综述：骨重建手术的工程化：Masquelet 诱导膜技术的案例

本文全面综述了 Masquelet 诱导膜技术（IMT），分析其失败原因并探讨优化策略。

　　

引言

在骨科领域，大段骨缺损的修复一直是极具挑战性的难题。骨虽具备强大的自我再生能力，但在一些临床情况下，如因骨肿瘤切除、先天性畸形或高能创伤（交通事故、运动事故、枪伤及爆炸装置导致的战伤）造成的广泛骨干骨丢失，若无手术干预，骨碎片难以愈合。

自 1914 年 Frederick Albee 首次进行骨移植手术以来，自体骨移植（ABGs）长期作为治疗相对较小骨缺损的标准方法，因其使用患者自身组织，能有效降低移植排斥和疾病传播风险。然而，该技术存在诸多局限性，例如取材过程会导致供体部位发病和疼痛，且可获取的材料量有限，对于长度超过 5cm 的骨缺损，由于移植物快速吸收，并不适用。

1986 年，Alain - Charles Masquelet 教授提出的 Masquelet 诱导膜技术（IMT）彻底改变了大段骨干骨缺损的修复方式。该技术通过在缺损部位构建具有生物特性的膜来准备移植床，具有无需复杂设备和精细显微外科技术、骨愈合时间与缺损长度无关等优势，近年来应用愈发广泛。

IMT 的起源、描述及作用机制

诱导膜由异物反应产生。当聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）间隔物植入骨缺损部位后，会引发异物反应（FBR），这一过程包括血浆蛋白吸附、中性粒细胞募集、慢性炎症反应、异物巨细胞（FBGCs）形成以及成纤维细胞持续募集和激活，最终形成围绕 PMMA 间隔物的纤维包膜，即诱导膜（IM）。

IM 具有典型的组织学特征，在人体中约 1.6mm 厚，由胶原基质构成，包含不同区域。同时，它具备强大的成骨和血管生成特性，能分泌多种对组织和骨修复有益的细胞因子和生长因子，如骨形态发生蛋白 - 2（BMP - 2）、血管内皮生长因子（VEGF）等，还含有骨髓干细胞（BMSCs），可分化为成骨祖细胞，促进骨再生。

IMT 本质上是一个涉及间隔物（诱导物）、IM（受体）、移植物（效应物）以及受机械环境调节的相互作用过程。在第一次手术植入 PMMA 间隔物后，诱导膜被诱导产生并获得成骨和血管生成特性；第二次手术移除间隔物并植入 ABG 后，IM 腔为骨移植和愈合创造了有利的微环境。

IMT 的失败原因

尽管 IMT 在全球的成功率不断提高，但仍存在失败案例。据报道，成人 IMT 失败率通常在 11% - 18%，通过翻修手术处理并发症可将失败率降至 10% 以下（低至 7.6%）。

诱导物相关风险因素

PMMA 是目前全球临床验证用于诱导 IM 的唯一生物材料，但它存在诸多缺点。PMMA 块在复杂骨几何形状的病例中难以取出，而使用 PMMA “小石子” 或珠子虽便于取出，但会导致 IM 形状不规则，影响其生物学特性的可重复性。

此外，PMMA 聚合过程中会产生放热反应（约 + 60°C），可能损伤骨边缘和病变附近的软组织，且高温限制了可添加的抗生素种类。高浓度抗生素加载的 PMMA 间隔物可能对 IM 的成骨特性产生有害影响，进而影响后续骨再生。

受体相关风险因素

受体相关风险因素包括 IM 床或骨环境的缺陷。感染是 IMT 失败的主要可预防风险因素，金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌是 IMT 手术中最常见的感染病原菌。感染会导致 IM 产生更厚的纤维包膜，炎症细胞浸润，影响 IM 的成骨能力。

吸烟会改变软组织血运和与成骨细胞分化及血管生成相关的细胞因子基因表达，影响 IMT 手术效果。患者年龄也是影响因素之一，年龄较大可能导致 IMT 治疗后骨愈合延迟。免疫系统变化，如因抗炎药物或免疫抑制治疗导致的免疫缺陷，也可能干扰 IM 的形成和生物学特性，但这方面的研究较少。

效应物相关风险因素

效应物相关失败主要源于第二次手术中植入 IM 的材料不当。标准 IMT 中，髂嵴骨移植（IC - BG）是常用的移植物来源，但可获取的骨量有限。当需要多次骨移植时，可能会选择替代移植物来源或移植物扩张剂，如异体移植物、异种移植物或磷酸三钙（TCP）等。然而，使用移植物扩张剂的最佳比例存在争议，一般认为骨移植物扩张剂体积百分比超过 40% 可能是失败的风险因素。

机械环境相关风险因素

机械力在免疫反应和骨愈合过程中起着关键作用。目前对于 IMT 中最佳的骨固定方法尚无明确共识。不同的固定方式，如外固定架、髓内钉、钢板等，对 IMT 的治疗效果影响各异。一些研究表明，刚性固定可能增强 IM 的成骨和血管生成潜力，但也有研究得出不同结论。例如，在兔子模型中，结合 PMMA 水泥和钢板的刚性固定可增强 IM 的潜力；而在小鼠模型中，钢板固定的 IM 骨生长能力较低。在人体研究中，不同的固定方式对愈合的影响也不一致。

优化 IMT 技术的未来发展和生物技术进展

近年来，为优化 IMT 的治疗效果，研究人员提出了多种策略，主要集中在创新的生物技术方法上。

基于诱导物的策略

通过改变 PMMA 的表面形貌或化学组成，或使用替代生物材料，有望影响异物反应的免疫微环境，改变 IM 的成骨特性，促进骨再生。研究发现，不同表面形貌的 PMMA 间隔物对 IM 和骨愈合的影响不同。例如，Luangphakdy 使用带肋的 PMMA 间隔物，虽增加了 IM 表面积，但未改善骨修复效率；Toth 使用更粗糙的 PMMA 间隔物（8μm 深的凹槽），却显著破坏了骨形成的第二阶段。

一些替代生物材料，如钙磷酸水泥（CPC），能诱导产生比 PMMA - IM 更多的 VEGF、BMP - 2 和 TGF - β₁，促进骨缺损断端的软骨内骨化，但目前大多数非水泥替代间隔物诱导的 IM 生物学特性并未显著优于 PMMA。

3D 打印技术在骨科手术中的应用日益广泛。在 IMT 中，使用 3D 打印模具可定制 PMMA 间隔物，使其更好地贴合骨缺损部位，提高骨修复质量。例如，Zhang 等人通过 3D 打印制作个性化的 PMMA 间隔物治疗跟骨缺损，取得了良好的效果。

抗生素加载的 PMMA 在 IMT 中存在诸多缺点，且可能导致抗生素耐药性问题。因此，研究人员开发了新一代无抗生素但具有抗菌活性的骨水泥，如添加纳米银、壳聚糖纳米颗粒、抗菌肽 ε - 聚 - L - 赖氨酸或季铵化合物（QACs）等的 PMMA。这些新型骨水泥在体外表现出良好的抗菌活性，但仍需进一步的体内研究来评估其安全性和降低感染率的能力。

基于受体的策略

当怀疑 IM 床存在生物学损伤时，可采用多种策略提高 IM 质量。在动物模型中，添加生长因子，如浓缩生长因子（CGF）、血小板富集血浆（PRP）或表皮生长因子（EGF）等，可改善 IM 的质量，促进骨愈合。例如，Yilmaz 等人在兔 IMT 模型中应用 CGF 凝胶，增加了 IM 中祖细胞和内皮细胞的数量，提高了增殖指数和炎症水平，促进了骨形成；Bilal 等人注射 PRP 或 EGF，也提高了 TGF - β、VEGF 和 CD31 水平，改善了骨愈合。

研究发现，一些中药提取物，如骨碎补总黄酮（TFRD）和龟板提取物（PT），可通过激活 BMP - Smad 信号通路和抑制 NF - κB，增加 IM 的血管生成，提高 BMP - 2 阳性细胞百分比，促进骨愈合。

受引导骨再生（GBR）方法的启发，研究人员尝试使用合成或天然来源的人工膜替代 IM。在兔 IMT 模型中，Tarchala 使用合成的聚四氟乙烯（PTFE）膜替代 IM，发现其具有类似的成骨潜力；Gindraux 等人发现人羊膜（hAM）与 IM 具有相似的生物学特性，Fenelon 等人通过实验证明 hAM 在一步 IMT 中具有良好的骨再生效果；Verboket 等人使用人脱细胞真皮（Epiflex?）治疗大鼠股骨大段骨缺损，取得了与传统两阶段 IMT 相似的愈合结果。

基于效应物的策略

骨组织工程（BTE）材料可用于扩大或替代传统的骨移植物。支架是 BTE 策略的关键组成部分，常用的生物材料如聚合物、陶瓷或复合材料，可提供骨传导基质。一些 BTE 方法将生长因子和 / 或细胞整合到生物材料中，以增强其成骨诱导能力。在 IMT 动物模型中，研究人员对多种 BTE 支架进行了研究。例如，单独植入 β - 磷酸三钙（β - TCP）或 80% 磷酸三钙（TPC） - 20% 羟基磷灰石（HA）复合材料的修复效果不如植入同种异体骨移植物，但当 β - TCP 支架接种间充质干细胞（MSCs）和内皮祖细胞（EPCs），或 TPC - HA 支架结合 BMP - 7 和双膦酸盐（唑来膦酸）时，可实现与同种异体骨移植物相似的骨愈合效果。在临床实践中，不同的骨移植材料也有不同的应用效果。

直接向 ABG 中添加生长因子，如 BMP - 7 或 BMP - 2，可提高其成骨诱导性。在动物模型中，添加 BMP - 7 对骨愈合有有益作用，但在临床应用中，结果并不明确。例如，Haubruck 等人比较了重组人 BMP - 2 和 BMP - 7 联合自体骨移植治疗下肢骨不连的临床疗效，发现接受 rhBMP - 2 治疗的患者骨愈合率更高；而 Masquelet 等人在 15 例患者中使用 rhBMP - 7 联合 ABG，结果却令人失望，还出现了延迟畸形和骨移植吸收等问题，这可能是由于与 IM 分泌的生长因子竞争所致。

基于机械环境的策略

定制的 3D 打印金属笼，如钽和钛制成的笼子，可确保 IMT 第二阶段的刚性固定，促进移植物的骨整合。Tetsworth 首次使用 3D 打印钛笼结合骨移植治疗 IMT，在 5 例患者中均观察到骨愈合，且笼子结构坚固，可允许患者立即活动和早期负重；Gavaskar 等人提出的 “负载共享钉 - 笼结构”，在 21 例胫骨节段性缺损患者中实现了 100% 的骨愈合率；Foukas 和 Wu 等人也通过定制的 3D 打印金属笼成功治疗了复杂的骨折病例。

低强度脉冲超声（LIPUS）已被美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于促进骨愈合。它通过在骨折部位产生纳米运动，介导组织信号转导，促进骨愈合。其作用机制包括增加骨样厚度和新合成骨的骨矿物质密度，调节炎症反应，刺激间充质干细胞的增殖和骨向分化，促进胶原蛋白合成等。在 IMT 治疗中，日本研究小组使用 LIPUS 治疗一名感染性胫骨骨折患者，取得了良好的骨愈合效果；Takase 等人的研究也表明，LIPUS 可促进 IM 来源的 MSCs 的骨向分化，提高碱性磷酸酶（ALP）活性，有望成为改善 IMT 愈合过程的辅助工具。

结论

IMT 在过去三十年中彻底改变了大段骨缺损的治疗方式，其操作相对简单，且通过诱导物、受体、效应物和机械环境的协同作用实现了有效的骨修复。然而，该技术仍存在失败的可能，其原因涉及多个方面。通过对这些失败原因的深入分析，研究人员提出了一系列基于生物技术的优化策略，涵盖诱导物、受体、效应物和机械环境等多个层面。未来，IMT 技术的进一步发展将依赖于临床医生和研究人员的紧密合作，不断整合创新成果，以提高手术成功率，为患者带来更好的治疗效果。