第四章　骨科生物医用材料学　Biomedical Materials for orthopedics

我国是骨科生物材料的需求大国，775万肢残患者和每年新增的300万骨伤患者需要大量骨修复材料。骨外科应用的生物材料按其性质可分为3类，即医用金属材料、医用高分子材料和医用无机非金属材料。在骨科内植物的发展过程中，金属材料是被最早应用的骨科内植物材料，在1860年Lister发展无菌的外科技术之前，由铁、金、银、铂等制成的各种金属装置如线材和轴钉等都因植入后感染而无法成功地大量使用。现代植入物的发展大多集中在长骨和关节的修复。早在20世纪初，英国的Lane使用钢材制成骨折接骨板，后来匹兹堡的Sherman将Lane骨板改进，消除尖角来减少应力集中并且使用韧性和延展性较佳的钒合金钢，钒钢在临床上使用数年，但因在体内的腐蚀问题而被放弃。之后又出现了组织钴基合金和钽。近年来，钛及其合金被大量用于骨折内固定物及人工关节，其质量轻，弹性模量接近于骨组织，广受青睐。随着医学和生物医学工程学的发展，经过近20多年对人工假体研究和临床应用，人工关节假体已日趋成熟。髋关节和膝关节置换术10年成功率已经达到95%，20年成功率也已经达到90%。欧美等发达国家在20世纪70年代时人工关节置换已经广泛应用在临床上，现在欧美发达国家每年仅人工髋、膝关节置换的数量已经超过50万人次。我国人工关节的开展较晚，比国外晚20年左右。然而近10余年来的发展非常迅速，疗效已接近与国外先进水平。除金属材料外，高分子聚合物和无机材料等也被广泛地用于骨关节的修复。近年来组织工程材料发展较快，为骨缺损的修复提供了更好地选择。

第一节　骨替代材料　Orthopaedic materials

清华大学材料学院　崔福斋

太原理工大学　连小洁

典型的骨科植入物

(一)接骨螺钉

螺钉既被用于固定接骨板，又被用来固定骨质，也被作为拉力螺钉而将骨折片抓持在一起。螺钉分为螺钉头部、螺纹、旋动部分。其中头部形式分为球形、锥形两种，螺纹形式分为浅螺纹、深螺纹、对称螺纹和不称螺纹四种，旋动部分形式分为一字槽、十字槽、内六角、四方槽和内三角五种，以前三种多见。按拧入骨的方式、功能、大小和用于骨的类型而分为自攻螺钉、非自攻螺钉、拉力螺钉、皮质骨螺钉和松质骨螺钉，其材料一般为不锈钢、纯钛、钛合金，还有可吸收复合材料，图4-1-1(A)为PDLLA/HA复合可吸收接骨螺钉，图4-1-1(B)为金属钛合金接骨螺钉。

国际内固定研究学会(AO)认为，螺钉的作用力有两个分量，一个是沿螺纹圆弧的切线方向，另一个沿轴向。前者由拧入螺钉的扭矩产生，后者产生轴向拉力。拧入螺钉过程的扭矩中，只有大约40%转换成轴向力，50%用来克服螺钉顶部钻进的摩擦力，余下的10%用来克服螺纹表面的摩擦力。在工作台试验中，接骨板螺钉拧紧时大约是单独螺钉承受的扭矩的二倍。而原材料问题、设计不合理、加工缺陷、手术操作不当等均可造成螺钉抗扭矩能力及耐疲劳能力差。螺钉最大扭矩与材料屈服应力成正比，与螺钉直径成三阶正比。同时截面上最大扭矩出现在最外缘，也就是螺钉的加工表面。螺钉最大断裂扭转角与材料屈服应力和测试段长度成正比，与螺钉直径和材料的切变模量成反比。

(二)接骨板

金属接骨板是紧贴于骨，以提供固定的装置。与螺钉配合使用，用于骨折内固定。金属接骨板的形式为直型和异型(图4-1-2)，螺孔形式为锥形和球形。金属接骨板的类型根据其原理、结构、功能分为保护性接骨板或中和接骨板、支持接骨板、加压接骨板、成角接骨板，其材料一般为不锈钢、纯钛、钛合金。

常见种类接骨板多为不锈钢或铬镍钼合金、钛合金等，分为普通接骨板(如Sherman板和Lane板)和加压接骨板(如DCP、LC-DCP等)两种。另外根据不同骨折部位和需要，有各种形态的接骨板用于临床。

1.加压接骨板

主要用于长骨干骨折。

2.重建接骨板

用于骨盆、肱骨远端、锁骨及外踝骨折等。

3.特殊部位专用接骨板

股骨髁支持接骨板、胫骨平台外侧及远端内外侧支持接骨板、跟骨及趾(指)骨接骨板等。颅骨修补钛板用于缺损修补。

4.特殊形状接骨板

人字形、弧形、L形、T形、三叶形及工字形接骨板等。

5.记忆合金接骨板

目前有一种钛镍形状记忆合金的环抱式接板、骨爪，临床上已应用于各种骨折。

特点:接骨板作为最常用的骨内固定和修补器材之一，可以适用于任何部位的骨折。因其位于骨的一侧，其所受到的是张应力，而断端受到的是肌力的压缩。来自近端的外力通过螺丝钉传递给接骨板，再通过螺丝钉将外力传递到骨折远端，因而接骨板固定后易出现“应力遮挡”及“应力集中”现象，使接骨板断裂或螺丝钉拔出。另外，接骨板与骨面紧密接触，势必对骨皮质产生影响。

对于金属接骨板，两种情况可以使其断裂，即单独很大的超载和多发较小的超载“疲劳”。当一个内固定物连接一处很长的缺损并受到不断增加的负荷时(如不断负重)，所产生的应力最终会达到强度极限而致内固定物断裂。这种常见的情况被称为“负荷始动断裂”。另一种情况存在于骨折高负重区域。当骨折面吸收而间隙加宽时，内固定的应变最终达到了临界极限——“形变始动断裂”。有效负荷一定时，接骨板的断裂则取决于接骨板的厚度和间隙的宽度。一块较厚的接骨板在较小的弯曲角度会断裂，这是由于在同样弯曲角度上，较厚的接骨板承受着较高的应变。对于内固定物的这种分析很为重要，因为在内固定中“形变始动”的情况很常见。

弯曲是金属接骨板在人体内最常见也是最重要的受力状态，大部分接骨板的断裂均与弯曲载荷有关。弯曲强度和等效弯曲刚度是影响接骨板弯曲性能的重要指标，同时对接骨板的疲劳性能也有很大的影响。金属接骨板四点弯曲试验评价的是产品的材料、结构等设计属性而非简单的材料属性。它为评价产品的使用性能提供了一种有效的手段。

金属接骨螺钉、接骨板主要的并发症:急性脂肪栓塞综合征或急性呼吸窘迫综合征、肺栓塞、感染、内固定断裂、筋膜间室综合征、神经损伤、骨不愈合、延迟愈合、畸形愈合等。

(三)髓内钉

髓内钉用于骨折内固定已超过100年历史了，它是在骨的远端和近端髓腔内置入生物相容性好、具有一定强度的内植物，达到骨折断端的连接、复位与固定，图4-1-3为其中一种。最初用象牙栓、金属钉和螺丝钉等作为髓内植入物。1907年比利时的Albin L ambotte对锁骨骨折采用了金属髓内固定物术。随着生物学、生物力学的研究，以及材料的进展，使髓内钉技术日臻完善。20世纪50年代初期，我国引进了髓内钉技术，天津和上海生产了不锈钢V形髓内钉和梅花形髓内钉。20世纪80年代后，交锁髓内钉逐渐取代了其他类型的髓内钉，成为近年来骨折内固定技术中迅速发展的领域，其在长骨干骨折内固定中已逐渐占据主导地位。

常用种类多数髓内钉都经锻造制成，常用材料有不锈钢、钴-铬合金、钛、钛6Al-4V、钴-镍合金以及钼等。有单根钉和多根钉以及坚强髓内钉和可屈性髓内钉之分。常用的有以下几种:

1.Künt scher髓内钉 为应用最广泛的单钉系列，包括V形髓内钉及后又改进的梅花形髓内钉，20世纪50年代后被广泛使用。一般将Künt scher髓内钉称为标准髓内钉，用于长骨干骨折固定，但现在已应用较少。

2.交锁髓内钉 最早发明人也是Künt scher医师。目前常用的有股骨交锁髓内钉、胫骨交锁髓内钉、γ形交锁髓内钉(PFN重建钉，用于股骨转子周围骨折)、股骨髁上交锁髓内钉(倒打髓内钉)、肱骨交锁髓内钉。还有加压髓内钉(Huckstep钉)及吴乃庆设计的鱼口交锁髓内钉。此外，还有一种新型用于股骨转子、股骨颈基底骨折的Zickel髓内钉。

3.可屈性髓内钉 多根非带锁的有Ender钉，用于治疗股骨转子、胫腓骨骨折等; Rush钉主要用于各种长骨骨折;吴岳嵩设计的矩形髓内钉是一种新型可屈性髓内钉，主要用于胫骨骨折治疗，对股骨下端及肱骨等部位也有较好的效果。其他钉类: Richards/DHS钉，主要用于治疗股骨转子部骨折。Richards钉又称加压接骨板螺钉系统。动力髋螺钉(DHS接骨板)是Richards的改进，用于转子部位的各类骨折;动力髁螺钉(DCS)用于股骨近端的骨折，主要是靠近小转子股骨干骨折，也用于远端的髁间骨折，有良好的力学稳定性。三翼钉、分叉钉等用于股骨颈骨折固定。

特点:髓内钉与其他固定器材相比，有明显的优势。因其放置在髓腔中央，与骨组织紧密接触，既牢牢地制约着骨的活动，起到了“内夹板”的作用，同时，与骨骼中轴线重叠，受到周围的压力平衡，一般不会产生“应力遮挡”，更不会对皮质血运产生影响。但如因材料问题、手术错误及创伤等也可引起局部或全身并发症或固定失败。

常用于股骨干及其两端、胫骨干、肱骨干骨折。它可使原来的接骨板偏心固定改为中心性内固定，侧方锁钉固定，骨折固定稳定，且骨膜剥离少，在不同的阶段可以加压，均有利于骨愈合。

髓内钉内固定主要的并发症包括急性脂肪栓塞综合征或急性呼吸窘迫综合征、肺栓塞、感染、骨短缩、畸形、筋膜间室综合征、神经损伤、骨不连等。

(四)脊柱植入物

脊柱植入物主要分为三大类:椎间融合器、脊柱固定系统和人工椎间盘。

1.椎间融合器

脊柱融合是治疗脊柱结核、感染、畸形、退行性病变以及椎间盘损伤等脊柱疾患的有效手段。用于制作融合器材料的相关报道很多，有金属、碳素纤维、可吸收材料及异体骨等。椎间融合器械是一种植入型、由单个或多个部件组成，替换病变或损伤的椎间盘，使相邻的椎体形成融合，一般均配合脊柱固定系统使用的器械。由于各种原因，目前应用于临床并得到推广的只有钛金属、聚醚醚酮及碳素纤维融合器，上述融合器的应用虽已取得了不错的疗效，但仍存在前者的应力遮挡影响疗效，及两者材料永久残留体内给患者造成心理压力等问题。由聚醚醚酮材料制成的融合器(图4-1-4)其特点是改进材料的弹性模量，形成良好的力学匹配和适当的应力刺激，避免了骨的发育不良。钛合金和聚醚醚酮融合器缺点是与骨的结合较弱。椎间融合器属于长期植入物，使用该类器械可能导致的潜在风险包括:器械部件断裂、无法固定、假关节形成(即:不连接)、椎体骨折、神经损伤以及血管或内脏损伤等。由于活体内的脊椎负载情况十分复杂且变化很大，而且迄今仍然尚未被人们充分了解，所以相应的国际标准迟迟没有推出，同时国内对该类器械的监管也比较薄弱。

2.脊柱固定系统

脊柱固定系统一般可分为颈椎系统和胸腰椎系统。颈椎系统包括前路系统、后路系统、椎弓根系统。胸腰椎系统包括前路/前侧路系统、后路系统、椎弓根系统、椎体置换系统。其适应证主要为退行性椎间盘疾病、脊柱滑脱、创伤(即骨折或脱位)、椎管狭窄、畸形或弯曲、肿瘤等。脊柱固定系统一般由棒或接骨板、前路螺钉、椎弓根螺钉、骶骨/髂骨螺钉、钩、连接头、横连接、紧固器等组成，用于牢固连接病变部位上下的椎体(图4-1-5)。

3.人工椎间盘

近年来发展出的人工椎间盘系统克服了脊柱融合器使得部分脊柱不能活动及导致邻近节段退行性病变的缺点。人工椎间盘通常由金属上板、金属下板和位于其间的超高分子量聚乙烯内衬组成，用于替代上下椎体间的活动连接。

(五)人工关节假体

全关节置换已经改善了成千上万人的生活质量。骨性关节炎、类风湿关节炎、无血性骨坏死、骨肿瘤和创伤等疾病都可用人工关节置换来治疗，这一手术治疗消除了患者的疼痛，恢复了关节的活动能力和功能。人工关节包括:人工髋关节、人工膝关节、人工肩关节、人工肘关节、人工踝关节、人工腕关节、人工指关节等。其中，人工髋关节和人工膝关节发展最为成熟，应用最为广泛。下面仅就人工髋关节和人工膝关节做简单介绍。

1.人工髋关节

人工髋关节假体依据结构分为全髋和部分髋(又称为半髋)，全髋关节假体由髋臼部件和股骨部件组成，部分髋关节假体仅由股骨部件组成，图4-1-6为其中一种髋关节系统。髋臼部件又分为整体式和组合式，其中组合式通常由髋臼外杯和髋臼内衬组成。股骨部件也分为整体式和组合式，其中组合式通常由股骨球头和股骨柄组成。人工髋关节的固定方式分为骨水泥型、非骨水泥型及混合型，非骨水泥型为生物固定，通常表面为羟基磷灰石或金属表面微孔涂层，通过骨细胞与涂层融合以获得稳定的固定。

人工髋关节的股骨柄一般使用不锈钢、钴铬钼合金、钛合金材料，髋臼内衬一般为超高分子聚乙烯、钴铬钼合金或氧化铝陶瓷，股骨球头为金属或耐磨陶瓷制造。

2.人工膝关节

人工膝关节假体依据结构分为全膝和部分膝，依据替代人体组织的不同分为单髁和双髁，根据运动范围不同又可分为非约束型、部分约束型和完全约束型。国际上现行的分类为单间、双间、三间膝关节假体，分别对应为单髁、双髁及双髁附加髌骨置换。韧带对于膝关节活动的作用非常重要，根据对韧带的损伤，膝关节置换可分为:后交叉韧带保留型、前后交叉韧带去除型和前后交叉韧带及平行韧带去除型。

膝关节假体的材料通常为钛合金、钴铬钼合金、不锈钢、氧化铝陶瓷和超高分子量聚乙烯。常见的全膝关节假体(图4-1-7)通常包括金属材料制造的股骨髁、胫骨托和超高分子量聚乙烯材料制造的半月板部件(胫骨垫片)、髌骨部件组成。股骨髁与胫骨垫片之间是活动连接，组成人工关节面。股骨髁与髌骨之间也是活动连接，组成髌骨关节面。完全约束型人工膝关节假体比较特殊，铰链式是典型的完全约束型，其关节面不同于普通人工膝关节，而是位于铰链连接处。

结论和展望

骨科生物材料发展到今天，虽获得了巨大的成功，使许多骨科患者得到良好的救治，但目前仍有许多有待解决的问题，设计出更适合生物学和力学要求的骨内固定物和人工关节，开发出特性更佳的金属、非金属或复合材料，将是今后研究的重点:①更加合理的强度和弹性模量;②降解过程更加的合理:降解产物应能被人体完全吸收，引起组织反应轻，且降解时间和骨折愈合时间相匹配;③提高生物活性:在材料中加入生长因子可在一定程度上诱导成骨;④可吸收材料的外形多样化:尤其是对于固定皮质骨，还需要继续研究更好的材料。

第二节　骨移植材料　Bone-grafting Materials

清华大学材料学院　崔福斋

太原理工大学　连小洁

骨是天然的生物复合材料，具有精巧的多级结构(图4-2-1)。磷酸钙类矿物相可占骨重量的60%～70%，有机相的90%～95%为胶原蛋白，还有少量的非胶原性蛋白、多糖、脂类等。骨移植按材料来源可分为天然材料和合成材料两大类;按移植入物来源分为自体骨移植、同种异体骨移植、异种骨移植和人工骨材料移植。骨移植材料在整形外科中主要用于骨断裂修复、骨植入物的镀膜、人工关节返修、可注射骨移植材料治疗骨质疏松等适应证，在脊柱治疗中主要用于后路脊柱融合等各类脊椎骨缺损适应证，在牙科中主要用于拔牙创伤和颌面外科等适应证。

天然骨移植物

天然骨移植物包括自体骨、同种异体骨、异种骨和天然衍生骨材料。自体骨移植被认为是理想的骨移植物，但不可避免自体骨移植存在取骨区并发症和取骨量有限的问题。异体骨的优势在于良好的骨传导性，使用某些特定的处理方法还可以保留骨诱导性，成品的异体骨有各种构型，异体皮质骨还可以被修饰成各种形状，用于各部位特定外形的骨缺损。在大段骨缺损的病例中，异体骨由于能够提供良好的机械支持作用仍是首选的骨移植物。异体骨按照制备方法可分为新鲜骨、深冻骨、冻干骨。新鲜异体骨在临床中不常使用，因为易引发宿主免疫反应和传染病。冻干骨较深冻骨诱发的免疫反应更低。异种骨是取自于动物骨的骨移植物。其性能和存在问题与同种异体骨类似。

(一)自体骨、同种异体骨和异种骨

1.自体骨

自体骨移植，指的是从患者体内另一个部位获得新鲜骨组织并将其移植到骨缺损处的方法。由于骨组织的来源为患者本身所以自体骨移植不引起排斥反应。自体骨移植又可分为非血管化自体骨移植和血管化自体骨移植。非血管化移植操作相对简单，故而很早就得到了应用，随着显微外科技术的进步又发展出了血管化移植，通过血管吻合使移植骨保持良好的供血以保存骨的再生能力，大大增加了移植骨的成功率，并且提高了自体骨移植的质量。非血管化自体骨移植的来源主要有髂骨、胫骨和颅盖骨等;用于血管化自体骨移植的主要有:肩胛骨肌皮瓣、腓骨肌瓣、背阔肌骨肌皮瓣、髂骨肌瓣等。自体骨移植的最大优点是不引起排斥反应，存在的最大问题是来源有限，并且一般自体骨移植需要额外的手术来获得移植自体骨，增加了患者的痛苦、失血量、手术感染率以及额外的长期住院费用。

2.同种异体骨

同种异体骨采集来源:

(1)截肢的骨组织。

(2)胸部手术中切除的肋骨。

(3)新鲜尸体骨骼，包括死婴多采用软骨。

禁忌采集来源于肿瘤、传染病、细菌性感染、骨病、血液病患者的骨组织。按移植物的不同分为同种异体骨移植、同种异体软骨移植、同种异体骨关节移植。按移植物处理的不同分为新鲜同种异体骨、库骨、人骨基质明胶。

同种异体骨移植能避免自体骨移植的一些缺点，存在的主要问题是，有排斥反应和交叉感染的风险。所以同种异体骨需处理才能使用，处理目的是降低或消除异体骨的免疫原性。但经过各种处理的异体骨，骨细胞皆受到不同程度的破坏，甚至死亡。异体骨在宿主部位的成骨生物学效应，主要表现为骨传导和骨诱导。异体骨经过处理后是死骨，一旦与宿主骨床相接触，即逐渐被吸收，即在吸收骨表面上贴覆性生长，通过吸收，异体骨将被宿主骨及骨外膜的成骨细胞所“爬行替代”，从而产生新骨。

3.异种骨

异种骨材料的来源主要有牛骨、猪骨、鹿骨、绵羊骨等，其中猪骨和牛骨原料易得，是研究最多的异种骨材料。关于异种骨目前比较一致的观点是认为异种骨免疫原性和诱导活性具有共同的物质基础，在消除抗原性的同时也破坏了诱导成骨物质，因此单纯异种骨无法解决消除抗原性和保持诱导活性之间的矛盾。将去抗原异种骨具有骨活性的物质相结合制成复合异种骨，以部分恢复异种骨的诱导成骨能力，能够在一定程度解决这一问题带来的困难，目前成为了异种骨移植研究的新方向，如:异种骨与骨形态发生蛋白(BMP)的复合，异种骨与自体红骨髓的复合、异种骨与骨基质明胶的复合以及异种骨与多种生长因子的复合等。

(二)骨衍生材料

骨衍生材料是由天然生物组织经一系列理化方法处理而得的材料。如:胶原、珊瑚骨、甲壳素、天然骨等，主要分为骨支架材料和骨基质材料。

1.骨支架材料

(1)煅烧骨:

异种/异体骨经高温煅烧除去天然动物骨中的有机基质而成为烧结骨。主要成分为羟基磷灰石，与人骨无机成分相同。其优点是具有良好的生物相容性、骨传导性。高温煅烧可彻底去除引起天然骨抗原性的脂肪、蛋白等有机质，同时保留其外形和高密度的内部孔道结构，为细胞的黏附和增殖提供足够的空间和表面积。但是高温煅烧对羟基磷灰石晶体结晶度有不利影响，因此烧结骨的质地脆且不易塑形，难以作为承重部位骨缺损的修复材料，且煅烧作用破坏了天然骨中的活性诱导成分，因此其机械强度和成骨诱导活性都有待改进。

(2)珊瑚羟基磷灰石:

来自海生珊瑚，经物理化学处理。其成分主要为磷酸钙和碳酸钙的复合物。空间结构类似于人体松质骨的多孔疏松结构，这为良好骨传导性提供了基础。C.HA的孔径非常适合新生骨的内向性生长。它具有较好的抗压强度，但质脆，抗拉强度和抗剪切强度差。

2.骨基质材料

(1)脱钙骨基质:

如骨胶原，骨胶原富含细胞外骨基质，可以促进钙沉积，血管内向性生长，生长因子聚集，进而为骨愈合提供良好的体内环境。骨胶原通常作为粘合剂，把其他的骨替代物(如凝胶状、颗粒状的骨替代物，或羟基磷灰石和磷酸三钙)混合在一起，发挥各组分的优势，达到类似于自体骨移植的效果，成为有效的自体骨扩增剂。

(2)脱蛋白骨基质:

通过用化学方法脱去异种骨中的蛋白成分(主要是可溶性蛋白)。天然骨脱蛋白骨移植物具有原骨组织天然的三维网状孔隙系统，主要成分为羟基磷灰石，具有较好的力学特性，具有天然网状孔隙系统和原骨组织骨盐支架的三维结构形态，其组成及结构符合生理要求，能够为细胞提供一个黏附及生长繁殖的空间。处理后的骨的抗原性几乎完全除去，但也会破坏活性成骨物质而缺乏骨诱导能力。

合成骨移植物

目前临床应用的合成骨移植替代物多种多样，组成成分和作用机制各不相同，各有其特殊性能。下面分别加以介绍。其共同特点是都提供了不同程度的结构支撑，骨传导性，或多或少还有骨诱导性，免疫排斥反应相比与异体骨、异种骨轻微。按结构与性能大致可分为无机骨移植材料、有机骨移植材料和复合骨移植材料。

(一)无机骨移植材料

无机骨移植材料可以大致分为金属填充材料、陶瓷填充材料两类，前者因其良好的力学和加工性能，主要用作人工关节及植入体固件等，目前应用较广的包括不锈钢、钛及钛合金、钴基合金、镍钛合金等材料;后者多用作骨移植材料，主要包括氧化铝陶瓷、羟基磷灰石、生物玻璃等。陶瓷材料与金属材料相比同样具有良好的力学性能，同时具有对体液的惰性，并且某些含有钙磷盐的陶瓷还具有很好的生物相容性以及骨诱导能力，所以陶瓷材料作为骨移植材料也获得了很多的关注和研究，目前获得应用的陶瓷填充材料主要有氧化铝陶瓷、磷酸钙陶瓷、生物玻璃陶瓷以及氧化锆生物陶瓷等。

磷酸钙生物陶瓷，是早期使用较多的骨填充材料。在20世纪20年代已有磷酸三钙用于促进骨愈合的报道。在髋关节翻修中用磷酸钙颗粒植入股骨近端假体周围可以获得假体近期和中期的稳定性。成分为α-TCP、碳酸钙、磷酸二氢钙混合物的注射式自固化磷酸钙骨水泥，于1995年投放市场，其不透射线、可注射的特点决定了它可以在X射线下修复骨缺损的便利性，这对目前提倡的微创医疗是非常重要的。

(二)有机骨移植材料

无机材料的不可降解性促使人们将尝试的方向转向了有机材料。随着有机合成工艺的快速发展，越来越多具有特殊性能的有机材料被合成，目前研究得较多并获得应用的有机骨移植材料主要包括聚乙烯、聚丙烯酸酯以及具有生物降解性的聚乳酸等。超高相对分子量的聚乙烯由于其很好的力学性能，被广泛地应用于矫形材料植入件——特别是耐磨的器件，如髋关节和膝关节中;聚丙烯酸酯类中研究最多的是聚丙烯酸甲酯(PMA)以及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)与日常生活常用的有机玻璃成分相似，PMMA聚合的反应放热明显高于玻璃高分子聚合物，达到78～120℃，术中保护其接触的组织，避免造成热损伤甚至烫伤引起组织坏死尤为重要。PMMA广泛应用于关节置换术中假体和自体骨的粘合。

硫酸钙骨填充材料中半水硫酸钙因其固化速度快，常做成可注射型的。在使用时应注意使硫酸钙紧贴有活力的骨外膜或骨内膜，这样硫酸钙才具有提供血管内向性生长的骨传导性基质作用。硫酸钙在体内经过5周即可溶解而被重吸收，根据这一特点硫酸钙能够作为抗生素的缓释载体用于骨髓炎的治疗。报道浸有广谱抗生素妥布霉素的硫酸钙可以做成合适的大小，提供骨传导性，能够持续释放抗生素，有效控制开放性骨折造成的骨缺损，避免感染、骨延迟愈合、不愈合。

(三)复合骨移植材料

金属、陶瓷、有机骨移植材料在性能上都有自己独特的优点，同时其存在的不足又限制了广泛的应用，随着外科整形术对于植入材料的要求越来越高，结合不同材料的优越性能合成复合骨移植材料，就成了很多研究者的主要努力目标，研究较多的复合人工骨材料有:矿化胶原基复合人工骨，玻璃高分子聚合物等。矿化胶原基人工骨是与天然骨成分和结构接近的一种室温合成的骨移植物产品(图4-2-2)。它是用胶原分子在磷酸钙溶液中自组装而成的，使用效果接近自体骨。材料具有四个显著的特点:一是材料具有多孔结构、孔隙率较高，便于细胞在上面的爬行、附着、生长和繁殖以及营养物质的输运，其矿物相为具有低结晶度纳米量级含碳酸根的羟基磷灰石，并且均匀生长在胶原基质上，这些特点原则上使该材料本身便具有与骨键合的能力，用这种材料制成的骨植入体表面可提供适宜的环境促进胶原和矿物的沉积以及成骨细胞的黏附，一旦成骨细胞黏附于植入体表面，随后的骨生长便在细胞的调节下进行;二是材料主要成分是Ⅰ型胶原蛋白和羟基磷灰石晶体，其物理及化学性能均能满足体内植入环境的要求，有很好的生物相容性以及降解性能，降解速度与成骨速度相匹配，并且降解过程中不引起周围体液环境pH值的变化;三是材料中的羟基磷灰石晶粒非常的细小，具有纳米晶的尺度，并且羟基磷灰石晶体的C轴平行于胶原纤维的长轴，与天然骨材料结构相似，而普通羟基磷灰石骨替代材料晶体尺寸较大，较难被破骨细胞吸收、降解，长时间植入体内也难以被吸收、替代，而小的羟基磷灰石晶粒使得其易于为破骨细胞吸收、降解;四是复合材料的强度接近于松质骨，并可根据需要进行调整，能够方便用手术刀塑形，临床使用非常方便。临床使用情况表明，其与人体生物相容性良好，无免疫排斥反应，愈合情况良好，是安全有效的新型骨移植材料。

玻璃高分子聚合物和PMMA都可以作为抗生素和大分子蛋白质在体内缓释作用的载体，而玻璃高分子聚合物由于放热温和较PMMA更为有效。玻璃高分子聚合物首先在1971年口腔科用来在温湿的环境中粘和牙釉质。它由钙/铝的硅氟化物粉末与多聚羧酸液体混合反应制得。这是个放热反应，反应温度一般在60℃以下，混合后5分钟硬化，不溶于水，24小时达到相当于皮质骨的硬度和弹性模量。

组织工程骨

组织工程骨是通过将种子细胞种植于具有良好生物相容性、可降解吸收的生物支架材料上，经过培养扩增，体外构建新的骨组织，然后植入体内用于修复骨缺损的方法。尽管组织工程发展只有十几年，但已经取得很大发展，展现出很好的前景。组织工程的三大要素包括种子细胞、生物支架材料及生长因子。作为组织工程支架材料应具有以下性能:

(一)良好的生物相容性。

(二)具有三维立体多孔结构。

(三)良好的生物降解性。

(四)良好的材料——细胞界面。

(五)可塑性和一定的机械强度。

组织工程的生物医用材料很多，根据来源的不同可分为天然生物材料和合成生物材料两大类。天然生物材料一般具有细胞信号识别能力，能促进细胞的黏附、增殖和分化，大都无毒副作用，具有良好的生物相容性及良好的生物降解性，显示出人工合成材料无可比拟的优势。但其加工性、重现性、降解速度可调性不甚理想。合成材料的最大优点是品种多，可选择范围广，生物降解速度可调。此外，合成材料还有力学性能和加工性能好，价格便宜，重现性好，利于大规模生产。缺点是生物相容性和细胞的亲和性比天然材料差(图4-2-3，图4-2-4)。

结论和展望

人工骨移植材料表现出的优良的诱导成骨性、生物相容性、可降解性为骨移植材料提供了另一个选择，并且其原料较为丰富，一旦达到产品的层次即可实现大批量地生产加工，这一点也是自体骨、同种异体骨无法比拟的。从长远的目光来看，人工骨移植材料的应用和发展前景更为光明，一些优秀的人工骨移植材料(如磷酸钙/胶原基骨移植材料)更是为骨移植材料市场注入了新的活力。如何结合组织工程学思想和新的材料制备技术，制备出具有更好性能的人工骨移植材料，以更有效地进行骨缺损(特别是大骨缺损)的修复，将是未来骨移植材料科学一个艰巨而又意义重大的任务。

第三节　软骨替代与移植材料　Cartilage-replacement and grafting materials

清华大学材料学院　崔福斋

太原理工大学　连小洁

软骨的组成结构

软骨组织由软骨细胞，纤维和基质构成。其外周包裹纤维性软骨膜，形成一种较硬的可承受负荷的结缔组织。软骨组织中，软骨细胞呈圆形或椭圆形，位于软骨基质内称为“软骨陷窝”的小腔中，具有形成纤维和分泌机制的功能。软骨陷窝周围有一层含硫酸软骨素较多的基质，称软骨囊。细胞外基质是充填于细胞之间的物质，由胶原，蛋白多糖，透明质酸等组成，和水，电解质及少量液相成分共同构成细胞生长的微环境，是构成软骨的主要部分。根据软骨组织内基质成分和结构的不同，软骨分为透明软骨，弹性软骨和纤维软骨。透明软骨基质主要化学成分是蛋白多糖，它以长链的透明质酸分子为主干，结合着许多较短的蛋白多糖侧链，其轴心蛋白质上结合较多的硫酸软骨素侧链A，C和短小的硫酸角质素侧链。透明软骨中的纤维成分是Ⅱ型胶原蛋白构成的胶原纤维，它没有周期性横纹，也不形成胶原纤维。蛋白多糖分子的侧链以短突与胶原纤维相接触，构成较大间隙的网架，以承受压力。虽然软骨组织内没有血管，由于基质富含水分，易于物质渗透，使深层的软骨细胞也能获得营养物质。软骨基质的硫酸软骨素含量很高，使其呈嗜碱性并具有异染性。基质内的软骨粘连蛋白将软骨细胞和基质连接起来。

软骨及关节软骨的修复替代

目前临床上修复软骨缺损的方法主要包括:

1.软骨下骨钻孔，微骨折。

2.关节腔内清理和灌洗术，关节削磨成形术以及人工关节等。

3.组织移植 即取自体健康软骨，或以自体健康软骨膜或异体软骨片移植。

4.自体软骨细胞的移植 从自体的软骨组织分离，扩增软骨细胞后，以自体骨膜封闭缺损部位，在其下方的缺损腔中注射软骨细胞，修复软骨缺损。

5.组织工程方法 组织工程涉及种子细胞，支架材料和包括多种生长因子在内的生长环境等3种基本要素。通过分离及培养所需的种子细胞，选择合适的生物支架材料，最后构建组织工程化软骨植入到缺损部位而达到治疗目的。

骨膜、软骨膜及自体或异体骨软骨替代

(一)骨膜及软骨膜替代关节软骨

骨膜含有一定的神经和血管，有营养和感觉作用且含有多能造血干细胞和间充质干细胞具有多潜能分化的倾向，它能产生软骨细胞形成的生物活性因子，可分化为软骨使其覆盖于软骨缺损区。有动物和临床试验均已证明在关节软骨缺损处植入骨膜可产生透明软骨且软骨下骨可形成骨组织。骨膜作为软骨修复替代材料具有取材方便、对机体损伤小等优点。但其固定困难、来源有限且骨膜移植形成的新软骨不能完全符合人体软骨在力学及形态学上的要求，远期疗效较难确定。因此这种移植材料在临床应用中受到限制。

(二)自体或异体软骨及软骨细胞移植替代关节软骨

自体软骨细胞移植替代软骨缺损，最早由Brittberg应用于临床。该手术主要是先获取非负重区的正常软骨细胞，然后通过体外培养扩增后，植入软骨损伤处。以细胞为基础的软骨缺损修复，如自体基质辅助软骨细胞，需要在体内扩增，以生成修复所需要的细胞数。Brittberg等利用此法治疗66例膝关节软骨损伤的患者，经过2年以上随访发现，47例膝关节功能得到较大改善。自体软骨细胞移植替代关节软骨在一定程度上保持了软骨下骨的完整性，同时也阻碍了血液中的成纤维细胞所引起的纤维修复，移植后的软骨细胞具有一定的增生能力，并能通过多种模拟信号介导来进一步调控修复过程;自体软骨细胞移植很少有并发症的发生。有学者在动物实验中进行了异体软骨细胞移植，发现在软骨损伤处仅有轻微的排斥反应，且软骨修复与自体软骨细胞无明显差异，免疫反应及保存方法仍是其缺陷所在。

(三)人工软骨的替代材料

根据软骨自身的结构和特点，作为人工软骨的替代材料应满足下列要求:良好的生物力学性能;优良的润滑性和耐磨性;软骨细胞生长诱导性;与骨基底牢固的连接性和生物相容性。在软骨替代材料的选择上，目前多选用与软骨生物力学性能相近的高弹性材料，如硅橡胶、聚氨酯、水凝胶等，其中，硅橡胶不仅易磨损，而且易吸收体液中的油性物质造成短期老化失效;作为需长期使用的植入材料，聚氨酯的降解性能有待进一步改进，且固化剂二异氰酸酯的水解产物又是潜在的致癌物。具有类似天然软骨组织的多孔状聚乙烯醇水凝胶也被用作软骨替代材料，当前的软骨替代或修复材料的研究重点是改进现有材料和制备工艺，并探索新材料和新的制备方法。将骨与软骨材料结合起来，构建骨软骨双层支架，或者在同一支架上构建组织工程化骨软骨复合体，从而真正达到在修复或替代软骨缺损的同时修复软骨下骨，使得软骨替代材料具有更好的长期稳定性。

(四)组织工程化软骨

组织工程化软骨是近年来国内外医学工作者研究比较多的课题之一，当前对组织工程的研究重点集中在种子细胞和生物支架上。

理想的软骨组织工程种子细胞应具有如下特点:

1.取材方便，来源充足，对机体损伤小。

2.体外培养增殖能力强。

3.与支架材料具有很好的黏附性。

4.种子细胞植入人体后能够适应内在环境并保持原有软骨细胞的特性。

用于移植的种子细胞主要是自体软骨细胞，同种异体及异种软骨细胞，间充质干细胞，胚胎干细胞等。自体软骨细胞来源有限且在体外的扩增率较低，在体外培养过程中会发生去分化现象，为大量在支架上种植细胞形成了阻碍。另外主要细胞的扩增可能会造成它们功能的降低。干细胞具有多向分化的潜能，在一定条件下可分化为软骨细胞及成软骨细胞等。既可提供治疗所需要的大量细胞同时又可减少免疫排斥反应及传染性疾病的传播。但是干细胞在体内含量少且胚胎干细胞所产生的致肿瘤性还需要进一步的研究，另外还存在伦理学的问题。

软骨组织工程另一个最关键的问题便是支架材料结构的设计及正确的材料选择。当前主要有天然的生物支架材料，人工合成的支架材料及复合支架材料。天然的支架材料主要来源于动物和人体，一般都具有良好的生物相容性和可降解性，可促进种子细胞的增殖、黏附及分化;但天然材料质量难以控制，存在抗原性，还有传播病原的可能，另外其降解率在不同的宿主间各不相同。人工合成的支架材料来源广泛，其机械性能及生物化学性能可以根据需要进行改变，宏观结构及表面修饰也都扮演着重要的角色，不仅影响支架的机械稳定性，而且关联到种子细胞进入基质的增殖和迁移。

关节软骨

我国骨关节炎的患者约有1亿人，且呈不断增加趋势，由于极高的患病率和致残率，昂贵的治疗费用，骨关节炎已成为造成经济损失和影响社会发展的主要疾病之一。关节软骨损伤的治疗是国内外骨科工作者研究的重点和难点，其治疗方法和替代材料多样。关节软骨损伤后的替代材料可分为人工关节，骨膜、软骨膜及自体或异体骨软骨，组织工程化软骨，人工软骨等。

(一)关节软骨的结构、组成和力学性质

关节软骨厚1～7mm，成熟关节软骨可根据细胞和基质的变化分为5层，即表层，中层(过滤层)，深层(放射层)、钙化层和软骨下骨(图4-3-1)。未成熟的关节软骨有两个细胞增殖区，分别为浅区和深区，浅区位于关节面下，其细胞增殖的结果是扩大关节软骨;深区的软骨细胞增殖作用是向骨骼提供软骨内化骨的细胞。

关节软骨主要由软骨细胞和基质组成。正常关节软骨仅有一种细胞成分，即软骨细胞，关节软骨细胞分化来源于间充质细胞。软骨细胞的形态根据其所在部位可以表现为圆形，梭形和扁平状。通常扁平状或梭形软骨细胞位于浅层，中层软骨细胞呈圆形或椭圆形，其核呈偏心位，较小，深层的软骨细胞胞质内逐渐出现与细胞退变有关的原纤维。关节软骨细胞合成和分泌包括胶原蛋白和糖胺聚糖(GAGs)在内的各种关节软骨基质成分以及基质降解酶，对软骨基质起着重要的调控作用，基质成分也反作用于软骨细胞并在一定程度上影响其生理功能。此外，关节软骨细胞的功能还受力学环境刺激的影响，关节软骨细胞的营养依赖于关节内的滑液流动，代谢废物的排出也依赖周期性负荷对软骨基质的挤压。基质的主要成分:水、蛋白多糖和胶原。Ⅱ型胶原和蛋白多糖集聚体形成网状结构。生理条件下，蛋白多糖离子化(COO－与SO3－)，水分布其中，可以流动。关节软骨表面至软骨下骨可分为四层，其组成结构依深度而变化，在2～3层之间变化最明显。因此，其生物力学性质也随深度而改变。

关节软骨的力学性质:①拉伸模量为4～50Mpa，依标本取材的位置、深度与方向的不同而异;②弹性模量为15～50Mpa，随所用材料和方法的不同而有变化;③剪切应力平衡模量为0.05～0.3Mpa;④应力-应变曲线呈指数形式，切线斜率随应变的增加而增加。

(二)临床关节软骨修复的治疗方法

临床根据患者软骨损伤的实际情况，可以用多种不同的治疗方式，总体而言，关节软骨的治疗法主要集中在刺激关节软骨自身修复的刺激手术，以及采用自体或异体细胞或人工关节及组织工程治疗方法。

(三)人工关节

人工关节是通过模拟人体关节而制成的侵入性假体，以取代病变处的关节及软骨，并恢复原有的关节功能。作为一种关节软骨替代材料，首先要与人体具有良好的生物相容性，其次要满足人体关节的生物力学要求。人工关节材料必须具有良好的生物相容性，优异的摩擦性能，抗腐蚀和耐疲劳性能及较长的使用寿命。当前人工关节材料的种类有金属材料、有机高分子材料、陶瓷材料及碳质材料。金属材料具有良好的加工性能及抗压强度，但容易腐蚀及磨损。且磨损产物会造成不同的生理与组织反应。目前人工关节所用的金属材料为钛合金及钴铬钼合金等。但由于金属材料具有生物惰性，植入人体后始终作为宿主的异体存在，容易引起变形和松动;且金属的弹性模量与关节软骨差异较大，造成了应力遮挡，容易引起假体的松动和断裂。有机高分子材料具有较低的摩擦系数，但晚期易磨损，且磨损所产生的物质是造成关节松动的原因。目前，研究较多的高分子材料是耐磨性优异的超高相对分子量聚乙烯。陶瓷材料具有良好的生物相容性和化学稳定性，其离子结构可以吸引极性液体，在陶瓷表面形成薄膜，具有很好的润滑效果，而且还具有高硬度，高弹性模量和高抗压强度以及优良的耐磨损性等特点，但质脆，易碎裂。目前的陶瓷材料主要是氧化铝。碳质材料的特点是生物相容性好，化学性能稳定，机械性能好，缺点是抗弯强度低。

(四)组织工程法治疗

目前研究较多的是，将种子细胞培养在生物材料支架上然后移植到缺损部位，形成新的软骨组织，经过重塑形并与机体组织整合在一起，是软骨组织工程修复软骨损伤的基本方式，采用不同的支架材料以及不同的细胞负载方式来进行软骨的构建。来源于软骨组织的软骨干/祖细胞(CSPC)具有间质干细胞的共性和一些软骨组织特性，研究证明CSPC复合骨膜或支架具有可以快速扩增用于修复大面积关节软骨缺损的潜能。

结论和展望

随着干细胞和组织工程的发展，临床医学正步入一个“再生医学”的新阶段，世界范围内已较广泛地在临床上开始扩增自体软骨细胞进行缺损软骨组织的再生治疗。另外，软骨组织工程支架的研究较多，目前应用于临床的主要是胶原来源和透明质酸来源的支架，其他新型的软骨替代材料研究仍处于动物实验阶段，且在动物体内长期疗效及远期的生物力学变化还未有进一步的证实，进入临床试验更需要一个过程。

第四节　肌腱组织替代与移植材料　Tendon-replacement and grafting materials

清华大学材料学院　崔福斋

太原理工大学　连小洁

肌腱的结构与功能

肌腱是最为典型的规则致密结缔组织，它由平行排列的胶原束、腱胶质和腱细胞组成，腱细胞有分泌基质及胶原的作用。作为骨骼系统周围的胶原组织，肌腱是一种坚韧而又不可塑的带状结构，它将肌肉与骨骼连接起来，功能是使肌肉附着于骨或筋膜，并保证系统正常运动(图4-4-1)。当肌肉收缩变短时，通过与骨连接的肌腱得以牵引骨一起运动。人体中最大的肌腱是连接腓骨伸长肌和足跟骨的跟腱。肌腱必须适应某一方向上的张力，承受很高的拉伸载荷，并产生关节运动。运动中用力过猛会使肌腱承受过大拉应力，导致肌腱撕脱;其他意外事故如刀割伤、压轧伤等，也会导致肌腱缺损;疲劳或疾病也是导致肌腱损伤的重要原因之一。然而肌腱组织自身修复能力极其有限，缺损后往往不能自行修复。若不及时修复，常会导致肢体功能障碍，重者甚至残疾。

肌腱的修复替代

肌腱损伤可分为无缺损损伤和有缺损损伤两大类。对于有缺损损伤的肌腱，则有以下几种治疗方法:①自体肌腱移植;②同种异体肌腱移植;③异种肌腱移植;④人工肌腱替代物。

(一)自体腱移植

20世纪初Kirschner报道了对自体腱的探讨性研究及结果，为肌腱损伤及缺损的临床治疗开辟了一个新的纪元。Solonen用兔的带神经血管的半腱肌进行缺损肌腱修复，Clancy用恒河猴的髌韧带重建其他韧带缺损，均获得成功。从而有力地证实了一处肌腱的缺损是可以用其他处肌腱韧带代替。当前肌腱缺损的修复仍以自体肌腱为主，会引起免疫反应而被现在的临床广泛应用，但自体肌腱也有一些明显的缺点:来源有限，供腱处有时因强度不足而导致撕裂，有的肌腱缺损无合适的自体供腱。

(二)同种异体肌腱移植

Teneff和Fonda，Graham，Peacock等学者分别研究了同种异体肌腱，虽然研究结果发现植入的肌腱出现坏死，排斥反应等不良现象使移植手术失败率很高，临床未能普遍推广应用，但肌腱修复的应用仍是从自身本体以外到同种异体的一个质的飞跃，从而使后来的医疗工作者把目光转向了自体以外其他材料，大大推动了修复重建外科领域前进的步伐。1982年Minami等人对异体肌腱的探讨性研究中用多聚甲醛，冷冻及戊二醛等处理后，肌腱的免疫源性消失或降低。同种异体肌腱存在的缺点是:供体携带病毒可能引起的疾病传播如:肝炎、AIDS，移植后的远期效果并不肯定。

(三)人工肌腱替代物

自1953年起，合金、塑料、尼龙和合成纤维等用于制作人工肌腱。由于各种原因，有些材料因与自体肌腱的肌肉运动牵拉，最终以缝合处撕脱而失败;而有些人工肌腱材料与受体肌腱周围组织发生粘连而影响肌腱的滑动;其他一些如丝织品、涤纶等也曾作为人工肌腱材料，均因材料萎缩而告失败。碳纤维人工腱虽然曾应用于临床，但不能够吸收腱化，拉应力衰减，与受体腱发生严重粘连，经过20年的应用后逐渐被临床淘汰。硅橡胶腱虽滑动好，但易折，衔接部不相融，无临床永久使用价值。目前临床上正在研制或使用的人工肌腱主要有:人发角蛋白人工肌腱、组织工程人工肌腱等。

1.人发角蛋白人工肌腱(human hair keratin ar-tificial tendon，HHKAT)

tificial tendon，HHKAT)人发角蛋白人工肌腱是继碳纤维人工肌腱和硅橡胶人工肌腱后的第三代人工肌腱材料。1988年黄凤鸣等首先将健康人发制成人发肌腱，并完成实验研究及临床应用。这表明:人发腱有良好的生物适用性能和替代功能。王志杰等应用人发角蛋白人工肌腱材料对损伤后的四肢肌腱进行功能重建，结果表明功能恢复好。HHKAT的特性:无排斥反应，无粘连，抗应力不衰减，可在人体吸收的同时形成新的自体腱(称为腱化工程)。考虑到未经处理的人发腱也能发生粘连，从1994年开始，曹启迪等针对人发中的角蛋白的特殊化学结构，对人发进行了序贯的、不同程度的、特殊控制性的生物化学处理，经促腱化处理和梯次腱化，并采用了特殊的生物膜，使人发角蛋白人工腱有了新的特性:可在体内降解吸收，可腱化成自体腱，无排斥反应，不与受体腱发生粘连，拉应力不衰减。动物实验将新西兰兔造成跟腱缺损后植入109HH人工腱的腱化过程显示，该腱在兔体内12周完成腱化，植入物完全被胶原纤维取代，排列规整，基本上趋于正常腱。

2.组织工程化人工肌腱

组织工程化原理是获取少量的肌腱种子细胞在体外培养扩增后和可生物降解材料形成复合物，将其植入缺损部位后种子细胞增殖、分化、分泌基质，形成修复组织，生物材料逐渐降解，最终达到生物学意义上的完全修复。组织工程肌腱具有不受肌腱来源限制、不传播疾病、无免疫反应的优点，该技术与传统方法相比最大的优点在于:①所形成肌腱组织具有活力和功能，达到永久性替代;②按缺损肌腱形态进行塑形，达到完美的形态修复和功能重建;③以相对少量的肌腱细胞经体外培养扩增后修复严重的肌腱缺损。随着组织工程技术的发展，组织工程化肌腱为临床肌腱修复提供了一条新的、更为理想的、符合生理特点的方法。

到目前为止，组织工程化肌腱的研究主要包括3个方面的内容:①肌腱组织工程的种子细胞来源;②支架材料的研究;③肌腱细胞与支架材料的复合研究。

(1)肌腱组织工程的种子细胞来源:

1)自体肌腱细胞:

采用自体肌腱作为肌腱种子细胞来源，不可避免造成供区损伤和并发症，另外，组织工程化肌腱要想批量生产，不应只局限于自体细胞作为种子细胞的唯一来源。

2)骨髓基质干细胞:

骨髓基质干细胞(MSC)具有多向分化潜能，但到目前为止，还没有在体外培养条件下，使MSC向肌腱细胞定向诱导分化成熟的技术手段。

(2)支架材料:

理想的肌腱组织工程支架材料除应具有良好的细胞相容性、组织相容性外，还能为肌腱早期活动提供可靠的力学强度，并随时间延长为种子细胞的生长繁殖和生理功能发挥提供空间，即材料的降解与细胞功能发挥同步化进行。支架的拉伸强度、不规则的三维几何形状及支架对生物活性物质的释放，也都是设计研究中应考虑的重要因素。目前，肌腱组织工程应用的支架材料主要有天然高分子材料和合成高分子材料两大类。

来源于自然界的天然高分子材料，如天然成分胶原纤维、采用藻酸盐类制成的胶体以及壳聚糖等，保留了组织正常的网架结构，且组织相容性好，是一种较为理想的组织工程支架材料。

对于合成高分子材料来说，目前国内外使用较多的有聚乙交酯(PGA)、PLA、聚己内酯(PCL)、聚乙交酯与聚丙交酯的共聚物(PLGA)等。这些材料具有强度高、来源充足、易加工、降解速度可调等优点，因而被广泛应用于组织工程领域。如Hlavacek等开发出一种平面织物型的组织工程支架，其中含有PLA、PGA等生物可降解性材料，用于修复肌腱和韧带，该材料在新组织形成后即可被降解吸收，且能与新组织形成时间保持一致。曹谊林等将肌腱细胞接种于索条状未编织PGA网状支架上，进行体外培养后植入裸鼠皮下，在第12周标本中发现其周围和中心部分已经完全和正常的肌腱细胞相同。合成高分子材料存在的主要问题是生物相容性不如天然高分子材料优越，其降解产物可能会使机体产生炎性反应，还有待于进一步研究。

由于单纯材料理化性质的限制，不少研究者采用将多种材料经过适当工艺处理成为复合材料，Alexander等用碳纤维与聚乳酸(PLA)的复合材料作为支架，碳纤维提供组织生长的支架，PLA对碳纤维的降解速度进行调节，这种复合物构架具有较强的抗张特性，但柔韧性差。杨志明等采用了多种复合材料，如碳纤维与聚乙醇酸(PGA)，胶原与PGA复合、经过处理的人发与PGA复合、人发、胶原与PGA复合等作为肌腱的支架材料，发现在PGA降解过程中，肌腱细胞分泌的胶原能沿支架材料分布，逐渐取代可降解部分，大大提高了组织工程肌腱的力学性能和肌腱细胞的附着力，体内植入3个月后，组织工程肌腱的抗拉强度可达到天然肌腱的75%，肌腱细胞分泌的胶原明显增加。

(3)肌腱细胞与支架材料的复合研究:

用理化方法对材料表面进行修饰，改善材料对细胞的吸附力，促进细胞的增殖分化。在特定动态张应力环境下进行三维立体培养，可使肌腱细胞增殖加快，分泌胶原量增加，细胞沿应力线方向延展。

结论和展望

对于肌腱损伤的修复，自体肌腱移植因为供体部位的并发症且来源有限，决定了其不可能广泛应用。组织工程为肌腱损伤的愈合提供了新的治疗途径，其目的是使肌腱实现功能性再生，达到正常未损伤组织的结构和功能。将来组织工程的研究重点在于具有合适生物结构和机械强度的组织工程支架，并对其表面加以修饰以增强细胞反应;对种子细胞进行基因修饰以加强其细胞外基质的表达;促进组织工程韧带在体内形成接近正常自体韧带的局部条件。随着研究的深入和肌腱组织工程的发展将为肌腱损伤提供理想的治疗途径。

第五节　骨科内固定材料　Internal Fixation Materials

华中科技大学同济医学院附属协和医院　田洪涛

如果骨骼需要做内固定，用于内固定的材料需要满足以下条件

(一)具有足够的强度

内固定物必须具有足够的强度。可以通过调节内固定的材质或者形状使内固定达到所需要的强度。现有主流内固定的材质主要有以下几种:

1.不锈钢。

2.钴铬钼合金。

3.钛合金。

4.聚乳酸为主材的可降解材料。

它们各具特点:钴铬钼合金生物活性低，但生产困难，生产成本高;不锈钢生物活性稍高，生产容易，价格低;钛合金重量轻、抗疲劳、具有弹性、生物活性低，目前广泛应用于制造各种内固定材料。并且钛合金在CT和MRI上几乎不产生伪影，有利于患者的后续检查。聚乳酸为主的可生物降解材料也越来越多地应用于骨科内固定的制造，包括螺钉，接骨板等。这类材料生物反应小，缓慢降解为水和二氧化碳，省去了二次取出手术。但这类可降解材料的长期应用毒性仍须观察。

(二)无组织反应

植入的内固定材料必须无生物反应，不会引起毒性反应，炎症反应，纤维化，巨噬细胞反应等。这些反应会引起局部疼痛，肿胀和功能障碍。现有内固定材料仍有罕见的组织反应出现，有可能导致肿瘤形成。所以对于年轻人，一旦骨折愈合推荐取出内固定。

(三)不腐蚀

植入材料应不生锈，没有电解反应。使用不锈钢做内固定材料时，不锈钢纯度要高，不应含有杂质。应采取多种措施防止内固定材料之间接触发生界面腐蚀。预防电解也很重要，基本要求是使用多个内固定组件时，各组件材质应一致。

内固定的选择

内固定可以为破坏的骨提供坚强的固定，允许早期负重，肢体早期活动并促进骨的愈合。在骨折时，这种固定通常在骨折复位后进行。对于内固定的选择不止有赖于骨折的类型，同时要考虑到患者年龄，预后预期等因素。每位患者在术后都应给予详细地康复指导以获得内固定术后更好的疗效。

对骨折进行固定时，必须考虑到骨骼承受的也可能是造成骨折的几种常见力量，合适的力量辅助可以获得更好的疗效(图4-5-1)。分析每一种骨折，可以发现共有五种力量。

1.压缩力

力量轴向传导，造成骨骼负重的增加，如脊柱的压缩骨折。

2.张力

同样通过轴向传导，使骨折分离。

3.弯曲力

使骨的一侧承受压力对侧承受张力。

4.扭转力

使骨骼承受旋转力量。

5.剪切力

继发于压缩力，使斜行骨折的骨折块之间产生沿骨折线的力量。

尽管内固定可以提供骨骼的机械稳定，但放置内固定的过程通常会对骨折部位的软组织，血供造成破坏影响骨骼的愈合。近年，很多新的技术出现如MIPO技术旨在通过微创的方法减小手术的创伤，获得更好的手术疗效。

内固定的设计

人们一直想设计出一套内固定可以解决所有的骨折。经过多年的努力，现在已经建立起一套优良的内固定系统，那就是AO或ASIF内固定系统。1956年，Müller创建了这个由骨科医生组成的团队，其目的就是推广由Danis提出的一些概念。这个团队不但发明了一系列的螺钉、接骨板和其他固定器械及配套的器械，并且这个组织还承担着骨折治疗概念的更新。他们的共同目标是通过使用内固定来固定骨折，以便能在较短时间内恢复功能、早期负重、缩短住院时间、早日回到工作岗位。目前基本所有的内固定器械都是基于AO的理念来设计的。AO四项原则是:①骨折端的解剖复位，特别是关节内骨折;②为满足局部生物力学需要而设计的坚强内固定;③无创外科操作技术的应用，以保护骨折端及软组织的血运;④肌肉及骨折部位邻近关节早期、主动、无痛的活动，以防止骨折病的发生。AO学说强调尽早复位，使骨折恢复解剖学上的连续性和力学上的完整性，手术要求尽可能达到解剖复位和坚强的内固定，这种观点几十年来被全世界广泛接受，成为骨折治疗的AO标准学说。

同时，经过几十年来的发展，目前认为这种单纯的机械力学观点存在片面性，因为它没有充分重视骨组织自身的愈合能力。多年来的临床经验和试验室数据表明，坚强内固定也存在它的一些负面影响。例如，接骨板对接骨板下骨的应力遮挡不可避免地造成一定程度的骨质疏松，增加了接骨板取除后发现再骨折的可能性。另外，随着微创观念的日益深入人心，大手术对周围软组织造成的创伤影响了骨组织自身的愈合能力，因而越来越为人所诟。这些缺点促成了新的生物学固定观念的发展，这就是所谓的BO观点。

骨折的治疗必须着重与寻求骨折稳固和软组织完整之间的一种平衡。强调骨折治疗要重视骨的生物学特性，不破坏骨生长发育的正常生理环境。生物学固定的内涵是:必须充分重视局部软组织及骨的血运，固定坚强而无加压。其原则如下:

1.远离骨折部位进行复位，以保护局部软组织的附着。

2.不强求粉碎骨折块的解剖复位，关节内骨折依然要求解剖复位。

3.使用低弹性模量，生物相容性好的内固定器材。

4.减少内固定物与所固定骨之间的接触面(髓内及皮质外)。

5.尽可能减少手术暴露时间。

常用骨固定材料

(一)骨针和线缆

骨针是骨科最基本也是最常用的固定器材，其基本结构是钢质长针，一端或者两端具有三棱形尖端，可以穿透骨质。根据不同需要有些针具有螺纹尖端，有些具有带孔尾端。其中最常用的是克氏针和斯氏针(图4-5-2)。它们经常结合接骨板和线缆一起使用。

1.克氏针

其原规格一般固定在20cm左右，直径为0.5～2mm有不同的几种规格。用于固定短小骨折或撕脱骨折等应力不大的骨折固定，也常被用在骨科手术中临时骨折块的固定中。交叉克氏针固定具有抗旋转作用，常常用于邻近关节的骨折固定。使用交叉克氏针固定生长板骨折也是很好的选择。近年来随着外固定支架的广泛应用，克氏针的最大直径逐渐增加到4mm，配合外固定锁钉来固定骨盆骨折、跟骨骨折等应急较大的骨折。

2.通常认为直径在4mm以上为斯氏针

斯氏针也可以有不同的尖端和尾端，比如扁的尖端或者带有针孔的尾端。斯氏针更加坚固，耐折弯，通常用于需要力量更大的牵引和固定。使用骨针的并发症主要是固定不够坚强导致的骨折再移位或者骨不连。如果骨针穿出骨皮质过多可能导致相应位置的软组织损伤，有些骨针也会随着患者的运动而游走。

3.线缆也是常用的骨科内固定材料

根据材质和结构可分为单股钢丝和钢缆及钛缆。可用于捆扎分离的骨块。可以单独使用，也可以配合骨针，螺钉或接骨板一起使用。常见的是尺骨鹰嘴钢丝张力带，髌骨钢丝张力带，肩、髋等关节置换时骨与假体的捆扎等(图4-5-3)。近年，也有学者将钢缆作为微创接骨术中将骨折闭合复位的工具。

(二)螺钉

1.皮质骨螺钉

皮质骨螺钉是骨折内固定中常用的器械。标准的皮质骨螺钉螺柱直径3mm，螺纹直径4.5mm，采用凸螺纹，螺距1.75mm，头部呈半球形，槽口呈六角形(图4-5-4)。其他还有直径1.5mm、2.0mm、2.7mm、3.5mm的螺钉。植入AO皮质骨螺钉前先用直径3.2的钻头钻孔近侧，2.8钻头钻穿对侧，测深获得螺钉长度，然后攻丝最后拧入螺钉(图4-5-5)。

当使用螺钉固定两个骨折块时，要使两个骨块相邻骨面加压，这样可以增加固定强度，促进骨折愈合。为了加压可以将近端骨块螺钉用稍大的钻头钻孔为滑动孔，拧入螺钉时就可以在两个骨块中间加压，这就是拉力螺钉原则。为了获得骨折块之间的加压效果，防止骨折侧方移位，螺钉植入方向应与骨折线方向垂直(图4-5-6);为获得最大的抗旋转力，螺钉垂直骨皮质拧入。

2.松质骨螺钉

固定松质骨或者干后端骨质时需要使用松质骨螺钉。松质骨螺钉螺距更宽。螺槽更深。松质骨螺钉有4mm和6.5mm两种，螺纹有半螺纹可以起到拉力螺钉作用，有全螺纹用于干后端固定使用。松质骨螺钉可以在松质骨自行开道，钻孔后不需攻丝。松质骨螺钉若能穿过双层皮质则可获得更强的把持力(图4-5-7)。

通常固定骨折时我们先使用克氏针，再固定螺钉则需要拔除克氏针，这时骨折就可能移位。空心加压螺钉可以解决这个问题。空心螺钉中间具有导针孔，可以穿过克氏针。通常空心螺钉有4.5mm和6.5mm两种直径，有半螺纹和全螺纹。非常适合于内踝骨折和股骨颈骨折的固定。在一些小骨块骨折的固定，比如桡骨头骨折，我们不需要空心螺钉的尾帽留在骨质外面，这时可以使用埋头空心钉。这种螺钉的尾帽也有螺纹，可以达到两种效果:一，尾帽可以旋入骨质当中;二，尾帽螺距更密，可以起到骨块之间的加压作用(图4-5-8)。

3.锁定螺钉

锁定螺钉用于锁定接骨板，其尾帽设计有螺纹，可与锁定接骨板钉孔内的螺纹咬合，使螺钉锁定于接骨板上。有些锁定螺钉的尖端具有开道槽，使螺钉具有自功能力，钻孔后不需要攻丝(图4-5-9)。

(三)接骨板

接骨板的基本作用是:一，固定骨折块;二，协助骨骼提供支持作用;三，在骨折块之间加压。使用接骨板在骨折块之间加压，一种方法是使用具有椭圆形斜槽孔设计的接骨板。加压时偏心拧入螺钉，在螺钉尾帽进入接骨板中时引起接骨板的轻微滑动，起到断端加压的作用。另一种方法是接骨板塑形。骨骼的表面通常会有一定的弧度，使用直形接骨板时有可能使接骨板对侧的骨折线张开。这时需要首先将接骨板塑形，接骨板固定后依靠接骨板的弯曲力使整个骨折线加压(图4-5-10)。

放置接骨板时既要使断端之间加压，同时用接骨板中和张力。通常，将接骨板放置在骨骼的张力侧，股骨放置在外侧，胫骨防止在前内侧。下肢推荐断端每侧至少拧入三枚以上螺钉。最远端和最近端螺钉拧入单侧皮质可以分散应力。

接骨板具有不同的设计，用于解决不同类型的骨折或者达到不同的目的:

1.动力加压接骨板

具有以上介绍的椭圆孔加压结构，加压后，骨块之间接触更紧密，应力更好地通过骨骼传导，更加稳定并有利于骨折愈合。

2.有限接触加压板随后出现

在其腹侧螺钉孔之间有凹槽，从而减小了接骨板与骨骼接触的面积，有利于骨膜的保护，促进愈合。这两种接骨板的设计都是依据AO解剖复位坚强内固定的理念，以期无骨痂一期愈合(图4-5-11)。

3.一些特殊形状的接骨板应用于不同的骨折

(1)重建接骨板在每孔之间有凹槽，接骨板可以在各个平面上塑形，用于表面形状较复杂的骨骼，如骨盆骨折。

(2)斜T形和L形接骨板应用于胫骨近端内外侧。

(3)锁骨钩接骨板应用于肩锁关节等(图4-5-12)。

4.微创内固定系统和锁定加压接骨板的出现是接骨板设计的一次重大变革

它依据的理念是生物固定(BO)的原则:桥接固定，有痂二期愈合。这种接骨板使用微创技术置入，可以保护软组织不被大范围破坏，更有利于骨骼的愈合;这种技术达到弹性固定的效果，弹性固定在骨折承受应力时允许骨折块之间轻微活动，应力去除后骨骼回到原始位置。这种应力的传导刺激骨痂的形成;内固定支架可与骨骼表面保持一定距离，保留骨面的骨膜，允许骨膜成骨。LISS是基于微创外科的原则，吸取交锁髓内钉技术与生物学接骨技术优点而发展起来的新型内固定系统。使用体外螺钉孔瞄准器，使手术对软组织的损伤降低到最低程度。具有成角固定作用的自钻螺钉可以提供更可靠的固定。微创固定系统(LISS)适合于股骨远端和胫骨近端粉碎性骨折的固定，尤其对骨质疏松患者和假体周围骨折的固定更有其独特的优势(图4-5-13)。

LCP是具有普通螺钉和锁定螺钉联合孔的有限接触接骨板。其发展基于pc-fix和LISS系统获得的实践。LCP让术者根据骨折的位置而选择内固定和动力加压。根据患者个体情况，LCP可作加压接骨板、锁定内支架或两种结合用。应用LCP最重要的一步是选好适当长度的接骨板。过去，在应用传统接骨板时，因接骨板越短，要求骨折的剥离越少，软组织创伤就越小而选用短接骨板，这一原则不再适用于LCP。此时，因长接骨板使用时并无伴随的软组织损伤，接骨板长度的选择只需考虑骨折生物力学的需要。实施内固定时，目的是尽可能降低接骨板载荷，而接骨板载荷受接骨板长度和螺钉位置影响。理想的LCP长度由接骨板的跨越宽度及螺钉的密度决定:接骨板跨越宽度为接骨板长度与骨折总长度相除之商。对于粉碎性骨折而言商数应为2～3倍，对简单骨折则为8～10倍。同样重要的第二数值为螺钉密度(即为植入螺钉数目除以接骨板螺孔数之商)。经验显示该值应小于0.4～0.5(图4-5-14)。

5.PERI-LOC(关节周围接骨板)

这种接骨板板主要用于关节周围骨折的固定。其形态通过正常骨骼扫描数据得出，具有解剖结构，通常不需折弯;接骨板近关节端有多个锁定孔，用于固定关节部位骨块，同时有多个小孔可打入克氏针临时固定;远关节端有锁定加压联合孔，可微创操作，可加压(图4-5-15)。

6.角度接骨板

当干骺端骨折部位骨量不足，不足以把持普通接骨板时可以采用角度接骨板(图4-5-16)。

7.动力髋和动力髁螺钉

它有一个粗大的松质骨主钉拧入股骨颈或股骨髁，接骨板部分使用螺钉固定于股骨。主钉具有一定滑动能力，可以对骨折端加压，并把股骨颈与股骨干之间的弯曲力转化为轴向的压力，大大降低了内固定失败的可能(图4-5-17)。

(四)髓内固定器械

髓内钉主要用于治疗各种骨干骨折。一般可采用微创操作。

1.弹性髓内钉

由钛合金制成，可以弯曲。弯曲后在髓腔形成三点支撑。主要用于治疗儿童下肢骨干骨折。单根使用也用于治疗成人尺骨、锁骨等骨折。可提供轴向和旋转稳定。其优点是微创操作，避免伤及骨骺。缺点是固定后需外固定如石膏辅助(图4-5-18)。

2.髓内钉

有实心和空心两种。主要用于成人长骨干骨折，如肱骨、股骨、胫骨。可以不暴露骨折端，由骨的近端或远端沿导针插入髓内钉。髓内钉设计有锁钉空，当骨折复位后可锁入横向锁定螺钉，使髓内钉获得轴向、横向、旋转稳定。如果不需要扩髓，如开放骨折，可选用实心髓内钉(图4-5-19)。

3.抗旋股骨近段髓内钉

由髓内钉和插入股骨颈的主钉和远端锁定组成。是一种新型股骨近端内固定系统，适用于各种类型的股骨转子间骨折(AO分型A1、A2、A3)和高位转子下骨折，但不能用于股骨头和颈的骨折。它可以将股骨颈干之间的弯曲力转化为轴向压力，降低内固定失败率;可以采用闭合复位，微创操作;可通过主钉加压骨折端，促进愈合(图4-5-20)。

(五)脊柱内固定系统

1.椎弓根螺钉系统

椎弓根螺钉技术最早在20世纪50年代由Boucher等提出，在60年代由Roy Camille等加以推广，至今其应用于腰椎固定已经有几十年的历史了。椎弓根螺钉由后路穿过椎弓根到达椎体前部，钉尾再进行矢状面的固定或者弹性连接，实现了对脊柱固定的三维稳定。大量文献表明这项技术对于治疗脊柱各种疾病具有明显的临床优势。目前，这项技术已经广泛应用于各种脊柱疾病的治疗。连接钉尾可以使用钛质连接杆获得稳定固定，也可使用绳索等的弹性材料连接获得保留椎体间活动度的生物固定(图4-5-21)。

脊柱前路钉板、钉棒固定系统有时手术需要在脊柱前路进行固定，需要使用特制的脊柱前路固定系统。用于颈椎前路的为钉板系统，材质多为钛，近年出现聚乳酸材质的钉板，可以在置入人体后6～9个月降解吸收，避免异物留存。胸腰椎前路固定可选用类似后路的钉棒系统(图4-5-22)。

2.脊柱后路动态稳定系统

传统的脊柱融合术被认为是治疗脊柱不稳定的“金标准”。但越来越多的证据表明，融合后存在腰部活动的限制，脊柱动力学的改变，和邻近节段的加速退变，可导致腰椎不稳和椎管狭窄的复发。在此背景下，探索一种更符合生理需要的手术方法，即非融合技术开始受到大家的重视。“动态稳定”。目前治疗腰椎疾病的后路非融合技术主要有:①棘突间内固定撑开装置;②经椎弓根固定的动力稳定装置;③关节突关节置换术。

(1)棘突间撑开装置和动态系统:

棘突间植入一种不可压缩的间隔器，在棘突间持续维持一定程度的撑开力，使腰椎始终处于前屈的状态。以Wallis和X-Stop为代表(图4-5-23)。另外一些植入装置除撑开作用外可进行压缩，实现椎体间的动态稳定，以Coflex和DIAM系统为代表。

(2)经椎弓根固定的动力稳定装置:

以Dynesys系统为代表，它由钛合金椎弓根螺钉、聚酯索、聚碳酸盐材质的圆柱形弹性管组成。聚酯索被固定在椎弓根螺钉的尾端并维持与Graf韧带相似的张力，所不同的是韧带外面的弹性套管。在屈曲位时，弹力带提供张力带作用，在过伸时，弹性套管提供部分压缩并限制过伸，这样可以阻止椎间盘后部额外的压缩力(图4-5-24)。

第六节　骨科骨外固定支架及应用　Application of External Fixator

华中科技大学同济医学院附属协和医院　叶树楠

骨外固定器的概念

在骨折的近段与远段经皮穿放钢针，再用一种金属或高强度非金属材料制成的特殊装置把裸露在皮肤外的针端彼此连接、固定起来，应用固定、加压、牵伸作用达到治疗骨折、矫治骨与关节矫形和进行肢体延长的技术，称为骨外固定技术。用于这种技术的特殊装置，称为骨外固定器(图4-6-1)。

骨外固定器实际上是一种介于骨科内固定与外固定之间的第三种固定方式，以微小的创伤对骨折或脱位进行部分制动式固定。它兼并了内、外固定的优点，与内固定相比，损伤更小，伤口感染率更低，与小夹板、石膏等外固定方式相比，固定更牢靠、稳定。但它也有其自身的不足和缺点，因此选择应用骨外固定器时，应该严格掌握他们的适应证和禁忌证。

骨外固定器主要由固定针、连接杆及固定螺栓和螺母组成。固定针用于穿入骨骼内把持骨骼，而针尾留在体外，被连接杆连接、固定。固定针的类型主要包括斯氏针(Steinmann针)，多用于成人下肢骨折;克氏针(Kirscher针)，多用于成人上肢骨折及儿童的上、下肢骨折;针尖段带螺纹的半螺纹针(Schanz针)，多用于半针固定;针中段带有螺纹的螺纹针，多用于全针固定。连接杆具有连接、固定各针尾作用，以钢管式、螺纹棒式和钩槽式多见。固定螺栓和螺母主要起连接固定针和连接杆的作用。

外固定器的工作原理

外固定器是利用固定针对骨骼的把持力，以装于肢体外部的固定杆(架)为固定物，构成一个包括固定针、固定器械、肌肉和已准确复位的断骨为一体的不变力学体系，作为断骨部分功能的临时替代物，在稳妥复位、固定的前提下，以保证骨断面上的适宜力刺激及断端良好血运、早期规范锻炼，以达到加速骨愈合，恢复断骨原有功能的目的。

外固定器的类型

随着外固定器的优点越来越广泛地被临床所认识，各种外固定器应运而生，运用范围广泛，从四肢脊柱各段，到掌、跖骨小关节，其功能、样式和用途各异，类型繁多，分类也不同。

(一)根据功能分类

1.单纯固定外固定器

此类外固定器将裸露于皮肤外的固定针用固定螺栓和螺母固定在连接杆(架)上后，不再进行大的调整，可分为固定骨骼外固定器和固定关节外固定器。

2.加压固定外固定器

将骨折线两侧的固定针同时向骨折线方向进行靠拢加压，借此可提高骨折断端间的应压力，可用于治疗骨折的延迟愈合和骨折不愈合，亦可防止骨折端的侧方移位。

3.撑开固定外固定器

多用于治疗伴有塌陷、劈裂的胫骨平台骨折和胫骨远端Pilon骨折，撑开关节间隙，矫正骨折塌陷部分。

4.复位固定器

将固定针与连接杆(架)后，通过对各部件(如万向关节)的调整，对骨折成角、移位进行复位，此类外固定器兼备了复位和固定的功能，因此称为复位固定器。

5.肢体延长外固定器

通过手术截骨或牵引骨骺，借助固定针和连接杆在肢体外面持续对肢体进行牵伸延长治疗，达到恢复肢体正常长度的目的，此类外固定器称为肢体延长外固定器。

(二)根据结构的几何形状分类

1.单边式

固定针为半针固定，所有固定针均在沿长骨纵轴的同一平面。此类固定方法在肢体的一侧穿针，固定针通过对侧骨皮质但不通过对侧皮肤，固定针在骨骼内呈悬臂梁结构(图4-6-2)。其优点是使用灵活，安装简单，调节方便，便于患肢关节早期功能锻炼，缺点是稳定性差，容易发生再移位。具有代表性的单边式外固定器有:牛津力臂式架，Basiiani外固定器，Hoffmann和Wagner外固定器。

2.双边式

此类构形在肢体两侧放置连接杆(架)，两端连接横贯骨干的固定针，固定针主要为全针固定，有时也可以半针辅助固定，固定针与两侧连接杆形成封闭的四边形结构(图4-6-3)，稳定性较单边式好，肢体的两侧受力均匀，使骨折不容易发生再移位，如果连接杆转有调节螺栓，还可以进行骨折断端加压或者肢体延长，但组织损伤较大，灵活性也不如单边式固定。具有代表性的双边式外固定器有: Anderson外固定器，AO双边外固定器，Day Frame，以及我国的夏氏、于氏架等。

3.三边式

用固定针贯穿两个或多个平面来增加固定的稳定，由固定针与肢体平行的三根纵连接杆及连接纵连接杆的四根横连接杆构成三角构形(图4-6-4)，固定针以全针固定为主，第三边采用半针加强稳定性。以前最常用的是ASIF管状架。此类固定组织损伤大，结构复杂，调节不方便，临床已极少运用。

4.四边式

由固定针与四根纵连接杆及连接纵连接杆的四根横连接杆组成(图4-6-5)，这种结构的抗干扰能力强，但调节灵活性最差，临床上已基本淘汰，国外主要应用Vial-Adreny支架。

5.半环形架

这类器械使用2～3个金属半环连接装置在肢体两侧可伸缩调节螺杆，半环上刻有固定针座的滑槽，用针座连接穿在骨干两端的固定针，构成半环槽式构形(图4-6-6)，固定针为全针固定，必要时可半针辅助固定。这类装置稳定性好，调节灵活，用途广泛，能有效防止骨折再移位。还可用于骨折畸形愈合截骨术后的固定，骨折不愈合的加压固定和肢体畸形矫形术的固定，最常见的如孟氏骨折复位固定器，半环槽式外固定器。

6.环形架

用金属环形杆(架)把肢体完全包绕，可在多平面多方位穿针(图4-6-7)，固定针为全针固定，必要时可半针辅助固定。这类装置稳定性好，抗干扰能力强，但穿针较多，结构复杂，调节不方便，临床上已逐渐被半环形架代替。Ilizarov外固定器为其典型代表。

(三)根据固定节段分类

1.节段内固定

又称为不跨关节固定，同一连接杆上的所有固定针均不超出骨折两侧的邻近关节。

2.跨关节固定

是指外固定器同一连接杆上的固定针，超出骨折一侧或两侧的邻近关节，又可分为单边跨关节固定和双边跨关节固定两种。

此外根据外固定器的体积大小还可以分为一般外固定器，如用于躯干和四肢长骨骨折与畸形矫正的器械，和微型外固定器，如用于手足部位及髌骨、尺骨鹰嘴等部位的外固定器械等。

外固定器的优缺点

随着对外固定器的认识越来越深刻，外固定器在治疗各种类型的骨折，肢体畸形的矫正和肢体延长方面，特别是治疗伴有软组织严重挫伤、创面污染的开放性骨折方面有着明显的优势。但与其他任何治疗方法一样，外固定器有自身的优势，也有其不足之处，因此使用外固定器前要了解其优缺点，对于掌握外固定器的适应证非常重要。

(一)外固定器的优点

1.与切开复位内固定相比，外固定器穿针方便、创伤更小，减少了对患者的手术创伤。

2.不剥离骨膜，保护了骨折端的血供，更加有利于骨折愈合。

3.与其他固定支具等相比，外固定器使用固定针固定骨骼更为稳定、牢靠。

4.对于有软组织损伤，创面感染的开放性骨折，不适宜使用内固定时，使用外固定器能减少骨折断端的摩擦引起的疼痛和进一步的软组织、血管和神经的损伤，并为骨折愈合提供前提条件。

5.对于开放性骨折，外固定器的使用方便伤口冲洗引流及创面的换药处理，有利于软组织修复和创面愈合，也避免了切开复位内固定导致伤口感染的危险性。

6.利用固定针对骨折断端施加压力，促进骨折愈合，能用于治疗骨折延迟愈合和不愈合。

7.利用固定针撑开关节间隙，减轻关节面压力，有利于关节面塌陷骨折的复位与愈合，减少创伤性关节炎的发生。

8.外固定器对软组织创伤小，一般不超出骨折的上下关节面，患者能够早期进行关节功能锻炼，避免关节僵硬等并发症的发生。

9.对于肢体畸形的矫正，和肢体延长方面，外固定器比其他固定支具和内固定疗效更为确切，优势更加明显。

10.外固定器拆除方便，不需要麻醉，减少二次手术给患者带来的痛苦。

(二)外固定器的缺点

1.针眼感染 外固定器固定针眼流水、流血，出现炎症，导致感染。

2.针眼异物反应 表现为针眼渗液、流水，分泌物细菌培养阴性，保持针眼引流通畅，一般几天后可以自愈。

3.固定针松动、脱出和断裂 主要与固定时反复钻孔，固定针材质较差，以及患者骨质疏松等因素有关。

4.骨折再移位 多见于单边式外固定器固定肌肉发达的股骨不稳定骨折，容易引起骨折成角或缩短移位。

5.再次骨折 由于外固定固定针应力遮挡，导致固定针位置发生骨折，或者外固定器拆除过早，导致再次骨折可能。

6.骨折延迟愈合、不愈合，或者畸形愈合 主要与局部软组织条件差，外固定器的应力遮挡，固定针对骨折把持力不足，骨折端经常发生错动，以及外固定器拆除过早，早期负重活动有关。

7.影响美观，肢体活动不方便。

外固定器的适应证(图4-6-8～4-6-11)

(一)胫骨开放性骨折是外固定器的最佳适应证，它比内固定组织损伤更小，创面感染率更低，骨折愈合率更高。

(二)其他伴有严重污染的开放性骨折，一般清创后首选外固定器。

(三)长管状粉碎性骨折，复位后往往有缩短移位可能，需借助外固定器牵伸，维持肢体长度者。

(四)合并骨筋膜室综合征的骨折，在切开减压后，使用外固定器，具有引流作用，减轻骨筋膜室内压力，并能降低感染率。

(五)使用外固定固定骨折，有利于断肢再植手术的尽早实施。

(六)肢体畸形矫正，肢体延长时，骨骼位置的维持与固定。

(七)身体状况差，不能耐受内固定手术患者。

外固定器的禁忌证

外固定器的禁忌证较少，主要有以下几点:

(一)进针部位存在炎症或感染。

(二)严重骨质疏松患者。

(三)全身身体状况差，不能耐受手术者。

外固定器使用的时间选择

(一)立即使用

对不稳定性骨折，需牵伸克服肢体缩短、成角移位者，或者开放性骨折需要保持骨折端相对稳定性，为骨折与软组织修复创造条件，以及伴有较大皮肤缺损，需经常换药者，可立即使用外固定器。

(二)延迟使用

穿针部位有较大血肿或者感染者，应待血肿机化以及感染控制后再进行穿针固定。

(三)短期使用

一般骨折可使用外固定器治疗至临床愈合，但部分骨折需要超关节固定，过长时间的固定将会影响关节功能的恢复，因此短期使用外固定器，待骨折稳定后更换其他固定方法，这时外固定器可视为治疗过程的过渡阶段。

外固定器术后的注意事项

常规处理同其他手术，使用抗生素，纠正全身营养状况，以及对症治疗。

局部处理主要包括抬高患肢，一般以高于心脏水平为宜，可以减少肿胀;针眼消毒，每天消毒针眼1次，去除针眼处痂皮;功能锻炼，术后第2天开始练习肌肉收缩，术后1周开始练习关节屈伸活动，稳定性骨折术后3～6周开始部分负重练习，不稳定性骨折术后时间相对延长。

外固定器的拆除的条件与时间

严格掌握外固定器的拆除时间与条件，是获得良好治疗效果的重要前提。过早拆除外固定器，可能导致再骨折或畸形愈合;过晚则容易发生针道松动，渗液以及感染。

(一)外固定器拆除的标准

1.患者自觉患肢有力，下肢可以弃拐行走，上肢推、拉力、握力与健侧相同。

2.X线显示骨痂连续，骨折先模糊。

3.骨折局部无压痛及纵向叩击痛。

4.骨折局部无异常活动。

(二)新鲜骨折拆除外固定的一般时间

股骨转子间骨折9～13周，股骨干骨折6～12周，股骨髁骨折6～8周，髌骨骨折5～7周，胫骨平台骨折6～8周，胫腓骨骨折6～10周，踝部骨折6～8周，肱骨骨折6～8周，尺骨鹰嘴骨折5～7周，尺桡骨骨折8～12周，孟氏骨折6～10周，桡骨骨折6～8周，骨盆骨折8～12周。

拆除外固定的时间与患者年龄、体质，骨折的类型等因素密切相关，因此拆除外固定器时一定要多方面考虑，不可一概而论。

第七节　骨科生物可吸收内固定材料　Biological Absorbable Internal Fixation Materials for Orthopaedics

华中科技大学同济医学院附属协和医院骨科 杨述华

自20世纪60年代后期以来，科学家们纷纷探索和开发生物可吸收材料在医学中的应用。Tormala和Kokaman于1984年首先将生物降解可吸收材料PLA(聚乳酸)应用于临床。聚乳酸类材料因其良好的生物相容性、可靠的力学强度、无毒副作用以及使用方便不需要二次手术取出等优点，在骨科疾病的手术治疗中取得了一定的良好效果。近年来此类材料发展尤为迅猛，因合成工艺的改进及复合成分的变化使得生物可吸收材料本身逐渐完善，成为研究讨论的热点。多种多样的生物可吸收螺钉、钉棒、接骨板、生物膜、缝线、椎间融合器等产品被研究及广泛地应用于骨科临床手术，因其特殊的优点而越来越多地被骨科医生使用以取代传统金属材料。

材料学发展

(一)材料构成

聚乳酸(PLA)与高分子材料几乎同时诞生。早在18世纪的欧洲，人们就从发酵的牛奶中分离出乳酸，并通过直接缩聚的方法得到了最原始的PLA。乳酸是手性分子，它以左旋-(L)和右旋-(D)乳酸两种旋光异构体形式存在，可有以下四种不同形态的聚合物: PDLA、PLLA、PDLLA和meso-PLA，并拥有不同的性能。其中PDLLA和PLLA是两种有规立构聚合物，具有光学活性，聚合物链排列较规整，有较高的结晶度和机械强度，适合用于那些需要高机械强度和韧性的地方，如缝线、钉及矫形器械等。众多的实验研究证实PLA的降解是不需要其他酶参与的简单水解过程，可在体内水解为乳酸进入三羧酸循环，最终产物为水和二氧化碳被机体代谢排出体外。

(二)生物力学

L-PLA的屈服强度为70MPa，延伸率仅为5%～10%，尚不足以满足其在骨组织修复和手术缝合的应用。生物可吸收内固定材料相比于金属材料的最主要缺陷也正是在力学强度以及吸收强度衰减变化过程不可控方面。因此许多学者在此方面进行了大量的研究。20世纪80年代至今，新的塑料增强工艺(包括自身增强、原位合成和拉伸等)的应用使生物可吸收材料的研究得到迅速发展，较之PLLA，有效强度大大增加。

近年来为了改善PLA的力学性能不足，自身增强技术被发明出来，即通过高温和高压下将缝合线纤维烧结在一起，生产出自我强化的柱形PLA棒。Tormala等自增强技术制得自增强聚左旋乳酸(SRPLLA)棒材和螺钉，其初始弯曲强度达到250～271MPa，初始剪切强度可达94～98MPa，植入12周以后其弯曲强度仍有100MPa，36周后才降至10～20MPa达到松质骨水平，在植入的12周时间内剪切强度无明显变化。现在SR-PLLA已广泛应用于制造松质骨和四肢短管状骨骨折的内固定材料，在部分皮质骨骨折的治疗中也取得满意疗效。

为了解决生物可吸收材料有效强度不足，降解不可控等缺点，有学者致力于研究聚乳酸材料与其他材料的复合改性以改善聚乳酸材料的性质。羟基磷灰石(HA)是一种性能良好的骨替代材料，它具有良好的生物相容性和骨传导作用。Zhang等通过溶胶-凝胶法制成HA/PLA复合材料，提高了材料的韧性以满足骨植入替代材料的机械强度要求，同时使得PLA的酸性降解产物可被HA缓冲，并且HA的骨诱导性可为机体提供良好的骨细胞生长环境。

(三)生物相容性与降解

作为一种需要植入人体内的材料，良好的生物组织相容性是必需的，这种材料应具备无毒无致癌作用，不易引起较强烈的组织反应等特点。PLA及其类似产品在人体内可降解成乳酸，进入三羧酸循环，是少数被美国食品和药物管理局(FDA)批准的生物可降解性医用材料。早在1966年Kukarmi通过大鼠实验，证实了PLA是无毒性和无强烈组织反应的生物材料。大量临床试验也证实生物可吸收材料同金属内固定一样不会产生剧烈组织反应。然而有小部分学者在动物实验及临床应用中发现PLA植入人体后，局部出现非特异性炎症反应，少数需要穿刺引流或简单清创，但对骨折愈合和功能恢复无影响。可吸收材料降解速率的控制是材料学上的难题之一，同时也是应用于手术治疗的一个关键因素。单纯的PLA植入机体内两周内相对分子量下降较快，质量下降并不明显，但机械强度的下降明显，植入后6～8周再次出现一个吸收较快的过程，此期相对分子质量、机械强度的下降明显，乳酸释放量明显多于植入后2周。因此其吸收过程可分为潜伏期、吸收持续期及吸收进展期三个阶段。这样的过程尚不能满足大多数的人体骨折内固定需求，然而前文中所提到的新工艺复合可吸收材料的降解过程却能满足要求。

手术内固定应用

(一)可吸收螺钉

可吸收螺钉是目前临床应用最多最广泛的生物可吸收内固定物，应用较为成熟。目前常用聚合物呈聚乙交酯(CR-PGA)和聚丙交酯(SR-PLLA)，其强度为人体松质骨的25倍，剪力强度是16MPA，抗弯强度为300MPA，超过骨皮质，但明显低于金属内固定物，故多用于承重较小部位骨折固定或辅助用于承重皮质骨粉碎性骨折中，目前临床主要用于松质骨骨折、关节内骨折、粉碎性骨折及承重较少的骨折辅助内固定。生物可吸收螺钉的弯曲强度和弹性是松质部骨质弯曲强度和弯曲模量的数倍，足以维持早期对位稳定，促进骨折愈合。

有国外报道使用自身增强型可吸收拉力螺钉(SR-PLLA)治疗Garden2型头下型股骨颈骨折。目前生物可吸收螺钉广泛应用于桡骨头、尺骨鹰嘴、尺桡骨远端及腕舟状骨、踝部、胫骨髁、肱骨内外髁、肱骨头、股骨头等位置的骨折内固定及髋臼周围骨折的治疗，其在肩袖的修复也常被使用。此外我中心在人工全膝关节置换术中出现骨折并发症时使用可吸收拉力螺钉治疗，免除二次手术，减轻患者心理及经济负担，利于术后功能锻炼和恢复(图4-7-1)。

(二)可吸收接骨板(钉板系统)

可吸收钉板内固定系统因其强度缺陷，不能完全满足躯体承重部位骨折手术需要，目前尚处于活跃的研究阶段，也是现在生物可吸收内固定物中前景最大的一种产品，早先在口腔及整形外科手术中已有较多的应用。最近，美国枢法模公司生产出颈椎前路钉板系统以得到较多的临床应用，我中心已开展数十例颈椎前路减压植骨融合可吸收板内固定术(图4-7-2)，进一步随访及其与传统金属板内固定手术方式的比较还在统计研究中。

Bozic、Waris等通过临床使用PLLA可吸收微型接骨板治疗掌指骨骨折，并与钛板相比较，发现两组治疗效果无明显差别，且前组并发症明显小于后者，取得了令人振奋的发现。

虽然可吸收接骨板应用于承重区骨折仍有强度缺陷，但研究者们已在材料工艺及机械设计优化上着手改进。合理的设计可以极大的弥补材料本身的性质缺陷，从而使其到达使用目的(图4-7-3，图4-7-4)。

笔者看好生物可吸收内固定钉板系统的使用前景，虽然目前仅应用于非承重区域骨折及颈椎前路手术的内固定治疗，但是相信随着生物材料学及骨科手术的迅猛发展，生物可吸收钉板系统必将克服重重缺点，在不久的将来广泛应用于临床手术治疗中。

(三)可吸收髓内棒

国内学者经过一些生物力学与临床研究，发现将PLA棒置入短管状骨髓腔内，通过轴心固定治疗骨折并取得满意效果。以把握好手术适应证为前提，可吸收棒髓内固定治疗短管状骨骨折，具有操作简便、固定可靠、不需要二次手术取出等优点，是一种有效的治疗方法。

(四)可吸收椎间融合器

在颈椎及腰椎椎间融合器方面的研究也同样是当前生物可吸收材料的研究热点，传统上脊柱损伤均采用金属材料进行支撑固定，而在生物可吸收椎间融合器方面已经取得许多可喜的研究成果。Zhou等人在山羊模型下比较生物可吸收椎间融合器与钛笼融合器(图4-7-5)，将山羊分组行手术处理，从术后影像学、功能恢复、解剖病理、材料生物力学变化等角度全面比较二者，肯定了前者的疗效及优点，证明了生物可吸收椎间融合器有应用于人体临床手术的可行性。Van等人将PLLA椎间融合器和金属融合器分别植入21只山羊的L3～4椎体间隙，后分别于术后第6个月、第12个月取出融合器，他们发现PLLA融合器的机械性能和外形可维持6个月以上，且抗压缩强度高于金属融合器，没有应力遮挡，是椎体融合的可靠材料。多名外国学者的研究均证实PLA-cage的腰椎稳定性与正常腰椎间盘的稳定性基本一致，有希望替代金属材料而提供一种新的手术选择。目前可吸收椎间融合器已进入临床试验阶段。

(五)生物可吸收膜

生物可吸收膜本身虽不能作为内固定物，但是在骨科内固定手术中仍然有广泛的使用。它具有良好的生物相容性及血液相容性，可以起到隔离易粘连的组织或器官的作用，将瘢痕组织局限从而不会影响创口的愈合及肌腱面的修复。手术中将该膜置于手术创面、肌腱、硬膜外等周围组织之间，利用膜的屏障作用有效阻止成纤维细胞侵入手术创面，从而防止组织粘连。此外，PLA材料本身具有骨诱导性与骨传导性，作为骨细胞培养的支架可促进成骨细胞增长并诱导增殖，展现了生物可吸收膜的使用前景。

(六)可吸收缝线

传统的手术伤口及韧带组织缝合采用丝线，易引起组织的炎症反应及瘢痕形成;传统的髌骨骨折及少数粉碎性骨折术中采用钢丝内固定的方式，易引起患者不适感或导致骨折延迟愈合或不愈合。1975年应用PLGA制作而成的手术缝合线投放市场，即受到外科医生的青睐，目前已发展为可吸收手术伤口缝合线、韧带缝合线、半月板缝合线及软骨缝合线等。该种缝合线具有较高的机械强度、较大的拉伸比率及较低的收缩率，其引起的组织反应小，可被人体吸收，因此更适合于手术缝合使用。用PLLA棒结合PDS-Ⅱ可吸收缝线以张力带的形式治疗髌骨骨折，膝关节功能恢复满意。另外在粉碎性骨折固定复位不满意的情况下以可吸收缝线捆扎碎骨块，使其紧密对合，达到解剖复位，利于术后愈合恢复的使用方式也有诸多报道。

生物可吸收材料与金属内固定材料的比较

(一)可吸收内固定材料优点

生物可吸收内固定材料的优势明显，因此才有如今迅猛的发展和可观的前景，其相比较于传统合金金属材料优势主要体现在:

1.生物可吸收内固定材料具有足够的力学强度、维持时间和良好的生物相容性，对机体无毒无害，炎症反应较少。

2.因被机体吸收而不需要二次手术取出内固定物，极大地减轻了患者的身心痛苦与经济负担，减少感染机会。

3.弹性模量与松质骨接近，早期可满足稳定固定的要求，在接骨后期无应力保护，允许微小活动并能将生物应力刺激逐渐转移到骨质上，促进骨折愈合和骨质生长，减少骨质疏松。

4.有成骨诱导作用，并为成骨细胞提供支架作用，进一步促进骨折愈合生长。

5.无金属电解作用。

6.固定物在体内48小时有自身膨胀现象，可使固定更加牢固。

7.无菌包装，不需要消毒，使用方便。

生物可吸收内固定材料的这些优势符合骨折治疗的要求和骨折愈合生物学过程的需要，也满足临床实际工作的需要，是传统的金属内固定材料无法比拟的。

(二)可吸收内固定材料缺点

生物可吸收内固定材料发展时间尚短，并有诸多技术难题尚待解决，较之传统金属材料使用上仍有一定局限性，其主要的缺点体现在:

1.生物可吸收内固定材料的机械强度仍有缺陷，目前尚不能满足于承重骨区域的手术要求。

2.吸收速率不完全可控，降解速度与骨折理想愈合时间上尚未达到平衡契合。

3.降解后局部酸性物质聚集，易引起无菌性炎症反应，部分降解缓慢的残留物可引起迟发性异物反应。

4.材料价格较传统金属贵，商品规格品种型号太少，无法满足大量临床手术和诸多特殊情况的需求。

5.术中及术后X线不显影，提高手术难度，不利于术后评估。

6.因使用年限短，临床经验尚不完善，仍可能有不可预知并发症存在。

金无足赤人无完人，随着科学技术与临床水平的不断提高，以上材料的缺点必将一一克服，生物可吸收内固定材料在未来医学中定能起到更加重大的作用。

生物可吸收内固定材料未来展望

生物可吸收内固定材料本身性质的改善是未来国内外材料学、医学工作者研究的重点。通过新的合成方式的调整及生产技术工艺的改进，可以使材料本身的生物力学强度得到增加;辅以新的添加物或利用可控的生物反应也许能将材料在机体内降解过程加以控制，最终达到骨科医师临床手术所需求的可吸收内固定材料水平。研究者也可以跳出目前思维的束缚，寻找PLA类似物以外的新的生物相容材料。

生物可吸收材料表面如能增加促骨折愈合的生物活性物质或抗菌物质，以生产出复合型、功能型的内固定器，将是生物可吸收材料在骨折治疗中的又一个重要研究方向。

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