四肢骨缺损治疗的研究进展
作者：刘冰川、周方、田耘、姬洪全、张志山
来源：中华创伤骨科杂志, 2019,21(6)
骨缺损是由创伤、感染、肿瘤及先天疾病等多种原因造成的复杂病理学变化，缺损的部位、周围软组织情况及患者的全身状况都会对疾病进展及治疗结果产生重要影响。骨缺损的治疗一直是骨科医生面临的严峻挑战，治疗周期长且尚无统一的治疗金标准，使得患者在就医过程中承受着巨大的身体及心理痛苦。临床上可供选择的手术方案主要包括骨移植技术、Ilizarov技术、Masquelet技术、Cylindrical mesh技术、单边外固定支架和六轴外固定支架技术等。随着组织工程学及材料学的革新发展，多种骨替代材料也逐渐在基础研究及临床骨缺损治疗中发挥着重要作用，再辅以3D打印技术及显微外科技术，新的治疗方法及技术正逐渐改变着骨缺损的治疗理念。
本文将系统地介绍骨缺损治疗相关技术的研究进展，从技术发展、手术实施、基础研究及临床应用等多方面进行综述，旨在为骨科医生的治疗选择提供参考与帮助。
骨移植技术是指将骨或骨替代材料填充于骨缺损区，以重建骨干的完整性并实现局部的力学稳定。移植骨的来源包括自体骨、同种异体骨或异种骨。自体骨因成骨性、骨诱导性及骨传导性都接近缺损区原始骨，同时不会发生免疫排斥反应及传播疾病，自体骨移植曾被认为是治疗骨缺损的'金标准'。Taylor等[1]在1975年首次报道了使用带血管蒂的自体腓骨移植成功治疗超过6 cm的骨缺损。之后更多的研究报道也证实了该技术治疗大段骨缺损的有效性[2,3,4]。当患者骨缺损范围较大（长度>4 cm）或者为了避免取自体骨对患者造成二重伤害时，可以选择进行异体骨移植，其优势在于数量充足且可塑性强，但有发生免疫排斥反应的风险。Bishop和Pelzer[5]曾报道用同种异体骨移植治疗大段骨缺损，由于术后出现免疫排斥反应，患者长期接受免疫抑制疗法治疗。
对于感染性骨不连遗留的骨缺损，Papineau植骨（开放性植骨）也是可供选择的治疗方案，即感染区彻底病灶清除后伤口敞开1~3周，再行自体或异体松质骨移植，最后进行皮瓣移植修复。Yin等[6]及Bao等[7]先后报道应用Papineau植骨治疗感染性骨缺损，都取得了良好的临床疗效。对于合并严重软组织损伤的骨缺损，可选择复合组织瓣进行治疗，常见的有腹股沟-髂骨和小腿外侧-腓骨复合组织瓣。Wang等[8]将以腓动脉为蒂的皮瓣和腓骨进行复合移植，游离腓骨最长达16.5 cm，最大皮瓣切取面积为25 cm×10 cm，最终都获得满意的临床疗效。
为了弥补自体骨来源有限及异体骨免疫排斥反应重的不足，各种骨替代材料伴随着生物材料技术及组织工程技术的发展应运而生，主要包括高分子材料、陶瓷类材料、金属材料、复合材料及组织工程骨等。高分子材料的生物相容性、可降解性及可塑性良好，但存在机械强度及生物降解速率与人体骨不匹配的缺点，且其降解产生的代谢物可能会导致局部生物环境失衡，进而影响细胞生长，导致炎症发生[9]。陶瓷类骨替代材料拥有良好的力学性能及稳定的空间结构，具有代表性的生物活性玻璃及羟基磷灰石已得到广泛的研究与应用[10,11]。但此类材料具有弹性模量高、脆性大和抗疲劳性能差等缺点，限制了其应用于承力较大的骨修复。医用金属材料具有高强度、耐疲劳、延展性和重现性好的优点，多孔金属材料在结构和机械性能方面与骨小梁类似，有利于骨组织向其内部生长并获得早期稳定。非可降解钛合金植入材料在大段骨缺损治疗中的有效性已被证实[12,13]，但其潜在如弹性模量过高、植入区组织反应重及金属离子缓慢溶出等问题。可降解金属植入材料以镁、锌、钽及其合金为代表，其解决了高弹性模量材料远期带来二次骨折的问题，但同时也带来了降解速率难控影响力学强度、降解产物对局部环境及体内环境产生不良影响的潜在隐患。复合骨替代材料综合了天然及人工合成材料的优点，并可在复合材料中载入生长因子、生物蛋白、细胞及抗生素等，同时发挥促进骨、软骨形成，以及预防和控制局部感染的作用。但是，复合骨替代材料多处于基础实验研究阶段，材料性能的探索、相关机制的深入研究及适应证的准确化等都需要更多的基础及临床研究数据加以佐证。
Ilizarov技术，又称牵张成骨技术，最早于20世纪50年代由G. A. Ilizarov医师提出[14]，能够一次性解决骨缺损、骨不连及肢体短缩3个难题。该技术遵循张力-应力法则，通过在体外调节支架环距可促进骨生长与重建，且轴向加压及缺损区骨端微动可进一步刺激骨的再生。Ilizarov技术的手术过程首先要彻底清除病灶的感染及坏死组织，选择合适的范围进行截骨后安装外固定支架，调整各环的间距以适应缺损长度。术后每天按照节律（常规为0.75~1.00 mm/d）调整环距以实现缺损区骨端的缓慢牵张，逐渐完成新骨重建。同时，术后定期复查患肢X线片以观测力线和延长端骨矿化程度，必要时调整牵张的速度和频率。
Ilizarov技术自问世以来，在骨缺损修复、畸形矫正、创伤后骨感染或骨不连等各方面得到了广泛应用。Papakostidis等[15]通过分析37篇应用Ilizarov技术治疗下肢大段骨缺损的相关文献（共898例患者），认为该技术可有效治疗骨缺损，术后二次骨折的发生率为5%，合并神经、血管损伤的概率为2.2%。杨永强等[16]和辛晓林等[17]报道应用Ilizarov技术分别治疗31、60例感染性骨缺损患者，远期随访均获得满意的临床效果。对于合并严重软组织损伤的创伤后骨缺损，可联合皮瓣移植技术同时重建骨与软组织缺损。Xu等[18]运用皮神经营养血管皮瓣联合Ilizarov技术治疗18例下肢创伤后复合组织缺损患者，其中最大牵张距离为9 cm，最大皮瓣覆盖面积达15 cm×20 cm，经平均38.8个月随访，所有患者获得满意的外观和功能。
Ilizarov技术的优势在于医生可在患者体外操作，并同时矫正患肢的短缩与畸形。在逐渐牵张的过程中，外固定支架的刚性固定逐步向弹性固定转变，更适用于神经、血管等软组织的重建和塑形。但是，Ilizarov技术也存在不足：一方面临床操作繁琐，治疗周期相对长，外固定支架体积大影响患者生活等；另一方面会出现如钉道松动、感染、再骨折等并发症，也会出现成角畸形、对位不良及软组织嵌入等情况，严重时需要再次手术治疗。
为了进一步优化Ilizarov技术，有学者提出了进行反复的压缩-牵张（即'手风琴'技术）以加快骨的再生，相关动物实验结果支持在早期进行压缩-牵拉，认为这样有利于骨痂形成[19]。Wu等[20]的临床研究表明，与传统方法相比，反复压缩-牵张可缩短骨愈合时间并提高愈合率，但在整体治疗效果方面二者并无明显差异。也有一些医师联合Ilizarov技术和骨移植技术进行大段骨缺损修复，Semaya等[21]运用带血管蒂的游离腓骨移植以辅助Ilizarov技术治疗14例创伤后骨缺损患者，手术时间缩短，创伤小，最大限度地保留了局部血供，所有患者均获得满意的骨愈合。此外，在Ilizarov环形外固定支架基础上发展出现的六轴外固定支架以及单边外固定支架也可以在骨缺损的治疗中发挥重要的作用[22,23]。
Masquelet技术，又称膜诱导技术，由Masquelet医师在1986年首次提出，他在1986年至1999年期间采用该技术治疗35例长骨缺损患者，获得了满意的临床疗效[24]。Masquelet和Begue[25]的进一步研究也证实了使用诱导膜和植骨相结合的方法优于单纯植骨或单纯诱导膜修复的成骨效果。Masquelet技术应用的前提是骨缺损区有良好且完整的软组织覆盖，其实施分为2个阶段：一期行彻底病灶清除，修整缺损区骨端并用外固定支架将其固定，将聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate，PMMA）骨水泥假体置入骨缺损区；二期（4~6周后）待PMMA假体周围形成诱导膜后，取出Spacer并在缺损区充分植入颗粒骨。对于感染性骨缺损，需在PMMA骨水泥中混入适量的抗生素（目前常用万古霉素），以进行局部抗感染治疗。Masquelet技术产生的诱导膜比正常骨膜厚，其中的活细胞数约是正常骨膜的11倍[26]。多项动物实验研究表明诱导膜内含有大量的Ⅰ型胶原细胞、成纤维细胞与少量的巨噬细胞等，并有密集排列的小血管系统，还可分泌如骨形态发生蛋白、转化生长因子及血管内皮生长因子等，促进骨再生[27,28]。
Masquelet技术的适用范围广泛，包括：①创伤性骨缺损。Sivakumar等[29]采用该技术治疗1例缺损长度为6 cm的股骨远端和1例缺损长度为7 cm的胫骨远端开放性骨折患者，最终骨缺损均实现修复重建。邱旭升等[30]报道了10例应用Masquelet技术治疗的创伤性大段骨缺损患者，平均缺损长度为5.1 cm(2~15 cm)，术后平均随访2.8年，仅1例患者因植骨量少而未愈合，其余9例患者均获得骨愈合。②感染性骨缺损。Mühlhäusser等[31]回顾性研究了8例开放伤合并感染的胫骨干骨折患者，经过多次软组织病灶清除后控制感染，再行Masquelet技术进行治疗，术后疗效满意。丁国成等[32]及傅景曙等[33]分别报道了应用Masquelet技术治疗53、107例下肢感染性骨缺损患者，骨愈合率分别达92.5%、94.4%。③ Masquelet技术在骨肿瘤领域也有一定作用，有文献报道其可用于儿童肿瘤切除后的大段骨缺损[34,35]。但由于肿瘤患者手术前、后需要放、化疗，可能会影响诱导膜内生长因子的生物活性，导致植骨后骨吸收、骨不连及再骨折等并发症。对于自体骨难以满足植骨量要求的大段骨缺损，Aurégan和Bégué[36]建议可将自体松质骨与同种异体骨进行混合使用。傅景曙等[33]在二期植骨时部分混合了同种异体骨，也未影响治疗效果。
Masquelet技术的优势在于适用范围广，可应用于大段骨缺损的治疗，且没有显微外科技术的要求，供区并发症相对较少。但该技术仍存在如缺乏诱导效果更强且具有生物活性的诱导材料，以及移植骨来源有限等不足[26,37]。因此，将Masquelet技术与组织工程技术相结合，以具有良好生物性能的人工材料替代PMMA骨水泥和自体骨完成2个阶段手术，具有更重要的研究价值。
Cylindrical mesh技术，即圆柱钛网植骨技术，最初由Cobos等[38]在2000年提出，他们将填有同种异体骨的圆柱形钛网植入胫骨缺损处并辅以髓内钉进行固定，术后1年随访2例患者均获得稳定的骨愈合。Cylindrical mesh技术的优势在于缺损区植入装有移植骨的钛网并稳定固定可通过一期手术完成。Attias和Lindsey[39]应用该技术治疗3例Gustilo Ⅲ B型合并重度骨及软组织缺损的胫骨骨折患者，平均骨缺损长度达12.2 cm，术后1年随访证实所有患者均获得满意的骨愈合，患者下肢各关节活动未受到明显影响。Cylindrical mesh技术更适用于难以耐受多次手术的患者，但该技术对缺损处的软组织条件要求较高，缺损较大时植骨来源受限，制约着其在临床的广泛应用。
随着基因工程技术的不断发展，将相关目的基因通过载体导入靶细胞，进而表达特定的生长因子蛋白以促进骨折愈合成为研究热点。Zhou等[40]及Yan等[41]分别报道了应用重组骨形态发生蛋白-2及骨形态发生蛋白-7治疗骨折、骨缺损的实验研究，结果显示骨修复均得到加强及促进。另外，将目的基因与载体靶细胞结合形成骨组织工程种子细胞，载入合适的生物支架材料构建人工骨可进一步发挥2种技术的优势，允许基因载体受控地缓慢释放到周围组织及细胞中，保证其稳定且持久的治疗效果。但是，生物安全性问题依旧是基因技术应用于临床的主要瓶颈，相信随着各相关领域技术的发展，人造组织工程骨必将发挥更大的作用[42]。
3D打印技术可实现骨缺损植入物的个性化设计，其宏观外形及内部微孔结构可与患者的骨结构相匹配，不同的骨替代材料可使植入物具备更好的骨重建及骨修复性能。Tetsworth等[13]应用该技术治疗2例股骨大段缺损患者，结合术前影像学数据设计假体并植入缺损区，分别应用髓内钉及锁定钢板固定假体，术后患者可早期负重并进行功能锻炼。本课题组正在进行的探索研究是将Masquelet技术与3D打印技术相结合，在诱导膜内植入个性化设计制备完成的微孔钛合金假体进行骨缺损重建，辅以髓内钉进行稳定固定，目前的短期随访可见假体外围有骨痂包绕生长。我们植入的3D打印钛合金假体未载生物骨材料及生物活性因子，依靠假体与骨缺损端接触面的轴向应力与微动，以及诱导膜的成骨活性作用，刺激机体的自身成骨潜能，实现骨痂生长及骨缺损重建。在不久的将来，应用3D打印技术制备具有理想生物力学强度及骨诱导性能的可降解植入物进行骨缺损重建，将会具有更广阔的应用前景。
几种治疗四肢骨缺损的技术特点详见表1。
在组织重建研究领域，外形与功能的恢复是重建的两大核心主题，材料与技术是重建的两大关键问题。一方面要利用新技术与新材料的紧密结合，使骨替代植入物的生物相容性、机械性能、降解性、形态及孔隙等各方面特性满足治疗骨缺损的临床要求；另一方面临床医生应进一步优化手术操作，缩短治疗周期并降低并发症，减轻患者的痛苦，为每例患者提供最优的个性化治疗方案。
参考文献：略