江蘇鐳射聯盟導讀：

生物陶瓷植入物可以刺激天然顱骨的再生，因此，即使是較大的顱骨缺損，也可以透過以前不可能的方式進行修復。由哥德堡大學、卡羅林斯卡學院、烏普薩拉大學組成的研究團隊開發出了被稱為生物陶瓷(BioCer)的植入物，該研究成果於2020年10月27日已發表在科學雜誌《 PNAS》上。

目前顱骨缺損的重建對患者、醫療系統和社會構成了重大挑戰。理想情況下，引入到缺損部位中的材料應該促進缺陷部位結構和功能恢復的生物反應。

由於骨胳來源不同，骨植術分為自體骨移植及同種骨移植。自體骨移植透過從身體其他部位採集的骨頭來填補缺損。但是，相對較高的吸收、突出和感染率以及供體部位的高發病率仍然是主要障礙。目前已經引入了幾種同種異體材料作為替代品，包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚醚酮(poly-ether-ether-ketone, PEEK)、聚乙烯、鈦和可注射/可模塑的磷酸鈣基骨水泥。這些材料的主要缺點是骨骼和軟組織整合不良，可能導致植入物暴露、感染，並最終導致植入物脫落。同時從身體其他部位移植骨骼在兩個部位都存在風險，即移除組織和放置組織的風險。顱骨成形術雖然很常見，但其併發症發生率和費用較高，因此需要基於生物材料的新型創新解決方案。

因此，來自瑞典的哥德堡大學、卡羅林斯卡學院、烏普薩拉大學組成的研究團隊開發出了被稱為生物陶瓷(BioCer)的植入物。它由一種專有的3D列印生物陶瓷材料（主要由礦物質蒙脫石組成）製成，安裝在一個鈦框架上，鈦框架的形狀就像需要填充的洞。

▲圖1. 含BioCer植入物人體顱骨模型

研究人員使用由鈦框架和生物陶瓷(BioCer)組成的3D列印顱骨植入物，對綿羊形成的具有成熟\血管良好的骨以及相關的骨膜和骨內膜的外科手術造成的顱骨缺損的長期修復（12個月）進行實驗。

圖2. 植入物的設計和表徵。

▲圖解：(A)在羊頭骨中使用的實驗性生物陶瓷（BioCer）植入物由磷酸鈣磚組成，並透過增材製造的鈦合金框架和內建低矮固定臂（黑色箭頭）進行加固和互連。指示了空隙空間（白色箭頭）。(B)羊頭骨中使用的鈦（Ti）植入物（對照）的設計和尺寸與BioCer相似，但完全由增材製造的Ti（23級）製成。

12個月後，BioCer植入物顯示出綿羊顱骨缺損中的缺損修復和軟組織適應性。相比之下，鈦植入物周圍的軟組織收縮明顯，面板和硬腦膜側面可見金屬。

圖3. 十二個月後綿羊頭骨植入和檢查（組織學和組織形態計量學）。

▲(A)用生物陶瓷（BioCer）或鈦（Ti）植入物治療頂骨缺損。A中的虛線表示取回後的組織切片的位置。12個月後，BioCer似乎在面板(B)和硬腦膜(C)兩側均很好地整合，而對於Ti，在面板和硬腦膜的兩側均觀察到部分軟組織覆蓋和可見的金屬表面（黑色箭頭） 。(D和E)對應於A中黑色虛線的調查橫截面。(A–K)甲苯胺藍染色切片的顯微照片，顯示Ti(F，H和J)和BioCer(G，I和K)植入物。Ti顯示出具有中央血管(BV)的新骨質骨(NOB)，主要是從天然受體骨(RB)向內生長(如圖F和H所示)，而新骨(NB)形成在Ti的中心植入物未顯示出良好改造的結構(如圖J所示)。使用BioCer，存在大量的NOB，中心BV填充缺損的不同區域，如外圍(I)和中心(K)區域所示。Ti的面板和硬腦膜側面覆蓋有厚的纖維囊(FC)，而BioCer顯示分別在面板和硬腦膜側面形成了骨膜(PO)和骨內膜(EO)。

皮下部位的異位骨形成

3個月後，肉眼沒有觀察到對BioCer或Ti植入物的不良反應(圖4A和B)。組織學分析表明，在BioCer植入物的皮下(s.c.)部位異位骨形成(圖4D, G, H, J和K)，而不是Ti植入物(圖4C)。在部分降解的材料的表面和凹陷中檢測到骨頭。儘管具有層狀結構（叢狀），但該骨具有新形成的骨的特徵。經常檢測到成骨細胞、成骨細胞接縫和血管。通常在BioCer表面觀察到大的多核細胞(圖4 I和L)。多核細胞似乎與材料腐蝕有關，因為它們與被腐蝕的表面有關，並表現出BioCer顆粒的吞噬作用。

植入後3個月的綿羊背側s.c .調查(組織學)。

▲圖解：(A和B)宏觀上沒有觀察到鈦(Ti)或生物陶瓷(BioCer)的不良軟組織反應。A和B中的虛線表示組織切片的位置。(C和D)調查用的光學顯微照片顯示了兩種植入物型別(Ti和BioCer)，每種型別由六塊瓷磚和五個狹縫組成，與s.c相連。組織朝向面板（頂部）和肌肉（底部）兩側。使用BioCer（如D所示）檢測到新骨（紅色染色），但未檢測到Ti（如C所示）。使用軟體網格（E）在組織學上確定不同ROI中骨骼的患病率，資料列在表（F）中。得分記錄如下：-在12個矩形中的任何一箇中均未檢測到骨骼；+，在12個矩形中的1-4箇中檢測到骨骼；++，在12個矩形中有5–8個檢測到骨骼；和+++，在12個矩形中的9–12箇中檢測到骨骼。統計上的顯著差異由井號（P = 0.027; n = 6）和星號（P = 0.042; n = 6）表示。使用配對的Friedman和Wilcoxon符號秩檢驗進行比較。（GL）甲苯胺藍染色切片的光學顯微照片顯示BioCer植入物中異位NB的形成。NB直接在BioCer表面上形成，具有典型的成骨細胞（Ob）外觀，沉積一層深色的類骨質，以及嵌入NB的骨細胞（Ot）（某些成骨細胞和骨細胞由白色箭頭指示） 。在異位NB附近發現帶有血管（BV）的疏鬆結締組織（LCT）。與BioCer表面的凹陷相關的多核細胞（MNC）經常遇到。一些MNC似乎包含物質顆粒（L中的黑色箭頭）。在其他區域，被吸收的BioCer表面中的凹坑被成骨細胞（Ob）佔據，NB緊鄰間充質樣幹細胞（MLC）和BV（如K所示）沉積NB。

臨床修復

種植前透過計算機斷層掃描(CT)指示骨形成和橋接。宏觀上講，BioCer植入物在植入時與血管良好的骨骼和軟組織整合在一起（圖5A和B）。

圖5. 21月後從人類頭骨中取出的臨床植入物的研究（組織學）

▲圖解：(A)照片顯示了手術皮瓣的解剖結構和高度，以揭露要取出的生物陶瓷（BioCer）植入物。(B)在植入物取出之前進行的CT掃描顯示21 mo後植入受者頭骨中的植入物。定製的植入物由鐳射切割的鈦（Ti）框架組成，框架被多個相互連線的六角形BioCer瓷磚包裹。兩個相鄰的Ti網格（過渡區域）之間的接縫[B中的（Ti）表示]未被BioCer覆蓋，並且具有較大的空隙空間。B中的紅色，綠色和黃色編碼的圖塊是外圍，中央和過渡區域的示例，這些區域隨後進行了處理和分析。(C–E)分別與B中的外圍（紅色）、中心（綠色）和過渡（黃色）區域相對應的顯微照片。

事實證明，陶瓷的成分和它的緩慢分解相結合，對大面積顱骨缺損的骨形成非常有利。這一原理將與現有的骨移植以及塑膠和金屬植入物的治療原則相競爭。

本文來源：Omar Omar et al. In situ bone regeneration of large cranial defects using synthetic ceramic implants with a tailored composition and design, Proceedings of the National Academy of Sciences (2020). DOI: 10.1073/pnas.2007635117