【摘要】人工角膜的研制在近年来有了较大的进步，非组织工程化人工角膜在材料选择﹑处理和设计方式上有所创新，同时具有活性的组织工程化人工角膜的出现为人工角膜的研制开辟了一条新途径．
【关键词】 人工角膜；角膜移植；生物相容性；组织工程
Advancement of keratoprosthesis research
JiaJia Chen,ZhenPing Huang
1Department of Ophthalmology, Nanjing General Hospital of Nanjing Military Command of Chinese PLA, Nanjing 210002, Jiangsu Province, China;2College of Medicine, Nanjing University, Nanjing 210093, Jiangsu Province, China
Correspondence to:ZhenPing Huang. Department of Ophthalmology, Nanjing General Hospital of Nanjing Military Command of Chinese PLA, Nanjing 210002, Jiangsu Province, China. [email protected]
AbstractPeople have made great progress in the research and production of keratoprosthesis in recent years. There are many new ideas in material choosing, handling and designing ways of nontissue engineering keratoprosthesis. Meanwhile, the appearance of active tissue engineering keratoprosthesis creates a new method for the research and production of keratoprosthesis.
KEYWORDS: keratoprosthesis; corneal transplantation; biocompatibility; tissue engineering
0引言
人工角膜（keratoprosthesis, KPros）是取代混浊角膜组织而用异质成形材料制成的一种特殊屈光装置，通过手术植入患眼，以取得一定视力。人工角膜最初的设想是由法国眼科医生Pellier de Quensey于1771年提出的[1]。1859年,Heusser第一次实施了对人的人工角膜植入术,其植入的透明玻璃仅存留了3mo。1905年，Zirm成功地实施了人同种异体角膜移植术(allokeratoplasty, AK),并取得了成功。该技术转移了人们对人工角膜研究的热情,人工角膜的研究陷入低谷。随着AK广泛开展,存在的问题逐渐暴露,如对严重干眼症，角膜缘干细胞破坏的角膜盲及角膜新生血管性病变的角膜混浊，AK通常失败。此外，同种异体角膜来源有限，又重新唤起人们对人工角膜植入手术的兴趣。1947年，Stone首次使用高分子材料聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate, PMMA）进行人工角膜实验，大大推动了人工角膜的发展[2]。20世纪60年代开始，人们除了对人工角膜材料的探索外，对人工角膜的设计和植入方式也不断改进。此外，与高分子材料合成的人工角膜相对应，具有生物活性的组织工程化人工角膜近年来也进入了飞速发展期。
1人工角膜材料的选择
1.1无机材料
1.1.1 玻璃
玻璃是最早应用的人工角膜材料,但仅存留了3mo[2]。就目前来看,玻璃作为无微孔非渗透材料不具备支架材料的要求,但作为光学中心材料,仍具有光学性能好,理化性质稳定,容易被水湿润,抗高温,易消毒的优点。由于它重、易发生碎裂、加工困难等缺点, 已被新型材料PMMA 取代。
1.1.2 羟基磷灰石
羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA) 由天然珊瑚礁材料经无机化处理加工而成,主要化学成分是Ca10 (PO4) 6 (OH)2 ,类似于人体骨骼的主要无机成分,在体液中稳定,其孔隙结构类似于人体骨哈佛氏系统,具有内部彼此相连的微孔,这种成分与结构使其具有高度的生物相容性,无毒性,无抗原性。纤维血管组织可长入其内联微孔中,改善植入物前、后组织的营养供应,加大植入物与受体组织接触的牢固性,从而减少感染、坏死、损伤的机会。并且性质稳定性,质轻,对周围组织刺激和压迫小。
1997 年,León等[3] 首次报道了天然珊瑚礁羟基磷灰石应用于人工角膜的动物实验。其人工角膜是由直径3mm 的PMMA 作为光学中心镜柱,将块状羟基磷灰石削磨成内曲率半径8mm ,外曲率半径7mm ,直径10mm 的支架部分,镜柱嵌入支架,以骨水泥连接。在植入术后的12mo内,没有出现感染、房水渗漏、植入物脱出等严重并发症。病理检查以及锝99骨扫描都证实材料的微孔内有纤维血管组织长入。大量的报道[4，5] 揭示HA具有良好的应用前景。
1.1.3生物玻璃陶瓷
目前,应用最成功的多孔羟基磷灰石材料是采自南太平洋经处理后的天然珊瑚羟基磷灰石。它具有质轻,孔隙分布均匀,孔径大小集中(约0.2～0.5mm)的优点,但成本高,数量少,部分限制了它的推广应用。最近,生物玻璃陶瓷（bioglass ceramic,BGC）作为HA的替代物，其动物实验显示植入角膜后有较高的脱出率（51%）,且植入后易碎裂（62%）,影响角膜代谢，导致角膜前板层混浊。来自中山眼科中心[6] 的报道，孔径20～70μm,孔隙率37%～62%的BGC暂不宜用于人工角膜的支架材料。
1.1.4 钛金属
Linnola等［7］将钛及镀上活性玻璃陶瓷的钛作为人工角膜材料植入兔眼中，实验证明钛是人工角膜的理想材料，并且显示镀上陶瓷的钛更能有效的防止细胞内生。后来有人改用生物玻璃陶瓷作为周边材料，移植到兔眼中，试验结果令人失望。
1.2 有机材料
有机材料特别是高分子聚合材料的应用推动了人工角膜材料研究的进展。第二次世界大战期间,人们发现有机玻璃能够长期存留于飞行员的角膜[8] ,此后的动物实验[9]相继证实了这一发现。由此激发了人们对有机高分子材料应用的兴趣。
1.2.1硅凝胶
硅凝胶(silicone resin) 主要成分是二甲基乙烯基硅氧基为端基的聚甲基硅氧烷(简称甲基乙烯基硅油) ,由自然界的二氧化硅在高温下与碳原子结合成单链,再聚合成高分子。硅凝胶的主要优点是质轻(比重1.0),热稳定性好,透光率高,分子结构稳定,抗老化性能好。其主要缺点是抗张力差,表面蛋白等污垢附着性大且不易处理,降低透光率。
1.2.2 聚甲基丙烯酸甲酯
经过长期的临床应用,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 是一种较为理想的光学中心材料, 它具有很高的透光率(92%) ,屈光指数1.491 ,性能稳定,对衰老及环境变化有很高的抵抗性,无生物降解性,抗酸、碱及有机溶剂,质轻,不易破碎,可塑性强,加工容易。作为理想的光学材料,PMMA 也还存在一定的缺点:硬度较高,不利于人工角膜植入后测量眼压。 对YAG激光耐受有限,易被YAG激光打裂损伤,使人工角膜植入后难以处理后膜,且激光后释放单体具有生物毒性作用。不能高压及加热蒸气消毒。表面上皮细胞粘附性差,不能形成连续的角膜上皮,术后有潜伏感染、渗漏、角膜溶解等危险。
1.2.3氟碳多聚体
1980年代以来,有孔材料的研究应用给人工角膜材料学注入了新的活力。氟碳多聚体(fluorocarbon polymer) 是1980年代以来研究应用最多的有微孔有机材料之一,研究者对它寄予很高的希望,进行了深入的研究。
首先,Lamberts等[10]推荐有孔材料聚四氟乙烯氟碳多聚体与玻璃碳的聚合物Proplast用作人工角膜的周边支架,该材料质硬,较粗糙,湿润性好,性质稳定,易于加工,孔隙率70%～90% ,孔径范围100～500μm。White 等[11 ] 报道了用Proplast作周边部, PMMA 作中心光学区的穿通性人工角膜的动物实验,术后人工角膜稳定,早期即有纤维细胞长入,存留时间最长的1例已达3a以上。另二种软性氟碳多聚体材料,即Impra和GoreTex[12],二者同属于膨体聚四氟乙烯(expanded polytet rafluoroethylene ,ePTFE),理化性质相同,白色,质软,光滑,孔隙率77%～82% ,孔径范围18～22μm ,有吸水性;二者的区别在于纤维走向和硬度不同, Impra 纤维单向走行,排列有序,有利于纤维细胞的长入;GoreTex 纤维排列无序,相应减少了有效孔面积,影响纤维细胞的长入。
Legeais等[13]对比观察了以上三种材料植入角膜板层后的组织相容性,在4～8mo的观察期间,发现唯有Impra 显示较好的组织相容性和稳定性,组织学检查显示成纤维细胞长入微孔并分泌胶原。并且，白色的Impra植入兔眼角膜1mo后,材料逐渐变得透明。推测是由于细胞间质及成纤维细胞分泌的胶原充填微孔后,材料具有了与角膜一样的屈光指数,使得光散射减少,透明度增加。遗憾的是这种透明程度还达不到作为光学中心的要求。总之,材料的特性,包括厚度、硬度、微孔的孔径、纤维的走向等均影响其植入后的稳定性。
1.2.4聚乙烯醇共聚体水凝胶
1960年,捷克斯洛伐克布拉格高分子化学研究所的Otto Wichterle 和Drahoslov Lim 公布了他们的研究成果,发表了“水凝胶的生物应用”的论文,开创了水凝胶在医学界的应用。他们所用的聚合物主要是甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA) ,以后又出现了多种聚合物,如聚乙烯醇共聚体水凝胶[ Poly ( 2hydroxyethyl methacrylate ) ,PHEMA ] 等。这类材料与PMMA不同, 含亲水基OH , 有较好的亲水性,其材料含水量由20%到70%不等,而且含水量的多少对材料的物理性能有明显影响。水凝胶材料有一定的渗透性,气体、电介质和葡萄糖等可通过,可见光透过率高达97%以上,屈光率1.43 。在眼科界水凝胶类材料已成功地应用于软性隐性眼镜和折叠型软性人工晶状体的制作。
1990年代初期,澳大利亚Lion 眼科研究所高分子化学家Chirila 与他的研究小组[14,15]开始将PHEMA 应用于人工角膜,经过7a的潜心研究,研制出一种新型软性一体型人工角膜,有学者[16]称之为“真正的”角膜。Chirila人工角膜看起来像稍厚的软性隐性眼镜, 直径9mm,厚0.5mm,前表面曲率半径8mm,后曲率半径8.5mm。其结构也是由光学中心和周边两部分组成,两部分为同一种材料,都是水凝胶聚合物,化学性能相同,但含水量不同,因而有各自的物理特性,从而消除了长期困扰的材料间界面问题。光学中心部直径7mm，扩大了视野,便于眼科医生行全面的眼内检查,且光学中心材料相对含水量高(大约38%) ,质软,光滑,无孔,透明度高,屈光指数与人角膜相似。周边部直径2mm ,质软,呈网状空间结构,可直接缝合于植床角膜，简化手术过程,减少了复杂操作引起的角膜创伤和并发症。中心与周边两部分在交联剂DVG( divinyl glycol) 的作用下聚合为一体,界面区形成0.5mm 宽、光滑、柔软的内穿透聚合物网状体移行带,具有很高的抗张力强度。柔软光滑的表面使术后眼压测量成为可能，此外，PHEMA 材料细胞粘附性差,可避免术后人工角膜后膜形成，软性PHEMA 材料与眼内组织间引力小,有助于维持血—房水屏障。
1.3生物材料
许多实验和临床研究也证明异质材料与组织之间的不相容性是人工角膜脱出的主要原因,因此,有学者[17,18] 提出用自体材料作人工角膜支架,其中,应用较多的有牙齿、耳廓软骨、牛尾环状软骨等,成功率最高,植片存留时间最长的是利用自体牙齿作周边材料的人工角膜( Osteoodontokeratoprosthesis , OOKP) 。该手术设计由Strampelli (1964) [17]提出并首次应用,Ricci等[19]报道最长的存留时间已达20a以上。
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