基本信息
- 项目名称：
- 定向曲面牵引成骨技术及其在颅眶部的应用
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 先天畸形、外伤、肿瘤等原因引起的颅眶颧部缺损畸形临床常见。由于该部位的解剖结构特殊（由大量不规则曲面骨构成、累及前颅底和颅中窝等重要器官）、畸形缺损的临床类型和表现形式多样，整复手术的难度大、风险高。 目前常用的三类整复技术均不理想，本作品提出曲面牵引成骨技术为解决这一难题提供了新的思路，详见下表（按整复技术类型，分别列出特点）。 ①多部位截骨+自体骨修复：手术风险大、增加医源性损伤、远期骨吸收、外形修复欠佳； ②多部位截骨+人工材料修复：生物相容性差、排异和感染、塑形困难、外形修复欠佳； ③直线平面牵引成骨：单一牵引器应用受限、多重牵引器应用繁琐、外形修复欠佳； ④定向曲面牵引成骨：采用组织工程技术与曲面牵引成骨手段相结合，达到真正意义的形态、功能重建。 本作品引入“曲面牵引成骨”概念，为取得突破在关键技术上提出三个创新点： 1.设计并开发颅眶定向曲面牵引装置及牵引软件包； 2.构建颅眶缺损动物模型，初步形成颅眶缺损曲面牵引修复技术； 3.进一步结合组织工程技术，以缩短修复时间，改善成骨质量，改进曲面牵引成骨技术。 经过以上创新，本作品已开发出成品曲面牵引装置及牵引软件包，初步形成实验动物颅眶缺损曲面牵引修复技术。 作品的初步成功证实了定向曲面牵引成骨技术应用于颅眶部畸形整复的可行性，说明了我们在关键环节上已取得了国际领先的突破；作品提供的基于软件设计的颅眶定向曲面牵引装置，填补了特殊部位牵引成骨器械的空白；作品拟进一步结合组织工程技术，形成完善的颅眶曲面牵引修复系统，为将来的临床应用和实现产业化推广奠定充分的理论依据与技术基础。
- 详细介绍：
- 眼眶和眶周畸形为常见的颅面畸形，可由先天性眼眶发育不良、骨折外伤、肿瘤或炎症继发畸形等多种病因所致，其中以眶周骨折畸形最为常见。眼眶整复是眼科、整形外科、颅面外科和颌面外科等多学科交叉的新兴专业，由于眼眶的特殊解剖结构（由大量不规则曲面骨构成）和位置（涉及前颅底和颅中窝等重要器官），眼眶畸形的临床类型和表现多种多样（复合性眼眶骨折如鼻眶骨折、眶颧骨折和颅眶骨折，常伴眶缘和相邻颅面诸骨的畸形、移位和缺损），眼眶整复手术的难度大、风险高。目前临床上常用的有三类整复技术，但均存在各自的缺点：⑴传统截骨骨块重组+自体骨修复：术中需多部位截骨，骨块重组固定，手术风险较大，骨块重组塑形欠佳；缺损采用自体肋骨、颅骨外板、髂骨等修复，自体肋骨供量较大，易成活，但吸收率高，供区出现继发畸形；颅骨外板吸收量少，外形弧度良好，供区不出现继发畸形，但切取困难，骨片充填厚度不足；自体髂骨亦存在取材及塑形困难等缺点，上述自体材料的应用均增加了医源性创伤。⑵传统截骨骨块重组+人工材料修复：多部位截骨创伤较大，常用的人工材料如羟基磷灰石人工骨、多孔聚乙烯高分子合成材料和钛金属材料等，具有一定的生物相容性和可塑性，成形良好，但同时也存在排异反应、感染、囊肿形成和植入物移位等缺点。⑶直线平面牵引成骨技术：随着近年来牵引成骨技术在颅颌面外科的积极应用，利用自体骨组织再生修复复杂的眼眶及眶周畸形的设想成为可能。 牵引成骨技术（DO）通过特定牵引装置，使骨切开处的骨组织在软骨痂期受到缓慢而稳定的牵引和张力，利用活跃的成骨细胞的增殖能力，促使组织的再生，从而达到骨延长或增宽的目的。最初应用于四肢骨的延长，1973年Snyder等首先将牵引成骨原理引入颅颌面外科并进行了动物实验，以期寻找矫治颅面畸形的新方法；1992年McCarthy等率先将DO技术用于临床牵引延长下颌骨并获得成功，十余年来，无论在临床应用和基础研究，均成为颅颌面外科领域的一大热点。目前，国际上DO技术在颅颌面外科主要应用于矫正颅缝早闭引起的头颅畸形，一些严重的颅面综合征、唇腭裂术后继发畸形以及外伤、手术等引起的面中部或上颌骨畸形，半面短小症、偏颌畸形及其他不对称牙颌面畸形、肿瘤等引起的下颌骨畸形，取得了较好的效果。然而，DO技术在累及眼眶及眶周的颅面中部畸形，如颅眶部骨折缺损、先天性小眼眶、放射后小眼眶畸形等整复中的应用仍属于探索阶段，临床存在诸多治疗难题。文献报道仅Bellini CM 2007年曾应用多重直线型牵引器行眶骨双向直线牵引矫正小眼眶畸形，但截骨手术复杂、多重牵引器应用繁琐，且修复效果欠佳。 曲面牵引成骨技术的引入为解决这一难题提供了新思路。理论上讲，由于颅面中部复杂的解剖结构与长骨形态结构上存在较大的差异，特别是颅眶颧部，由大量的不规则曲面骨构成，传统的直线、平面牵引技术无法满足该部位复杂的成骨要求，而曲面牵引技术可以通过预先设计的外置式多向量牵引装置完成骨块的三维牵引，在牵引间隙内缓慢成骨，最终形成具有特定外形与一定力学强度的新生骨组织，从而避免上述各类整复方法的诸多缺点，成为理想的颅面骨缺损修复技术；再结合先进的组织工程手段，有望实现颅面畸形缺损真正意义上的形态与功能重建。 为实现这一目标，少数学者对曲面牵引成骨技术进行了探索与尝试，多局限于下颌骨畸形缺损的三维CT虚拟弧形牵引，在实验动物下颌骨畸形的曲线牵引修复中获得了初步成功，而对于颅眶颧部畸形缺损的曲面牵引成骨修复直至目前仍为空白。 针对上述问题，本课外科研小组自行设计并开发适用于颅眶颧部的定向曲面牵引装置及曲面牵引软件包，构建颅眶缺损动物模型，通过所设计软件获得颅眶牵引器三维模型数据库，并实现模拟曲面牵引，以指导手术修复；通过实际曲面牵引操作，探索牵引参数、分析新骨骨质及生物力学特性，并通过牵引力的测量分析，研究牵引力与成骨间的规律，寻找最佳牵引力控制参数，初步形成颅眶缺损定向曲面牵引修复技术。 作品的初步成功证实了定向曲面牵引成骨技术应用于颅眶部畸形整复的可行性，说明了我们在关键环节上已取得了国际领先的突破；作品开发的基于软件设计的颅眶定向曲面牵引装置，亦填补了特殊部位牵引成骨器械的空白。 尽管科研小组在实验动物上初步实现了颅眶缺损的曲面牵引成骨修复，然而由于颅眶颧部骨为扁平骨，牵引骨段间接触面积小，创伤后非正常环境骨结构（骨膜不完整、骨血运较差）以及牵引成骨的治疗周期长，曲面牵引技术的应用中存在成骨不良、成骨外形欠佳等问题。 为克服上述问题，本课外科研小组提出改进方案，拟将曲面牵引成骨技术与组织工程手段相结合，以骨髓基质干细胞（BMSCs）作为种子细胞，藻酸钙作为支架材料，体外构建可注射型组织工程骨凝胶，将其注射于颅眶缺损牵引间隙，以加快新生骨痂生成速度，缩短牵引时间，提高修复质量。将组织工程方法与牵引成骨技术相结合的研究鲜有报道，少数几例联合应用于四肢骨的直线牵引，而在颅颌面骨牵引中的应用，目前仍为空白。 本科研小组希望通过上述改进，最终形成一套较为完善的颅眶定向曲面牵引成骨修复系统，为该技术向临床研究过渡奠定充分的技术基础与理论依据。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- （一）目的和基本思路 颅面部骨架结构为不规则曲面骨，其畸形缺损的修复主要依赖自体骨移植或人工骨充填，存在诸多弊端。传统的直线平面牵引成骨技术，亦无法满足修复要求。 为了解决颅面部畸形缺损的修复难题，本发明以颅眶缺损为研究模型，提供一种内置式颅眶定向曲面牵引成骨装置，开发定向曲面牵引软件包，用于山羊颅眶骨缺损修复的动物实验，探索曲面牵引修复的可行性并获取相关参数。同时结合组织工程技术，将BMSCs-藻酸钙凝胶混合物注射于山羊颅眶骨缺损牵引间隙，以缩短牵引时间，提高成骨质量，寻找出有效修复颅眶骨缺损的方法并进行技术改进，形成一套完整的曲面牵引系统，为颅眶颧整复手术的进一步临床应用奠定基础。 （二）创新点 ①将曲面牵引成骨概念引入颅面部，解决传统直线、平面牵引技术无法满足颅面部特殊解剖结构修复要求的难题，是对牵引成骨技术类型及适用范围的创新与发展。②本发明提供一种定向曲面牵引装置，开发定向曲面牵引软件包，通过实际应用改进，发明成果将填补特殊部位牵引成骨器械的空白。③本作品首次将组织工程技术与牵引成骨手段相结合，用于颅面骨缺损的修复，综合二者的优势，有望进一步缩短成骨时间，提高成骨质量，以寻找出有效修复颅眶骨缺损的方法，达到真正意义上的形态、功能重建，具临床实用意义。 （三）技术关键和主要技术指标 ①设计并开发颅眶定向曲面牵引装置及牵引软件包。 ②构建颅眶缺损动物模型，进行动物实验。 ③结合组织工程方法，以缩短修复时间，提高成骨质量。
科学性、先进性
- ①本作品首次将曲面牵引成骨概念引入颅面部，具有一定的理论基础，曲面牵引成骨技术呈现出良好的科学性与可行性。 ②本作品发明了颅眶定向曲面牵引成骨装置，申请专利并实际应用改进，解决了现有牵引装置在颅面部应用所受的限制，填补了目前颅面部曲面牵引装置的空白，是对牵引成骨技术类型及适用范围的创新与发展。 ③本作品克服了曲面牵引参数计算复杂、器械设计制作要求高等问题，开发定向曲面牵引软件包以指导牵引器的制作、模拟牵引成骨全过程。 ④本作品首次将组织工程技术与牵引成骨手段相结合，用于颅面骨缺损的修复，综合二者的优势，有望进一步缩短成骨时间，提高成骨质量，以寻找出有效修复颅眶骨缺损的方法，达到真正意义上的形态、功能重建，具临床实用意义。为该技术向临床研究过渡奠定充分的技术基础与理论依据。 技术性分析说明和参考文献资料： 详细研究报告、查新报告、专利申请资料（详见附件材料）。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 技术合作
作品可展示的形式
- 实物、产品、模型、图纸、图片、录像、现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 适应范围：本作品适用于颅眶部畸形缺损的修复。 使用说明：将牵引器安置于颅眶缺损部位，通过牵引装置缓慢牵引，形成新骨，修复缺损。 优势：①解决了现有牵引装置在颅面部应用受限的难题，填补了目前颅眶部曲面牵引技术的空白。②克服了曲面牵引参数计算复杂、器械设计制作要求高等问题，开发了定向曲面牵引软件包以指导牵引器的制作、模拟牵引成骨全过程。③本发明结构轻巧，工艺简单，安置、塑形方便，主体部件埋置于皮下，对患者外观影响小。④本作品首次将组织工程技术与牵引成骨手段相结合，达到真正意义上的形态、功能重建，具临床实用意义。 推广前景：颅眶部畸形缺损发病率高，对患者生理心理影响大，目前尚无理想修复方法。本发明曲面牵引装置与现有简易直线牵引装置成本相近，盈利空间大，将进一步通过中试阶段-生产阶段，逐步实现企业化运作。结合所开发的曲面牵引软件，实现个性化修复，提高颅面畸形的临床治疗效果和修复美学效果。通过在国内各大医疗单位中的推广应用，市场前景广阔，预测将取得良好的经济、社会效益。
同类课题研究水平概述
- 眼眶和眶周畸形为常见的颅面畸形，涉及眼科、整形外科、颅颌面外科等多学科交叉。因颅眶部特殊解剖结构（由大量不规则曲面骨构成）和位置（涉及前颅底和颅中窝等重要器官），眼眶整复难度大、风险高。临床上现用三类整复技术均存在缺点：⑴传统截骨骨块重组+自体骨修复：手术需多部位截骨，风险较大，骨块重组固定，塑形欠佳；缺损采用自体骨修复，增加了医源性创伤、供区继发畸形、取材塑形不易、远期出现不同程度骨吸收。⑵传统截骨骨块重组+人工材料修复：多部位截骨创伤较大，常用羟基磷灰石人工骨、多孔聚乙烯高分子合成材料和钛金属材料等，虽具一定的生物相容性和可塑性，成形良好，但也存在排异、感染、囊肿形成和植入物移位等缺点。⑶直线平面牵引成骨技术（DO技术）：通过特定牵引装置，缓慢而稳定地牵引截骨间隙，利用成骨细胞的增殖能力，促使骨组织再生，达到骨延长或增宽的目的。最初应用于四肢骨延长，1992年McCarthy率先将其用于下颌骨的延长并获得成功，十余年来，该技术的基础研究和临床应用成为颅颌面外科领域的一大热点，国际上主要应用于颅盖骨、下颌骨或上颌骨缺损畸形的治疗，取得了较好的效果。然而，DO技术在累及颅眶部的畸形整复仍属于探索阶段，临床存在诸多治疗难题。文献报道仅Bellini CM 2007年曾应用多重直线型牵引器行眶骨双向直线牵引矫正小眼眶畸形，但截骨手术复杂、多重牵引器应用繁琐，修复效果欠佳。 本课题提出曲面牵引成骨技术，通过预先设计的外置式多向量牵引装置完成骨块的三维牵引，在牵引间隙内缓慢成骨，最终形成具有特定外形与一定力学强度的新生骨组织，具有上述各类方法不可比拟的优势。少数学者曾对曲面牵引成骨技术进行了探索与尝试，但仍局限于下颌骨畸形缺损，基于三维CT进行虚拟弧形牵引，而对于颅面中部的应用至今仍为空白。 另一方面，由于颅眶部为扁平骨，牵引骨段间接触面积小，创伤后非正常环境骨结构（骨膜不完整、骨血运较差）以及牵引成骨的治疗周期长，曲面牵引技术的应用中易出现成骨不良、外形欠佳等问题。本课外将曲面牵引成骨技术与组织工程手段相结合，目前国际上关于此类研究鲜有报道，少数几例联合应用于四肢骨的直线牵引，而在颅颌面骨牵引中的应用，仍属空白。 通过本课题的研究，有望提供一套较为完善的定向曲面牵引成骨修复系统，为颅眶部畸形缺损的整复取得国际领先的突破。
