生物医用人工胸壁的研究进展

田焰宽 郑兆柱 李毓陵 王晓沁 李 刚

1. 苏州大学 纺织与服装工程学院 现代丝绸国家工程实验室(中国) 2. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室(中国)

多年来，胸壁肿瘤、放射性溃疡、感染或胸壁严重创伤等顽疾一直困扰着患者和医务人员[1]。起初人们一直采取保守治疗的方法对待这类疾病，但治疗效果不理想。近年来，在对胸壁附近的恶性肿瘤及肿瘤附近的部分胸壁进行了大量的研究工作后，人们认识到将这些肿瘤根本性切除可达到良好的治疗效果[2]。然而，在进行上述切除性手术后，胸壁组织会发生大面积的缺损，从而易引发一系列后遗症，如胸廓的不完整、不稳定性和坚固性恶化，会进一步导致胸壁软化和呼吸循环困难等一系列问题[3]。

因此，研制理想的胸壁替代物来进行胸壁的重建，以确保胸腔的支撑力和弹性是一个值得关注的问题。医用人工胸壁是一种根据胸壁缺损部位的大小，对其进行修补的人造器官，如图1所示。

众所周知，人工胸壁研究的重点是人造胸壁材料的选择和结构的设计，本文详细介绍了目前人工胸壁所用材料、结构及其性能要求和发展前景。

a) 人体胸壁缺损

c) 根据缺损部位设计的人工胸壁结构图

图1 人体胸壁示意图

1 人工胸壁材料

1.1 自体材料

自体材料即人体自身的材料，包括阔肌膜、肌瓣、大网膜等，其最符合人体生理要求。自体材料本身具有生物相容性，但它是一种通过“二次损伤”来治疗损伤部位的典型方法，牺牲了健康的生理组织，且其材料来源有限、力学性能一般，随着手术时间的延长，患者不适感增加[4]，因此目前自体材料不作为人工胸壁材料的第一选择。

1.2 同种异体材料

同种异体材料以生物体源材料为主，取自动物组织居多，具有柔韧性好、取材方便、抗拉力等力学性能优异且容易制备保存[5]等优点。其最大的缺点是具有抗原性，容易与人体发生排斥反应，通常需要进行改性处理，并且，存在疾病细菌交叉感染的风险。

1.3 人工材料

随着科学技术的发展，人工材料在各领域及医用人造胸壁中发挥着越来越重要的作用。与自体材料和同种异体材料相比，人工材料来源更广泛，并可简化手术过程，加快手术进程，缓解患者的创伤，对胸腔的支撑效果也更好。人工材料种类丰富，主要包括金属材料、合成材料和生物可降解材料。

1.3.1 金属材料

用于人工胸壁的金属材料主要有金属丝、金属网和金属板。金属材料硬度较大，对胸廓能起到很好的支撑作用，但其缺点也很明显，如金属材料会对术后X射线检查产生一定的干扰，尤其是金属板，影响更大；金属材料不能降解，且其抗感染能力差，长期留在体内会对患者的健康不利[6]。

1.3.2 合成材料

人工合成材料指利用化学方法或聚合作用将不同物质经人为加工而成的材料。目前，其在生物医学上使用最为广泛。人工合成材料性能优异，Suganuma等[7]将Marlex网及钛合金结合，进行胸壁重建，将钛合金的稳定性与Marlex的生物相容性相结合，使人工胸壁的支撑度和相容性得到更进一步提升。Akiba等[8]将Core-tex补片用于临床人工胸壁重建，获得了一定的效果。尽管人工材料在人工胸壁重建上的应用越来越多，但是其本身也存在弊端，如Marlex网进行胸壁缺损修补后，反常呼吸问题难以得到解决，导致患者不适；尽管Core-tex补片的塑形和抗张强度较好，生物适应性优异，且其术后感染等并发症较少，但Core-tex补片价格高昂，给普通病患带来了极大的经济负担，限制了其在人造胸壁重建中的广泛应用。

1.3.3 生物可降解材料

自20世纪90年代以来，生物可降解材料一直以良好的生物相容性、优异的生物降解性和可调控的力学性能在生物医学领域扮演着越来越重要的角色，它在组织工程领域的应用具有很好的前景。目前应用于生物医学方面的生物可降解材料越来越多，应用于人工胸壁研究的主要有如下几种：聚乳酸(PLA)[9]、聚羟基乙酸(PGA)[10]、聚对二氧环己酮(PDO)[11]和聚已内酯(PCL)[12]。降解时间是测量可降解材料的重要指标之一，决定了材料的降解速度。材料的降解时间是否与胸壁缺损部位新组织的生长速率相匹配，是这种材料能否应用于人造胸壁的决定性因素。几种常见可降解材料的降解时间如表1所示。

表1 几种常见可降解材料的降解时间

上述几种降解材料虽目前较常应用于人工胸壁，但也存在一些弊端。一般而言，人工胸壁的降解周期应尽可能长，至少需3个月。由表1可知，PGA的降解时间为60 d，降解速度过快，很明显不能满足人工胸壁的要求；PCL的降解时间为720 d，降解速度较慢，尽管满足人工胸壁降解时间要求，但其在体内降解时间过长可能会引起伤口的感染；PLA降解速度适宜，其断裂强度为4.0～6.0 cN/dtex，伸长率为20%～30%，但其抗冲击性不足，力学性能难以满足要求，限制了PLA在人工胸壁修补领域的应用；PDO具有良好的生物相容性、降解性、可加工性及力学性能，其降解产物与人体代谢产物一致，排斥反应较小，适合作为胸壁修复材料，然而PDO价格相对过高，这在一定程度上制约了它的推广应用。

近些年来，丝素蛋白已广泛应用于生物医学组织工程领域，产品有人造血管[13]、人造骨[14]和人造皮肤[15]等。丝素蛋白是一种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，较其他天然纤维力学性能更优，且其能够进行表面改性，有利于组织修复[16-17]。丝素蛋白在人工骨骼中的应用有利于人工胸壁中肋骨的开发研究[18]。

2 人工胸壁材料性能要求

胸壁是人机体胸腔的外屏障，是人体进行呼吸活动的重要场所，在人体进行各种生理活动中具有举足轻重的作用。理想的人工胸壁材料通常具备一定的性能要求，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 人工胸壁的结构设计

3.1 传统结构

早期的医务工作者面对缺损的胸壁，多采用金属丝、网和板进行胸壁网与肋骨一体重建，将其固定于缺损部位[19]，如图2a)和2b)所示。这种方法效果较差，硬质材料有其致命的缺陷，表面光滑和内部孔洞少，这对于细胞组织的生长繁殖不利，并且术后材料与组织固定处常常会出现松动，从而造成组织的破坏。

3.2 “三明治”结构

在传统方法的基础上，研究人员结合不同材料的特性，设计出一种类似人工胸壁结构的“三明治”结构。即以硬度较大和力学性能较好的材料为基础，在其上下覆盖生物相容性和生物稳定性较好的材料作为外层，由此构成类似于三明治的结构[20]，如图2c)所示。这种结构的最大特点是结合了各组分材料的特性，使其制品能够较好地适应于人体。目前，“三明治”结构临床上已经取得了一定的效果，但它具有手术操作繁琐和固定位置容易松动的缺点。

3.3 纺织型人工胸壁和多管仿生结构

纺织型人工胸壁目前主要有机织和针织两种结构。其中，机织平纹结构可确保人造胸壁具有良好的支撑效果，抗弯性能较好，给胸壁内脏提供了更好保护作用的同时，能防止反常呼吸。织物上的孔洞为新生组织提供了良好的生长环境。随着人工胸壁的降解和新生组织的生长，自体胸壁生长愈合，从而使身体机能有条不紊地运行[21]。

杨苛等[22]在前人的研究基础上，设计出一种独特的织造工艺，其特点是形成沿纬向带管道的人工胸壁修补网，如图2d)所示。该织物结构采用了经李刚等[23]改进的多梭箱小样剑杆织机织造。杨苛等的设计独特之处在于，一方面，修补网织物采用了纬向变化组织。由于组织的变化发生在纬向，故织物的经缩不变，其经纱之间的张力也不会有太大的变化，由此确保了织造的顺利进行；同时，沿纬向变化可使织物更加柔韧，可根据需要织制出不同尺寸的修补网。该结构与其他纵向多管道胸壁修补网相比制作更简单。另一方面，临床上为有助于新生骨的生长，往往要求人工肋骨具有一定的孔隙率。为促进成骨细胞的黏附和增殖，杨苛等选择三维五向编织工艺制作人造肋骨。所得人工胸壁不仅具有良好的力学性能，而且含有大量的孔洞，从而解决了硬性材料人工肋骨孔洞少和表面光滑的问题。该人工胸壁修补网虽较易制作且效果较好，但其人工肋骨的制作过于繁琐。若参考生物医学上人工肋骨[24-26]的制作方法，将可大大简化制作工艺，缩短加工时间，从而降低成本。

3.4 3D打印技术

3D打印技术也称增材制造技术。作为当前流行的一种前沿科学技术，与传统加工和其他“材料减少”技术相比，它基于离散性和积累性原理，通过材料的逐渐积累而实现。3D打印技术是一项综合性技术，且科学技术含量非常高，涵盖了化学、材料工程科学和信息技术等各个方面的先进知识[27-28]。

利用3D打印技术制备人工胸壁，首先是利用CT数据对胸壁进行三维重建，生产出坚硬的胸骨和与胸骨相连的钛制肋骨，然后，打印机向钛金属粉末床发射电子束，使钛金属粉末熔化，最后，逐层产生完整的接枝，最终得到人工胸壁产品，如图2e)所示。

a) 传统条状结构

b) 传统网状结构

c) “三明治”结构

d) 多管道仿生式结构

e) 3D打印结构

4 前景展望

随着人们生活水平的提高，其对医疗健康不断提出新的要求。受胸壁肿瘤、胸壁创伤和局部功能丧失等病症困扰的患者对人工胸壁的要求也会越来越高。近十几年来，科研工作者在人工胸壁的研究领域不断突破，取得了一些成就。然而，现有的人工胸壁依然存在各种问题，人工胸壁研究仍然是生物医用材料和心胸外科领域的难点和热点。

胸壁重建能否取得成功的关键因素是人工胸壁材料的研究开发、选择、改性和结构设计。目前，科研工作者在材料选择上主要分两方面。一方面是寻找已有的、性能满足临床移植要求的材料，或研制全新的、性能适宜的生物材料。然而，现阶段还没有找到一种完全令人满意的重建修补材料，因此通常利用化学方法，通过改变物质的微观构象赋予材料新性能。另一方面，组合应用多种材料，充分利用各组分材料的性能优势，以满足人工胸壁的性能要求。

人工胸壁在结构设计方面应能够根据胸壁缺损大小进行裁剪。另外，人工胸壁在机体内应有良好的生物相容性和生物力学性能稳定性，以及与缺损部位有一定的相似性，故人工胸壁结构的个性化应是今后研究的重要方向。新兴的先进制造技术(如3D打印技术、激光雕刻)的快速发展也为人工胸壁的结构设计和产品开发提供了更多的空间。

总之，生物医用人工胸壁研究涵盖了纺织、生物材料和医学临床等多学科领域，需要各个学科的工作者协同合作，从而开发出符合临床移植要求的市场化的人工胸壁产品。