硬脑膜是位于脑表面和颅骨内面之间的双层坚韧膜组织，对于脑组织起着支持和保护作用。由于肿瘤切除、炎症破坏和开颅手术等原因造成硬脑膜缺损的现象在临床上越发常见，因此，开发有效的硬脑膜修复材料以减少脑脊液泄露和降低癫痫等并发症发生，促进其恢复正常生理结构是再生医学的必然要求。目前，最具有潜力且研究最多的生物材料是合成高分子材料和天然高分子材料。合成高分子材料具有性能稳定、低异物感染和易于量产等优势，受到国内外学者的广泛研究；天然高分子材料具有来源广泛、优异的生物相容性和生物可降解性等优势，被认为是最具有希望的生物材料。主要对合成高分子材料和天然高分子材料在硬脑膜修复中的应用进展进行综述。
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硬脑膜，也称为硬膜，是由纤维组织组成的围绕颅内和脊髓神经结构的连续胶原片，是包围中枢神经系统的最外层脑膜，为中枢神经系统提供有效的保护，防止对颅骨和脊柱造成感染或创伤[1]。硬脑膜缺损会导致脑脊液持续泄漏，可能会引发颅内感染、脑膨出和癫痫等并发症，甚至危及患者生命安全[2]。此外，人体硬脑膜是高度的神经支配和血管化膜，其血管系统在诸如硬脑膜血肿、脑膜炎等各类疾病中起着至关重要的作用[3]。但是近年来，由于意外创伤、肿瘤切除和开颅手术等原因造成硬脑膜创伤的事件不断发生，并且发生频率也在逐年提高。因此，寻找有效的硬脑膜修补材料，改善硬脑膜创伤修复效果是当前医学领域重要的研究方向之一。硬脑膜修补材料对于重建硬脑膜完整性，保护脑组织，防止脑脊液泄露、颅内感染、脑膨出和癫痫等并发症的发生具有重要作用[4,5,6]。
近几十年来，随着再生医学的发展，神经外科工作者开发了许多不同类型的硬脑膜修复材料。目前，用于硬脑膜修复的材料有自身组织、同种异体材料、异种材料、合成材料和天然材料（表1）。自体筋膜组织具有生物相容性良好和不发生免疫排斥等优点，但是需要进行手术从身体其他部位提取，来源较为有限，并且可能会引发其他创伤；同种异体组织多为冻干人硬脑膜，具有正常人体硬脑膜的微结构，可以起到支撑和保护脑组织的作用，但是材料来源有限，并且具有潜在的病毒感染，可能会引起克雅氏病，但受限于来源有限、取材困难、手术操作复杂以及潜在病毒风险等原因，上述2种材料已开始慢慢地退出硬脑膜修复材料的舞台。异种材料包括牛膜、猪膜和羊膜等，具有一定的伸展性和弹性，可以完整修补硬脑膜，防止脑脊液泄露。Costa等[7]研究表明新型牛胶原膜材料对于硬脑膜修复具有防止脑脊液泄露等效果，一定程度上解决了自体组织修补材料和同种异体修补材料来源有限的问题，但是这类异种材料具有一定排斥，可能会引起异物反应，并且溯源难度较高；人工合成材料主要通过合成高分子加工得到，具有来源丰富、价格低廉和机械性能优异等优势。1990年，Sakas等[8]通过动物实验，研究聚氨酯类聚合物为原料的硬脑膜植物体内后的修复效果，虽然该硬脑膜具有一定封闭性能，但存在不可降解和导致炎症反应等问题。因此，对于人工合成材料的研究逐步转向可降解吸收材料。如，聚己内酯[9,10]、聚乳酸-羟基乙酸共聚物[11,12]、聚乙二醇水凝胶[13,14]等类型的人工合成聚合物既具有可降解性，又具有较低的炎症反应，逐渐在硬脑膜修复材料中得到研究；天然材料是从自然界生物体提取原料，通过进一步加工、改性处理得到，来源丰富，具有优异的生物相容性和低的免疫排斥而受到科研人员的关注，已经开发了胶原蛋白凝胶[15]、多糖水凝胶[16,17]等。由于人工合成材料可大量合成，天然生物材料含量丰富，均可对其进行加工改性，以及可通过生物增材制造（3D打印）、静电纺丝等技术有效减小材料在结构、性能方面与人体组织存在的差异，引起科研工作者的高度重视，并在产业界大量研发制造出多种产品。
硬脑膜修复材料
硬脑膜修复材料
| 材料分类 | 来源 | 优势 | 缺陷 |
|---|---|---|---|
| 自身组织 | 自体筋膜、骨膜等 | 生物相容性良好，基本不发生免疫排斥 | 需要从身体其他部位获取，容易引发损伤 |
| 同种异体材料 | 多为冻干人硬脑膜 | 具有正常人体硬脑膜的微结构，支撑保护脑组织 | 来源有限，存在潜在的病毒感染风险 |
| 异种材料 | 牛、猪等动物肠膜、心包膜等 | 来源较为广泛，能够较好地防止脑脊液泄露 | 存在免疫排斥，溯源难度较高 |
| 合成材料 | 聚乙二醇、聚乳酸、聚已内酯等 | 来源丰富、易于合成、机械性能优异 | 部分合成材料不可降解，引起炎症反应 |
| 天然材料 | 高分子多糖、胶原蛋白、明胶等 | 生物相容性良好，容易进行功能改性、结构设计 | 力学性能不足、实际效果尚未临床验证 |
随着神经外科市场的发展，人工硬脑膜的使用量亦逐年增加，常见硬脑膜产品如表2所示。2019年，国内人工硬脑膜市场容量接近8亿元，具有巨大的市场前景。随着生物医用材料在硬脑膜修复领域中的需求不断增加，对于其性能也提出了更高的要求。具有生物活性的硬脑膜医用修复材料可以模拟细胞外基质，不仅可以封闭缺损的硬脑膜，而且可以提供细胞场前景。随着生物医用材料在硬脑膜修复领域中的需求不断增加，对于其性能也提出了更高的要求。具有生物活性的硬脑膜医用修复材料可以模拟细胞外基质，不仅可以封闭缺损的硬脑膜，而且可以提供细胞黏附、生长、增殖的空间并诱导其分化，还可以作用于宿主细胞进行硬脑膜组织修复、再生[18]。理想的硬脑膜医用修复材料应该满足以下条件：（1）具有优异的密封性能，可以防止脑脊液泄露，保护脑组织；（2）无毒性、无免疫排斥、不存在潜在的感染源；（3）具有体内降解性能，能够在新硬脑膜组织生成后被完全吸收；（4）材料来源方便，产品易于保存，术前准备简单方便。
市面上常见硬脑膜产品
市面上常见硬脑膜产品
| 商品名称 | 分类 | 成分来源 | 可降解吸收 | 可注射性 |
|---|---|---|---|---|
| Duramax | 天然高分子 | 牛肌腱Ⅰ型胶原 | 是 | 否 |
| 斯迈尔 | 合成高分子 | 合成聚乳酸 | 是 | 否 |
| 赛脑宁 | 合成高分子 | 四臂聚乙二醇-N-羟基丁二酰亚胺-戊二酸酯 | 是 | 是 |
| Neuropatch | 合成高分子 | 聚酯尿烷 | 否 | 否 |
本文主要综述了人工合成高分子材料和天然高分子材料以及二者的复合材料在硬脑膜修复中的研究进展，这些材料具有不同的优点，同时也存在某些方面的劣势。通过综述这些材料在硬脑膜修复中的研究，为今后设计合成硬脑膜修复材料提供思路，为硬脑膜修复材料奠定基础。
许多的合成高分子材料因具有明确的化学结构、性能稳定且易于调控、低异物感染、廉价和易于灭菌等优势，在组织修复领域取得了令人瞩目的研究进展。如聚乳酸具有相对良好的机械强度、可调的降解速率和低生物毒性，常用于制备生物材料，是具有潜力的硬脑膜修复材料[19,20]；丙交酯/ε-己交酯共聚物植入大脑后，可填补缺损或挛缩的硬脑膜，并且在生理条件下降解为无毒产物而不需要通过手术取出，可大幅度地减轻患者的生理负担[21]；聚乙二醇是一种无毒、具有生理惰性和可生物降解的亲水聚合物，其作为密封剂可以封闭受损组织，减少继发性损伤，还可以通过其表面的官能团引入细胞因子，从而赋予其生物活性[22]。除了上述几种材料，还尝试了许多不同的合成高分子材料用于硬脑膜修复的研究，如N-辛基-2-氰基丙烯酸酯[23]、聚乙醇酸[24]等。随着高分子科学的不断发展，人工合成高分子材料在医学领域展现出巨大的潜力，但其与人体组织结构上存在差异性，目前多通过静电纺丝等技术进行结构设计，使其更满足在人体内应用。目前已经对人工合成高分子硬脑膜修复材料进行了许多研究，并且生产了一系列的临床产品。
静电纺丝是一种简便有效生产纳米纤维的技术手段，在生物材料、光电器件和催化等中得到了广泛的应用。通过静电纺丝技术，可以制备与人体硬脑膜较为相似的均质纳米纤维，更好地满足硬脑膜修复的需求。聚乳酸由于其优异的生物相容性且兼具良好的机械性能，被认为是具有希望的合成高分子材料而得到广泛的研究。Chuan等[25]以磷酸四钙接枝聚乳酸，通过静电纺丝制备了一种聚乳酸/磷酸四钙复合纳米纤维膜。单纯聚乳酸的机械性能不能达到与人硬脑膜的机械性能相匹配，引入磷酸四钙对聚乳酸进行接枝，制备得到的纳米纤维膜最大拉伸强度可达到（6.46±0.07）MPa，接近于人体硬脑膜。纳米纤维膜的体外细胞毒性和骨髓间充质干细胞在纳米纤维膜上的研究结果表明，该纳米纤维膜具有良好的生物相容性，并且干细胞可以有效分化为神经元。以上研究结果表明，该聚乳酸/磷酸四钙复合纳米纤维膜具有作为硬脑膜修复材料的潜力，但是该纳米纤维膜仍未通过动物实验和临床验证，仍需进一步的研究确认其能否应用于体内，满足修复硬脑膜的需要。
聚己内酯又称聚ε-己内酯，是通过ε-己内酯单体在催化剂作用下开环聚合而成的高分子有机聚合物，具有良好的生物相容性和生物可降解性，被广泛应用于药物载体、细胞增值和组织工程等领域[26]。Xie等[27]通过静电纺丝制备了径向排列的聚己内酯纳米纤维，并通过硬脑膜缺损模型证明硬脑膜成纤维细胞从周围组织迁移至纳米纤维支架中心，表明该纳米纤维具有诱导成纤维细胞迁移的能力，可以诱导成纤维细胞迁移至病灶，有利于生长发育形成新生硬脑膜。为了加强和加速该纳米纤维诱导细胞迁移的能力，用纤维黏连蛋白对纳米纤维表面进行涂层，研究结果显示黏连蛋白涂层的径向排列纳米纤维及无黏连蛋白的径向排列纳米纤维均可诱导成纤维细胞迁移，但是纤维黏连蛋白涂层的径向排列纳米纤维表面的细胞迁移速率更快，分布更加均匀。此外，检测了纳米纤维支架上成纤维细胞产生的Ⅰ型胶原水平，发现成纤维细胞在所制备的纳米纤维均为Ⅰ型胶原，径向排列纳米纤维具有高度的组织性，可以减少阻碍组织再生的瘢痕组织的形成，促进硬脑膜组织的愈合再生。将合成聚合物加工制备成纳米纤维是为了更好地模拟厚且致密的天然硬脑膜，并且通过体外实验也证明该纳米纤维具有修复硬脑膜缺损的潜力。但是，该纳米纤维植入体内后是否具有生物活性，能否引导硬脑膜再生，修复缺损的硬脑膜组织还需要深入研究。
经过众多学者的共同努力，已经有一些合成高分子材料应用在临床医学上，如聚乙二醇水凝胶[28]。聚乙二醇是一种具有良好生物相容性的高分子聚合物，在生物制药、食品加工、再生医学领域有着广泛的应用，其中在硬脑膜封闭修复领域已经有多种基于聚乙二醇的硬脑膜密封剂经过美国食品药品监督管理局批准认证，如Duraseal®、Adherus®[29]等，并且在实际临床应用中也取得了良好的封闭效果。Kim等[30]招募了多个需要切开硬脑膜的脊椎手术患者，并使用聚乙二醇水凝胶对其进行封闭，再与缝合线和缝合线加纤维布胶进行比较，研究聚乙二醇水凝胶对硬脑膜的封闭效果。结果表明，聚乙二醇水凝胶不仅具有较好的生物相容性，而且比缝合线以及缝合线加纤维布胶更有效防止脑脊液泄露。但是，聚乙二醇水凝胶仍然存在一些未能解决的问题。如聚乙二醇水凝胶容易吸水膨胀，从而对大脑进行挤压，可能会导致脑组织损伤。此外，虽然聚乙二醇水凝胶可以封闭硬脑膜、防止脑脊液泄露，但是单纯的聚乙二醇水凝胶功能单一，缺少生物活性物质，可能难以达到加快硬脑膜愈合，改善硬脑膜修复效果。因此，寻求合适的材料对其进行修饰或复合，赋予其生物活性也是需要克服的难题。
随着人工合成材料的不断发展，已经有许多合成材料被证明具有作为生物材料的潜力，并且通过细胞实验和动物实验等证明其具有优异的生物相容性以及良好的硬脑膜封闭和修复效果。虽然人工合成材料在硬脑膜修复领域取得了卓越的研究成果，但是目前许多研究仍然停留在动物实验阶段，还没有进行人体临床验证，而如何把这些研究成果转化成能够在临床上应用的产品，还需要科研工作者和产业界的共同努力。
天然高分子材料来源广泛、储量丰富、易于提取，具有巨大的潜在应用价值。此外，天然来源的高分子材料，由于其优异的生物相容性、生物可降解性和低的免疫排斥性等方面的优势，而受到科研工作者的广泛青睐。按照原料来源不同，天然高分子硬脑膜修复材料主要分为蛋白类硬脑膜修复材料和多糖类硬脑膜修复材料。蛋白质是一类由α-氨基酸以肽键相连而成的化合物，一般把含有100个以上氨基酸的多肽称为蛋白质。它们在体内起到了极为重要的生理功能，可以说是构成生命的物质基础[31]。丝素蛋白、胶原和明胶等蛋白类高分子材料，可通过静电纺丝和凝胶化等方式被广泛用于制备纳米纤维、医用薄膜和医用水凝胶，以满足不同疾病治疗的应用需求。天然多糖由于其良好的生物相容性、生物可降解性和廉价量足等特点，受到科研工作者和产业界的广泛关注，并成为构建硬脑膜修复材料的理想选择之一。如壳聚糖、透明质酸、海藻酸和葡聚糖等。目前，通过科研学者的共同努力，天然高分子硬脑膜修复材料也取得了许多新进展。
丝素是一种从动物提取的纤维蛋白，具有优异的机械性能和生物相容性，可通过不同的处理方式得到不同类型的产品，如纤维、薄膜、缝合线等。胶原蛋白是从动物体内提取的一类蛋白质，有着良好的生物相容性、生物可降解性以及生物活性等，被广泛应用于食品、医药和组织工程等领域。受硬脑膜非均质微结构的启发，Chen等[32]以丝素和胶原蛋白为原料，采用静电纺丝技术制备了一种用于修复硬脑膜的双层非均质微/纳米纤维。在体外研究了该纤维支架对成纤维细胞/肌成纤维细胞的黏附、增殖和分化行为的调节结果发现，随着纤维支架上胶原含量的增加，细胞整合素激活率明显提高，更有利于成纤维细胞在支架上黏附、增殖。此外，随着纤维密度的增加，对肌成纤维细胞的黏附和扩散具有显著的抑制作用，可以有效防止瘢痕组织形成。最后，还通过兔动物模型评估该支架在体内的硬脑膜修复效果，该支架植入体内8周后，可以观察到新生的硬脑膜组织延伸到缺损区域，与正常硬脑膜组织相融合，而未植入支架的对照组则形成了大量致密的纤维瘢痕组织，阻碍新硬脑膜形成。通过体内体外研究证明，该丝素/胶原纳米纤维支架具有促进硬脑膜修复的潜力，有望作为硬脑膜创伤修复材料使用。但是，其能否在临床应用中达到应有的效果，在人体内是否会存在不良反应，还需要进一步的临床研究。
除了各类蛋白外，多糖也是天然来源的具有优异生物相容性的材料，相比于多肽、蛋白具有更明确的化学结构，价格也相对比较低廉。因此，多糖在生物医学领域受到广泛的关注。多糖是从动植物体内提取的一类由醛糖或酮糖通过糖苷键连接而成的天然高分子多聚物，具有抗肿瘤、抗菌、提高免疫和促进组织修复等活性，并且多糖结构单元中含有丰富的官能团，为多糖的加工、改性提供了有效的反应位点。如壳聚糖富含的氨基可以使其季铵化，赋予壳聚糖抗菌特性[33,34]；亦可与醛基发生亚胺键交联，使其形成水凝胶材料[35]。透明质酸是一种酸性糖胺聚糖，具有许多生理功能，如润滑和促进伤口愈合等，是一种具有巨大潜在价值的生物医用材料。Hu等[36]开发了一种可注射含脱细胞外基质的透明质酸水凝胶，可以防止硬脑膜切除手术后黏连，并且有效防止硬脑膜外纤维化，组织瘢痕组织形成。魔芋葡甘聚糖是由D-葡萄糖和D-甘露聚糖组成的杂多糖，不仅具有易成膜和凝胶化等特性，而且还具有止血和促进损伤修复等功能，在医学领域有着广泛的应用[37]。多糖由于生产工艺方便，成本较低，易于规模化生产，且具有众多的优异功能，被认为是生物医学的潜在候选材料。但是，单一的多糖基材料力学性能较差，难以作为修复材料支持大脑内硬脑膜的新生。因此，可通过复合、交联等适当的增韧机制来提高多糖材料的力学性能。Yu等[38]将壳聚糖和卡拉胶为原料，将其在醋酸条件下混合，基于带相反电荷的壳聚糖与卡拉胶之间形成离子键，制备壳聚糖/卡拉胶多糖复合水凝胶膜。该凝胶膜具有优异的力学性能，通过调节壳聚糖与卡拉胶的比例，可以使其力学性能与天然硬脑膜相媲美，能满足硬脑膜修复所需的机械支持。通过细胞毒性和抗菌实验表明，该凝胶膜具有良好的生物相容性和一定的抗菌性能，有望作为硬脑膜修复材料在临床应用。
尽管基于天然高分子材料具有优异的性能和广泛的应用，但是人体硬脑膜处于一个复杂的人体系统中，各种细胞、生物信号分子与天然高分子材料之间的相互作用机制关系尚未得到充分的研究。迄今为止，基于天然高分子材料距离在硬脑膜修复的临床应用仍然存在很多不足，还需要进行深入研究。
天然高分子材料比合成高分子材料具有更好的生物相容性、生物可降解性和生物活性等优势，而合成高分子材料比天然高分子材料具有更好的力学性能和更明确的分子结构。因此，一些学者尝试把天然高分子材料与合成高分子材料相结合，制备兼具2种材料优势的复合材料，以更好地模拟天然硬脑膜的物理化学特性，引导硬脑膜缺损修复。
基于丝素和聚乳酸的生物相容性、生物可降解性和较好的力学性能，Xu等[39]通过静电纺丝技术分别制备了丝素纳米纤维和聚乳酸纳米纤维。为了增加纳米纤维支架的细胞黏附性，通过多巴胺氧化自聚将聚多巴胺修饰于纳米纤维表面，并通过实验结果验证聚多巴胺涂层的纳米纤维比单纯的纳米纤维更易于细胞黏附，并且黏附的细胞具有更好的活性和形态，沿着纤维向不同方向延伸。致密的纳米纤维可能会使得硬脑膜缺损区域产生瘢痕组织，从而阻碍硬脑膜修复。因此，采用胶原蛋白与纳米纤维表面的聚多巴胺交联，使得纳米纤维既具有本身优异的力学性能，又具有柔软顺滑的胶原表面。通过兔硬脑膜修复模型表明，该复合材料具有促进硬脑膜修复，阻止硬脑膜外纤维化。硬脑膜不仅具有较强的力学性能，并且有大量的胶原成分。因此，硬脑膜修复材料不仅要提供稳定的机械微环境，而且要为细胞生长、分化和组织再生提供生化线索，实现硬脑膜微结构的仿生。
由于硬脑膜组织修复是一个多因素影响的复杂过程，不仅包括上述机械性能和生化线索等，而且还涉及炎症抑制和活性氧清除等。因此，多功能化的修复材料应运而生。Li等[40]以普朗尼克F-127和天然植物来源的单宁酸为原料，交联形成具有抗炎、黏附和抗氧化的可注射单宁酸-普朗尼克F-127水凝胶。通过小鼠脊髓横断模型研究表明，该水凝胶可以降低体内活性氧的产生，减少活性氧对人体组织损伤，并且可以抑制炎症反应。为了研究该水凝胶的体内外封闭效果，通过体外黏合强度和兔硬脑膜封闭模型评估其封闭能力，结果表明该水凝胶比纤维蛋白凝胶具有更为优异的黏结强度以及更优秀的封闭效果，封闭兔硬脑膜缺损区域后没有观察到脑脊液泄露。最后通过组织染色研究兔硬脑膜愈合情况，苏木精-伊红染色结果显示该水凝胶组和纤维蛋白凝胶组在硬脑膜和植入的筋膜交界处的纤维组织连接均形成良好，而对照组中仅存在稀疏的疤痕组织表明，合成的水凝胶具有促进硬脑膜生长和改善硬脑膜修复的能力。该可注射水凝胶不仅具有植物来源的单宁酸所含有的抗氧化和消炎作用，还具有普朗尼克F-127易于凝胶化的特性，而且使用操作简便，在术后注射至缺损区域即可进行封合，符合临床所需快速封合的需求。因此，通过将合成高分子和天然高分子相复合，赋予材料更多的功能特性，可以更好地促进硬脑膜修复材料的发展。此外，开发具有可注射性能的水凝胶材料对于硬脑膜修复也具有良好的前景，然而许多生物相容性优异的可注射水凝胶都具有力学性能较差的缺点，所以如何提高可注射水凝胶的力学性能，使其兼具生物相容性及优异的力学性能也是重点的研究方向。
硬脑膜修复材料对于硬脑膜修复和改善术后并发症具有重大意义。在19世纪，由于科学技术水平的限制，多采用自体筋膜和骨膜组织对硬脑膜进行缝合和修补，这容易导致患者二次创伤和增加手术时间等问题。随着材料科学与再生医学的不断发展，硬脑膜修复材料从自体筋膜、异体筋膜到人工合成、天然来源的合成材料不断发展，目前仍然在进一步推进。研究人员不仅广泛地研究了材料机械性能、拓扑结构和化学组成对于硬脑膜修复的影响，而且还研究了硬脑膜修复的一些体内相关信号机制，为材料的改性和用途以及硬脑膜再生修复提供了新思路。
目前，硬脑膜修复材料虽然取得了新进展，但尚存在一些问题需要在今后的研究中进一步改善。市场上的一些人工硬脑膜仍然存在无法降解，只能进行缝合和不具有生物活性等问题，而目前学者所进行的新型硬脑膜修复材料的研究，虽然经过了动物实验证明其无毒，无排斥，但是大部分未经过临床试验，仍然处于实验室研究阶段，尚未能在临床上得到应用。随着对硬脑膜了解的不断深入和高分子科学的不断进步，生物医学相关知识将会更好地指导硬脑膜修复材料研究领域的发展，促进开发出更多满足临床需求的新型硬脑膜修复材料，实现加快硬脑膜修复材料从实验室研发到临床应用的转变。
所有作者均声明不存在利益冲突
