨组织再生速率相同；②具有三维立体结构，能提供细胞生长和黏附的空间；③具有可塑性和一定的机械强度易于塑形，可加工成各种形状和结构，移植后能保持原形状；④具有负荷最大量细胞的高渗透性，良好的材料－细胞界面，可与其他活性分子BMP、TGF－β等复合，共同诱导骨的发生[10]。目前，在骨组织工程研究中应用的支架材料主要包括二类：一类是无机材料，包括以磷酸钙为主的陶瓷或骨水泥，以硫酸钙为主的生物玻璃。另一类是有机材料，包括天然的材料如珊瑚、胶原、脱钙骨基质，以及能降解的合成聚合物如聚乳酸、聚羟基乙酸。

2.4.3 生长因子 在成骨过程中多种细胞因子具有重要的调节作用，它们可以诱导成骨、促进胶原合成和细胞增殖、促进成骨和血管生长。现主要研究的细胞因子有血小板衍生生长因子、胰岛素样生长因子、碱性成纤维细胞生长因子、转化生长因子、血管内皮生长因子、骨形成蛋白（BMP）等，其中以BMP为代表，BMP能够促进未分化的间充质细胞和成骨细胞的前体细胞分化为成骨细胞，具有高效的骨诱导能力。

以上介绍的是经典意义上的组织工程骨，此外国外学者将红骨髓和生成因子复合即时植入用于促进骨折愈合已经获得满意效果。由于不需体外培养过程，只要在抽取红骨髓后与支架及生成因子复合并立即植入，被称为 “非细胞型组织工程化骨”。非细胞型组织工程化骨省略了分离和体外培养细胞的步骤和费用，防止了相关污染、细胞性状改变及伦理学问题等，是现阶段较为可行的将骨组织工程学成果应用于临床的简化方法[11，12]。目前骨组织工程的研究其中最关键的问题就是组织工程骨的血管化问题，如果不能使组织工程骨血管化，种子细胞就会过早凋亡，难以大段骨缺损。

2.5 引导性骨再生

Nyman[13]于1982年将屏障膜技术应用于牙周治疗，提出了引导性组织再生（guided tissue regeneration，GTR）的概念。Buser[14]等在GTR理论基础上提出了引导性骨再生（guided bone regeneration，GBR）的概念。骨折愈合是一个非常复杂的过程，要求各种细胞的活化、迁移、分化成熟，成骨的过程少受外界干扰，局部的营养供给、细胞向成骨方向分化和外骨痂形成是骨折愈合过程中的关键因素。引导性骨再生是引导性组织再生技术在骨科治疗学中的一个延伸，其机理是：在骨再生过程中成骨细胞与成纤维细胞存在竞争抑制现象，利用膜材料封闭骨缺损区或预计成骨的空间，形成机械屏障控制周围组织长入。此技术有很多优点：①为骨细胞的生长提供一个引导空间，保证骨细胞在骨缺损区的生长；②促进内源性生长因子在骨缺损区不断浓集，促进成骨细胞的生长；③膜本身应该具有一定孔隙，允许各种营养物质及组织液的自由交换及转运。膜可以作为一种通道，促进毛细血管、骨生成细胞等在其表面黏附和爬行。GBR技术的关键是引导膜的选择和膜下成骨空间的维持。GBR要求引导膜具有以下特性：①具有良好的生物相容性，不引起机体排斥反应；②有良好的机械屏障及空间保护作用；③无毒性及免疫原性，稳定性好，不与组织发生反应；④通透性良好，允许营养物质和组织液通过，可阻止结缔组织细胞和上皮细胞通过；⑤临床可操作性好，易于覆盖骨缺损区；⑥能够创造并维持空间至少4～6周。膜材料现主要分为3类：第一类，非降解性膜，缺点需二次手术取出，如肽膜、硅胶膜、聚四氟乙烯膜等；第二类是可降解性膜，降解周期一般在半年左右，保证骨再生的足够时间，主要有胶原膜、聚乳酸膜等，缺点缺乏血运，种子细胞易凋亡，骨再生时间长；第三类是取自自身组织膜如骨膜、带蒂筋膜瓣。米坤龙[15]等利用自体骨膜复合骨髓间充质干细胞移植修复兔关节软骨缺损，取得一些进展。但骨膜移植因单纯的骨膜无支撑作用，易受周围组织挤压塌陷，可供大片移植的骨膜也很有限，临床应用受到限制。杨新明[16]等将成年新西兰大白兔双侧桡骨造骨缺损模型，左侧仅植入骨诱导活性材料复合物为对照组，右侧使用带蒂筋膜瓣包裹为实验组，在骨缺损邻近部位利用显微外科技术制备一个带有无名血管蒂所属毛细血管网的筋膜瓣，使其包裹非细胞型组织工程骨并充填骨缺损。于术后4，8，12，16周进行X射线检查和吸光度比测量、大体观察和组织学检查、修复区内骨形态计量分析和交界区血管图像分析，实验结果显示：实验组正常骨干结构形成，骨髓腔完全再通，植入物已吸收降解，完全由新骨替代，成熟骨结构形成，骨髓腔再通，骨小梁的体积明显多于对照组，各时间段单位面积内血管再生面积均大于对照组。以上实验说明以带蒂筋膜瓣为膜材料应用膜引导性骨再生技术修复大段骨缺损，能有效的限制骨缺损周围纤维结方面缔组织长入，带蒂筋膜瓣具有膜诱导骨再生和血管化双重作用，在缩短骨缺损修复时间，提高成骨的质和量方面有显著疗效，极大地加快了移植骨转化为自体骨的速度及效果。

2.6 转基因工程

转基因工程是利用转基因技术把具有成骨作用的基因引入种子细胞，然后再将这些细胞与支架材料移植到骨缺损处，由此获得持续分泌骨生长因子的能力，加速骨形成及修复。BMP基因是目前应用于骨缺损基因治疗中最多的基因。基因疗法分为体外途径和体内途径两种，体外途径是从组织中分离靶细胞，进行体外培养，将基因在体外转染后，再将细胞回植入体内；体内途径是直接将含有目的基因的病毒表达载体或质粒注射到骨缺损的局部，通过转染邻近多种类型的细胞而发挥作用[17]。

3 展 望

目前治疗大段骨缺损的许多新技术尚处于实验阶段，还需要进行大量的临床实验研究，才能应用于临床，在这些新技术中转基因技术与骨组织工程是目前研究的热点。随着各种新技术新材料的研究，将支架材料、种子细胞和激活物三者完美结合，可以为今后大段骨缺损的治疗修复提供更好的方法。

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