整形外科解讀：99-7 植入材料
介紹
雖然自體組織通常是首選，但植入材料在整形手術中具有廣泛的應用，包括重建或增加軟組織缺陷，骨畸形或骨折固定。選擇種植體材料取決於其應用的具體要求。例如，組織向內生長成聚丙烯網或骨替代物的剛性摻入通常是可取的，而硅樹脂獵人桿的包封（或缺少組織向內生長）允許隨後的肌腱移植物滑行。
自體組織在許多臨床情景中可能更合適，包括放射治療史，周圍組織的邊緣血液供應或植入物上微弱的軟組織覆蓋。在這些情況下，植入相關併發症（包括感染和植入物擠壓）的風險是重要的，如果可能，應避免使用異種植入物。
然而，植入材料可以在選定的情況下用作自體組織的替代物，並且在特定情況下優於自體組織。可以產生植入材料以不再吸收，並且優選用作當用作植絨移植物時將吸收的自體移植物。例如，植入物已經成功地用作軌道底板重建，顱骨成形術和頜面重建中的骨移植替代物。它們具有避免移植物收穫的手術時間和供體位點發病率不足的優點。
歷史
人造材料的首次記錄使用量可以追溯到30,000 B.C.這些材料用作縫線。第一次記錄的植入物被認為可追溯到3,000B.C.秘魯之前的印加人使用金，銀或堅果殼等材料來修復重擊缺陷。不過最近的調查使這些報告受到質疑。無論如何，在未來的五千年中，植入物的使用受到感染和異物反應的限制。醫學植入物的現代時代經常歸功於英國眼科醫生哈羅德·里德利（Harold Ridley），他指出，無意中植入飛行員眼睛的噴火冠層塑料沒有不良反應。根據這一發現，他於1949年開發並將第一個人工晶體植入人體。由於外科醫生，工程師和科學家繼續創造出新的植入材料，很明顯，理想的植入物具有某些特性。 Cumberland和Scales描述了理想植入物的性質，如表7.1所示。值得注意的是，雖然這些標準近60年前出版，但它們仍然是現代生物材料製造商試圖實現的基礎性質。
為了本章的目的，植入材料將分為以下一般類別：金屬，聚合物，陶瓷，膠水，皮膚替代物和生物假體網格（表7.2）。
金屬
為了達到醫學應用所需的機械和生物物理性能，已經開發了金屬（合金）的組合。這些合金的設計是惰性的，並能承受人體內的腐蝕性環境。由於金屬在變形或疲勞後不能自身修復，它們必須具有超過其支撐或替換的天然組織的性質的機械性能（即，金屬必須比天然組織更堅固和更硬）。
不鏽鋼
自20世紀20年代以來，不鏽鋼已被用作生物植入物。醫療級不鏽鋼，鐵鉻鎳合金具有較高的拉伸強度，但容易變形（彎曲）。雖然這在一些應用中是有用的，例如用於上頜骨修復的拱桿的應用，但是總體上這些機械性能比其它目前可用的材料如鈷鉻和鈦不太理想。此外，不鏽鋼將金屬離子浸入周圍組織，引起炎症反應和疼痛。不鏽鋼目前用於手術線和拱桿。在過去，骨固定系統使用不鏽鋼，但其他合金在本應用中已經取代了不鏽鋼。
鈷鉻
歷史上，鈷鉻合金是人類最重要的生物材料之一。金屬鉻，鈷鉻鉬（Co-Cr-Mo）合金首先在1932年被描述，以解決不鏽鋼所經歷的一些問題。 Co-Cr-Mo合金用於早期顱面微型板和螺釘，徹底改變了現場。 Co-Cr-Mo合金的主要缺點是計算機斷層攝影（CT）成像中的散射偽影。由於這一點和其他優點，鈦在大多數生物醫學應用中已經基本上替代了Co-Cr-Mo合金。
鈦
商業級醫療鈦植入物在20世紀80年代初期被引入，並且在醫療應用中幾乎完全替代了其他合金，因為它們更堅固，更輕，具有較高的耐腐蝕性，並且引起較少的炎症。鈦還具有較小的剛度，這導致較少的應力屏蔽（局部的骨質減少二次對植入物保護骨骼免於正常負載）。最近有些公司也引進了鈦合金種植體。合金比純鈦更堅固，允許更薄的板，而不損害其整體強度。純鈦或鈦合金（具有小於0.5％的鐵）具有兩個額外的有益特性：它們不會掉下金屬探測器，並且不會在CT或磁共振成像研究中產生顯著的偽像。最後，鈦可以與周圍的礦化骨形成化學鍵，而不會在植入物和骨之間形成纖維組織。這種獨特的特徵允許鈦用於創建骨整合植入物。這些合金的整形手術應用包括用於固定骨和鈦網的板和螺釘，用於諸如軌道壁重建的應用（參見圖7.1）。
表 7 . 1
理想種植體的性質
表 7 . 2
植入材料
圖 7.1.? 鈦板用於中間面重建。 L形和曲線2.0mm的板，長度為7,5和3mm的螺絲（從左到右）。
金
雖然金是化學惰性的，但其純粹的形式具有差的機械性能。當需要強度（例如，在牙齒填充物中）時，使用金合金。對於拉傷眼患者的眼瞼重量等應用，其強度不成問題，使用24克拉金合金（99.9％w / w純度）來確保化學惰性。
鉑
白金是一種惰性金屬，是需要眼瞼植入物對金眼敏感的患者的首選材料。白金具有比金更高的密度，因此眼瞼植入物具有較低的外形，並且比金植入物不太明顯。然而，含鉑的一些製劑已被證明是免疫原性的，並引起了對長期接觸的擔憂。鉑也用作形成一些聚合物的催化劑，包括生產用於凝膠乳房植入物的醫用級硅膠。
聚合物
聚合物是由重複單體子單元組成的分子。聚合物的物理特性由單體的結構，聚合物鏈中單體單元的數量和交聯度來定義。聚合物鏈交聯時，它們獨立移動的能力降低。因此，具有很少交聯性的聚合物可能作為液體存在，而具有豐富交聯的相同聚合物變成「凝膠」或「固體」。
有機硅
硅膠可能是今天繼續使用乳房植入物的最噁心和誤解的植入物質。硅膠凝膠填充的乳房植入物於1962年首次在美國引入。多年來，對殼和凝膠進行了多種變化和修飾，旨在改善乳房增大的結果並減少相關併發症。 1992年，美國食品和藥物管理局（FDA）表示，「不足以顯示乳房植入物的信息是安全有效的」，並暫停使用硅膠凝膠乳房植入物進行美容，但允許在乳房切除術後繼續使用重建糾正先天性畸形，或由於醫療或手術原因替換破裂的硅膠填充植入物。衛生和人類服務部（HHS）隨後任命了美國國家科學院醫學研究所（IOM），開展了最廣泛的醫學史研究。 1999年，國際移民組織發布了一份關於鹽水填充和硅膠凝膠灌注乳房植入物的綜合報告，發現「證據表明疾病或病症如結締組織疾病，癌症，神經系統疾病或其他系統性投訴或病症是在沒有植入物的婦女中，乳房植入物的女性不常見。「
2006年，FDA的禁令被取消。作為批准過程的一部分，FDA要求兩家批准的製造商對40,000名婦女的裝置進行10年的研究。幾個著名的科學機構（例如，IOM和英國衛生部）的廣泛調查未能證明全身性疾病與硅酮有關。關於最近描述的乳房植入物接受者中的間變型大細胞淋巴瘤的討論，請參見第53章。
隨著所有這些研究成為「硅膠」，人們可能會問「硅膠究竟是什麼？」硅氧烷是由交替硅（Si）和氧（O）分子組成的聚合物族。聚二甲基硅氧烷（PDMS）是大多數醫療應用中使用的聚合物，由具有兩個甲基側鏈的硅氧烷主鏈組成。它是可用於醫療器械的最惰性的生物物質之一。改變PDMS的長度和分子量可以改變硅膠的機械性能和性能。低分子量PDMS（30單體）具有類似於嬰兒油的粘度，而高分子量製劑（3,000單體）是固體。改變機械性質的其它方法包括控制交聯度，改變添加劑和改變固化過程。例如，用於乳房植入物的硅凝膠在硅氫化硅烷化反應中固化，其中一些甲基側鏈（CH 3）被乙烯基側鏈（CH「CH 2）代替，然後使硅氧烷鏈與每個其他。乳房植入物的硅氧烷殼體由完全聚合的硅氧烷和非晶（非結晶）二氧化硅填料組成，用於強度。
醫用級硅酮無處不在，在製造過程中發現超過1000種醫療產品作為組分或殘留物。例如，每一個一次性針頭，注射器和靜脈內管都用硅樹脂潤滑。塞子小瓶中的藥物在製造過程中含有殘留的硅酮。硅膠彈性體以其固體形式用於起搏器塗層，管道，假肢關節，腦積水分流器和陰莖植入物。像乳房植入物一樣，一些特殊和下巴植入物由硅膠囊中的硅膠製成。
有機硅也被發現在一些藥物中。名稱為「甲基硅氧烷」（例如，二甲硅油）的成分是已被修飾以供人消費的有機硅。有機硅也用於家居用品，如口紅，晒黑/洗手液，髮膠，加工食品和口香糖。醫療級硅氧烷引起非特異性異物反應，導致巨噬細胞侵襲，巨細胞形成和最終的瘢痕形成。
有機硅也被發現在一些藥物中。名稱為「甲基硅氧烷」（例如，二甲硅油）的成分是已被修飾以供人消費的有機硅。有機硅也用於家居用品，如口紅，晒黑/洗手液，髮膠，加工食品和口香糖。醫療級硅氧烷引起非特異性異物反應，導致巨噬細胞侵襲，巨細胞形成和最終的瘢痕形成。
硅膠的其他整形手術應用包括面部植入物用於瘧疾，鼻和下巴的重建或擴大和眶底重建。手術外科醫生使用硅膠植入物進行關節成形術，屈肌腱置換術和骨塊間隔墊。硅膠在這些應用中是有益的，因為它是相對惰性的，有韌性的和可變形的。過去使用低分子量硅酮作為注射軟組織填充劑，但未經FDA批准用於醫療用途。應避免使用本應用程序，因為它可能導致組織反應或遷移。
聚四氟乙烯
聚四氟乙烯（PTFE）也被稱為特氟龍，由Roy Plunkett在1938年發明，而他正在努力開發製冷劑。它由碳骨架與氟側鏈組成。膨脹PTFE（ePTFE或Gore-Tex）由Bob Gore於1969年創建。它是非常化學表面的，不能交聯（這使得它變得柔性），並且具有非附著性表面。它已被廣泛應用於遠足靴，煎鍋上的塗料。在媒介領域中，它用於血管移植，作為腹壁重建的網格，以及用於面部增生的植入物。
聚酯纖維
聚酯在其主鏈中含有酯官能團。 Mersilene是用於疝氣的針織聚酯網。聚酯網比聚丙烯更軟和更親水，而在動物研究中顯示出更好的組織向內生長。滌綸是另一種已經用於血管移植的聚酯的形式。
聚丙烯
聚丙烯具有碳主鏈和氫和甲基的側鏈。 它已經用於疝氣和盆腔器官脫垂修復，但聚丙烯網可以隨著時間的推移侵蝕軟組織。 因此，FDA已經發布了關於在盆腔器官脫垂中使用聚丙烯篩網的警告。 它也被用作縫合材料，因為它的強度和身體內的異物反應低。
聚乙烯
聚乙烯由具有氫側鏈（乙烯）的碳骨架組成。 高密度多孔形式的聚乙烯（Medpor）用於面部植入物（見圖7.2）。
圖 7.2.? 高密度多孔聚乙烯（Medpor）用於面部增大的植入物。
孔隙度允許組織和血管向內生長。還可以雕刻為個別患者定製植入物。植入物比ePTFE植入物更難放置，因為它們更堅固，更硬。此外，軟組織向內生長使得植入物更難以去除。多孔聚乙烯單獨或與鈦網組合可用於重建軌道地板。聚乙烯單獨用於軌道底板重建的一個缺點是植入物在CT掃描上不可視化，使得難以評估植入位置。
聚甲基丙烯酸甲酯
聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是通常用作骨替代物的高分子量聚合物。最終產品是通過將甲基丙烯酸甲酯單體加入到甲基丙烯酸甲酯聚合物中形成的，然後形成可成型的油灰。單體聚合，與聚合物顆粒結合，並在約10分鐘內硬化。聚合過程是產生高溫的放熱反應。在養護過程中，使用鹽水灌洗來冷卻周圍組織，以避免局部組織損傷，例如骨壞死或軟組織損傷。整形手術中的應用包括顱骨重建。 PMMA可以單獨使用或與電線或網格加強結合使用。胼cal體固有的不穩定性和相對低的應力有助於PMMA顱骨成形術的低發病率。
可生物降解聚合物
開發可生物降解聚合物以克服與永久植入物相關的一些缺點。大多數生物降解通過化學反應（如水解或氧化）和生物過程（例如酶促或細胞）的組合發生。生物降解聚合物和其所有分解產物都必須是生物相容的。儘管有許多材料會在體內降解，但只有少數在生物可降解的聚合物中具有臨床意義。稱為聚（乳酸 - 共 - 乙醇酸）（PLGA）的這些單獨聚合物的α-羥基酸，特別是聚（乳酸），聚（乙醇酸）（PGA）和組合或共聚物是最常見的生物可降解聚合物用於臨床應用。這些聚合物通過水解降解，終止於乳酸或乙醇酸。外科醫生熟悉這種聚合物，因為它用於製備可吸收（Polyglactin 910; Ethicon，Somerville，NJ）縫線。這些聚合物已被用於創建用於顱面或手部應用的腹壁重建和電鍍系統的生物可降解網，以及用於組織工程和再生醫學應用的可再吸收支架的製造。
可通過改變乳酸與乙醇酸的比例，加入碳纖維或其它聚合物來改變降解速率。通常，增加乳酸的濃度降低了降解速率。製造商改變乳酸和乙醇酸的比例以及具體的製造方案，以優化聚合物的降解速率和強度。例如，LactoSorb（Biomet，Warsaw，IN）由82％聚L-乳酸和18％PGA組成，而Resorb-X（KLS Martin，Jacksonville，FL，用於SonicWeld系統）為100％聚-D ，l-乳酸。內皮產品（Coapt Systems，Inc.，Palo Alto，CA）具有與LactoSorb相同的製劑。在植入時，其強度等於鈦鍍層的強度，然後隨時間而減小。通常，它們的結構完整性在頭8周內被保留以允許發生骨骼癒合。
陶瓷
陶瓷的醫療應用於20世紀60年代開發。陶瓷具有晶體結構，由無機非金屬分子組成。它們對生物醫學使用具有一些吸引人的物理特性，包括減少異物反應，抵抗細菌定居，高抗壓強度，以及組織向多孔材料向內生長（骨密度為100微米，軟組織為30微米孔徑） 。然而，它們的優點被其弱點所掩蓋，即它們在拉伸，扭轉或彎曲載荷下是脆性的並且容易斷裂。他們在整形手術中的主要用途是用於骨骼增大和更換。磷酸鈣是塑料製品中最常用的陶瓷。此外，在實驗室中已經顯示出磷酸鈣既是骨誘導和骨誘導的，但是這在臨床環境中尚未得到證實。
磷酸鈣有兩種用於醫療用途的配方：羥基磷灰石（Ca10（PO4）6（OH）2）和磷酸三鈣（Ca3（PO4）2））。與羥基磷灰石相比，磷酸三鈣具有更快的吸收和骨替代速率。它們可以作為注射用顆粒劑和塊狀物質（固體和多孔質）獲得，羥基磷灰石也可以作為水泥糊劑使用。這些種植體通常用於重建面部和顱骨的非承重骨骼。水泥漿在某些情況下是有益的，例如顱骨成形術，因為它是可延展的並且可以在該情況下模製。有關皮膚和軟組織填充物的討論，請參見第42章。
粘合劑和膠
纖維蛋白組織粘合劑
基本面
第一種纖維蛋白組織粘合劑在1944年描述，並用於幫助皮膚移植物粘附到受體組織床。纖維蛋白粘合劑由兩部分組成：纖維蛋白原和來自篩選供體的凝血酶。包含少量因子XIII和鈣以催化反應並形成聚合的纖維蛋白。纖維蛋白膠的強度與混合物中纖維蛋白原的濃度直接相關，聚合速率由凝血酶濃度調節。用於纖維蛋白封閉劑的整形外科應用包括拔毛，整形，腹部成形術，背闊肌供體部位，DIEP / TRAM瓣供體部位和慢性血清腫。
氰基丙烯酸酯
氰化丙烯酸酯在1942年由哈里·科克博士偶然發現，並被銷售為「超級膠」。在越南戰爭期間，外科醫生髮現在開放性傷口上噴射氰基丙烯酸酯會阻止出血並允許受傷的士兵被運送，從而節省了許多生命用於治療。
當氰基氰酸酯暴露於水分（空氣中有足夠的水分以使聚合發生）時，放熱聚合開始。整形手術中的應用包括皮膚閉合。施用產品的皮膚的表層不具有將其保持在一起的縫線，因此重要的是近似深層並且提供兩側的無張力的鄰接。比較傳統縫合與辛基-2-氰基丙烯酸酯的研究結果相當
皮膚替代品
在過去二十年中，生物工程皮膚替代品已成為傷口管理的主流療法。最初設計用於替代嚴重燒傷患者的皮膚移植物，它們現在也用於治療慢性靜脈和慢性糖尿病性潰瘍。這些產品的應用可能會隨著它們的進步而擴大。理想的皮膚替代品：
1. 緊緊抓住傷口床
2. 概述正常皮膚的生理和機械性質
3. 價格便宜
4. 避免宿主的免疫排斥
5. 高效地促進組織再生和傷口修復
已經對各種細胞，介體和聚合物進行了各種組合的測試，以培養培養的皮膚替代品。我們在第3章中回顧了最常見的細胞。
INTEGRA
Integra（Integra LifeSciences Corporation，Plainsboro，NJ）是由「真皮」（下）層（具有糖胺聚糖 - 軟骨素-6-硫酸的牛膠原基質）和硅膠片（上層）組成的雙層皮膚替代物。傷口癒合，真皮層被患者自己的細胞所取代。作為臨時外皮的硅膠片被去除，並將薄的分層厚度的皮膚移植物應用於新真皮。 Integra用於複雜傷口，如局部或全層燒傷和多種類型的潰瘍。評估Integra功效的研究表明，與自體移植物，同種異體移植物或異種移植物相比，它具有較高的感染率，但似乎具有更快的傷口癒合時間。 Integra也可用於皮膚移植物不粘附的傷口。新真皮將附著在下面的床上，血管超過2周，然後允許粘附分層厚皮膚移植物。
Epicel（培養的表皮自體移植物）
Epicel（Genzyme，Cambridge，MA）是從患者自己的角質形成細胞生長的培養的表皮自體移植物，其衍生自小皮膚活檢。角質形成細胞與成纖維細胞共培養生長。一旦角質細胞濃度為2至8個細胞層，大約50厘米的自體移植物就用不鏽鋼外科手術夾固定在凡士林紗布背層上並施用於患者。
Epicel用於深層皮膚或全層燒傷的患者，其總體表面積≥30％。根據其燒傷的嚴重程度和程度，可以使用或不使用分層皮膚移植物。
DERMAGRAFT
Dermagraft（Advanced Biohealing，Westport，CT）是用新生兒成纖維細胞接種的聚乳糖蛋白網。網狀物被吸收並被患者自己的組織代替。它用作臨時和永久性敷料，以增加在切除的燒傷創面上以及靜脈和壓力性潰瘍中成功服用網狀分層皮膚移植物。相對於感染，癒合時間，關閉時間和移植物，Dermagraft等同於同種異體移植。
Apligraf
Apligraf（Organogenesis，Canton，MA）是雙層皮膚當量。較低的「真皮」層由新生兒包皮獲得的I型牛膠原和成纖維細胞組成，而上「表皮」層來自角質細胞。在室溫下保質期為5天。它用於靜脈潰瘍和糖尿病足潰瘍，以及在切除的燒傷創面上的網狀自體移植物的速度覆蓋。
生物纖維網
目前可用的生物纖維網格材料來自脫細胞的哺乳動物組織，無論是人類（allo-genic）還是動物（異種的）。處理生物纖維網材料以除去細胞和其他潛在的免疫組分，同時保留天然細胞外基質結構。理想的網格具有表7.3.12所示的特徵。有幾種生物纖維網狀材料可用。這些材料通常用於複雜的軀幹重建和乳房重建。
表 7 . 3
理想生物纖維網的特徵
小腸粘膜下層
小腸粘膜下層（SIS或Surgisis; Cook Biotech，West Lafayette，IN）是從小腸產生的。小腸粘膜下層為腸提供機械強度，並含有生物化學豐富且多樣化的細胞外基質。首先在1989年被描述為血管移植物，SIS已經應用於人類的超過20種應用，包括多種類型的疝修補，硬膜修復，膀胱重建和壓力性尿失禁治療。
人類無細胞真皮基質
有幾種分類為人類真菌基質（HADM）的產品包括AlloDerm（LifeCell Corp，Branchburg，NJ），Allomax（Bard Davol，Murray Hill，NJ）和FlexHD（Ethicon360，Somerville，NJ）。每個製造商使用專有技術從捐贈的同種異體移植人真皮中產生HADM。一般來說，去除表皮和皮下組織後，用真空乾燥或化學洗滌劑處理真皮，除去真皮基質的膠原結構外的所有物質。 HADM的應用包括基於植入物的乳房，腹壁，胸壁，骨盆重建和唇部增大。微粉化HADM（Cymetra; LifeCell，Branchburg，NJ）也可用，已被用於喉部成形術和軟組織填充物。
豬無細胞真皮基質
豬無細胞真皮基質（PADM）已被開發用於類似於HADM的應用。為了抑制免疫原性並減少膠原酶依賴性基質降解，第一代PADM（CollaMend; Bard Davol，Cranston，RI和Permacol; Covidien，Norwalk，CT）在製造過程中經歷膠原纖維的化學交聯，改變細胞外基質結構並抑制細胞浸潤，血運重建和基質重塑潛能。
新一代的PADM（Strattice; LifeCell Corp，Branchburg，NJ）在沒有化學交聯的情況下進行處理。酶促除去作為與脫細胞異種移植物相關的免疫應答的主要原因的[半乳糖-α（1,3） - 半乳糖]抗原。
不完全清楚哪些產品有哪些更好的結果。在最近的體內動物研究中，將交聯的PADM與用於腹壁重建的非交聯PADM進行比較，非交聯PADM似乎具有早期臨床優勢。然而，迄今尚未進行比較人類研究。
其他生物纖維網產品
牛心包膜（Veritas; Synovis，St.Paul，MN）是非交聯膠原蛋白基質。免疫原性的脫細胞化和降低是通過使用專有的化學過程對遊離胺基進行封端來實現的。
牛胎兒真皮（SurgiMend; TEI，Boston，MA）是來自胎兒-犢牛的無細胞基質。它不是交聯的，可以促進細胞穿透，血運重建和與宿主組織的整合。
未來材料
生物材料和植入物對中介和手術產生巨大影響。一些植入物被設計為與身體幾乎沒有相互作用。其他設計為以被動方式與身體相互作用（例如，可生物降解的PLGA聚合物）。最近的生物材料正被設計用於調節其環境以產生組織特異性反應。此外，目前在體內模型中開發了含有細胞，多聚體，生長因子等的混合生物材料。這些生物材料最終將「感知」周圍環境，並根據環境的需要改變其生化/機械性質。最終目標是創建具有獨特特徵的生物材料，其特徵在於重建的確切生物，化學和功能需求。生物材料領域的持續發展取決於工程師，科學家，臨床醫師和工業界之間的跨學科合作。
上期：整形外科解讀：99-6 移植生物學及其在整形外科中的應用
參考：Grabb and Smith s Plastic Surgery (7th Revised edition)
※整形外科解讀：99-6 移植生物學及其在整形外科中的應用
※整形外科解讀：99-2：正常和異常
※腹腔鏡手術併發症預防和管理指南解讀：7-1：創建氣腹
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