李浩，楊振，高倉(cāng)健，付力偉，劉舒云，郭全義

·綜述·

支架材料在組織工程技術(shù)修復(fù)半月板損傷中的應(yīng)用進(jìn)展

李浩，楊振，高倉(cāng)健，付力偉，劉舒云，郭全義

100853 北京，中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心骨科研究所/骨科再生醫(yī)學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/全軍骨科戰(zhàn)創(chuàng)傷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（李浩、楊振、高倉(cāng)健、付力偉、劉舒云、郭全義）；300071 天津，南開(kāi)大學(xué)醫(yī)學(xué)院（李浩、楊振、高倉(cāng)健、付力偉）

半月板是位于股骨遠(yuǎn)端和脛骨平臺(tái)之間兩個(gè)半圓形、楔形的纖維軟骨組織，主要功能在于分配負(fù)荷和保護(hù)關(guān)節(jié)軟骨[1]。在組織學(xué)上，半月板（圖 1）可以劃分為兩個(gè)截然不同的區(qū)域：外側(cè)（紅-紅區(qū)），含有血管和神經(jīng)，包含細(xì)長(zhǎng)的纖維母細(xì)胞樣細(xì)胞和大量的 I 型膠原蛋白；內(nèi)側(cè)（白-白區(qū)），缺乏血管和神經(jīng)，包含的主要是纖維軟骨樣細(xì)胞和II 型膠原蛋白，一旦損傷，修復(fù)能力極為有限[2-3]。半月板主要通過(guò)圓周排列的膠原纖維來(lái)分配負(fù)荷[4]。在半月板撕裂的情況下，這種功能相應(yīng)的受到破壞，后期往往會(huì)導(dǎo)致骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生[4-5]。目前，通過(guò)半月板部分切除術(shù)去除不穩(wěn)定的、受損的撕裂部分仍然是手術(shù)治療半月板撕裂的金標(biāo)準(zhǔn)，并且占美國(guó)膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)的一半[6]。然而，部分或全部半月板切除術(shù)都與膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)展有關(guān)，并不能實(shí)質(zhì)性地改善患者的預(yù)后和治療效果[7]。

隨著對(duì)半月板在膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)中的重要作用的認(rèn)識(shí)不斷深入，利用組織工程技術(shù)進(jìn)行半月板的修復(fù)再生為半月板損傷患者的治療帶來(lái)了新的希望。組織工程主要包含三個(gè)要素：支架、細(xì)胞和生長(zhǎng)因子[8]。開(kāi)發(fā)半月板再生支架的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一在于其復(fù)雜的區(qū)域依賴性生物力學(xué)特征。這就要求支架材料必須具有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能，在發(fā)揮緩沖作用的同時(shí)能夠保持適合的關(guān)節(jié)面全接觸力學(xué)支撐，以避免不均勻的力學(xué)沖擊導(dǎo)致的關(guān)節(jié)軟骨退化以及隨后產(chǎn)生的骨性關(guān)節(jié)炎[9]，同時(shí)承接的適宜力學(xué)刺激對(duì)于纖維軟骨再生也有促進(jìn)作用。此外，支架材料還需要具有優(yōu)良的生物學(xué)特性，能夠充分促進(jìn)細(xì)胞的浸潤(rùn)、增殖和分化，進(jìn)一步增強(qiáng)支架的整合性，以利于形態(tài)與功能兼?zhèn)涞陌朐掳褰M織再生。隨著天然聚合物、合成聚合物和脫細(xì)胞材料為主的生物材料和材料復(fù)合策略以及新型材料的迅速發(fā)展，共價(jià)交聯(lián)、靜電紡絲和 3D 打印等支架制備方法的不斷創(chuàng)新，進(jìn)一步為新的干預(yù)手段幫助患者恢復(fù)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能和實(shí)現(xiàn)半月板組織再生創(chuàng)造了條件。本文就近年來(lái)所研究的生物材料的類型和特性以及不同支架制備方法作一綜述，并對(duì)支架的功能化策略進(jìn)行展望，意在為應(yīng)用組織工程技術(shù)治療半月板損傷提供理論和研究依據(jù)。

1 半月板組織工程支架材料的性能要求

從合成支架的固有缺陷可以明顯看出，目前的支架設(shè)計(jì)面臨著無(wú)法充分滿足半月板的復(fù)雜區(qū)域依賴性力學(xué)特性、成分構(gòu)成和功能仿生的問(wèn)題，為了解決這個(gè)問(wèn)題，許多研究者聚焦于生物材料的角度，試圖通過(guò)對(duì)材料的仿生設(shè)計(jì)，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)一種取向性好，能夠充分促進(jìn)細(xì)胞增殖、分化的支架。理想情況下，用于半月板修復(fù)和再生的組織工程支架需要同時(shí)滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：①生物相容性好，體內(nèi)生物反應(yīng)溫和，無(wú)免疫原性反應(yīng)，降解速率和宿主組織再生協(xié)調(diào)，適宜于駐留細(xì)胞分泌細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）；②具有相對(duì)低摩擦的表面，同時(shí)具有親水性、親細(xì)胞性，促進(jìn)細(xì)胞的黏附增殖和浸潤(rùn)；③生物力學(xué)好，能夠承受高的循環(huán)載荷，超過(guò)或匹配天然半月板組織的抗壓、抗拉強(qiáng)度；④便于制備，同時(shí)抵抗長(zhǎng)期蠕變的變形；⑤具備適宜的孔隙率和相互連接的通道，便于細(xì)胞滲透填充和新陳代謝，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝廢物的有效轉(zhuǎn)移；⑥具有良好的生物活性和藥物投遞性能，能夠很好地保持藥物并緩釋，加速細(xì)胞組分的再生和ECM 的合成。滿足以上條件的復(fù)合支架最終才能夠充分仿生半月板微環(huán)境和微結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)成功再生的目的。

圖 1 半月板結(jié)構(gòu)特征（A：橫截面觀；B：俯視面觀）

2 半月板組織工程支架材料的分類

生物材料在半月板修復(fù)和再生中起著重要的作用，基于生物材料制備的支架需要提供適宜的微環(huán)境來(lái)維持細(xì)胞的功能。這些支架必須具備合適的特性，例如力學(xué)強(qiáng)度、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和降解特性，同時(shí)具有生物活性，能夠促進(jìn)細(xì)胞的遷移、增殖和分化。支架材料可分為脫細(xì)胞材料、天然聚合物和合成聚合物，目前主要應(yīng)用的生物材料特點(diǎn)見(jiàn)表 1。

2.1 天然聚合物

天然聚合物例如多糖類和蛋白類具有優(yōu)異的生物相容性、易于制備性和生物活性，應(yīng)用于半月板支架中有著很大潛力。天然聚合物材料主要包括膠原、明膠、絲素蛋白、透明質(zhì)酸、海藻酸鹽和殼聚糖等。絲素蛋白是目前應(yīng)用于半月板組織工程中的熱門材料之一。絲素蛋白是一種天然蛋白質(zhì)纖維，而桑蠶蠶繭來(lái)源的絲素蛋白目前應(yīng)用的最為廣泛[10]。絲素蛋白具有獨(dú)特的機(jī)械強(qiáng)度、彈性、合適的生物相容性、低免疫原性和生物降解性[11-12]。值得關(guān)注的是，在半月板組織工程領(lǐng)域中絲素蛋白已被應(yīng)用于 3D 打印技術(shù)并取得了一定進(jìn)展。例如，Bandyopadhyay 和 Mandal[13]利用 3D 打印技術(shù)設(shè)計(jì)制備了基于絲素蛋白的仿生三層半月板支架，顯示出理想的膨脹率、降解性和機(jī)械強(qiáng)度。將豬半月板纖維軟骨細(xì)胞接種于該支架后，發(fā)現(xiàn)有大量的 ECM 組分分泌，同時(shí)細(xì)胞生長(zhǎng)狀況良好，細(xì)胞形態(tài)也得到了維持?？紤]到天然聚合物材料廣泛存在力學(xué)強(qiáng)度弱、形態(tài)維持困難的問(wèn)題，需要利用不同方法進(jìn)行交聯(lián)以確保材料在生理?xiàng)l件下的穩(wěn)定性。交聯(lián)方法主要包括共價(jià)交聯(lián)和非共價(jià)交聯(lián)，兩種途徑各自有著不同的特點(diǎn)：前者可以增加材料的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，而后者適用于材料的注射使用[14]。例如海藻酸鹽可以很容易地進(jìn)行化學(xué)和物理修飾，以改進(jìn)機(jī)械性能、降解性、凝膠特性和細(xì)胞親和性等[15]。Kim 等[16]利用超純化的海藻酸鹽作為注射凝膠，通過(guò) CaCl2溶液進(jìn)行交聯(lián)并用于兔半月板圓柱狀缺損處的修復(fù)，展現(xiàn)出良好成纖維軟骨修復(fù)性能。對(duì)天然聚合物材料的改性可以賦予其獨(dú)特的理化性質(zhì)。例如，甲基丙烯酰酯明膠（gelatin methacryloyl，GelMA）是明膠的一種衍生物，由于引入的甲基丙烯酰取代基的光聚合作用，在光引發(fā)劑的輔助和光照條件下，明膠鏈被賦予了光交聯(lián)的性質(zhì)，最終制備的 GelMA 材料因其理想的生物相容性和可控的機(jī)械性能受到研究者們的廣泛關(guān)注[17-18]。Bahcecioglu 等[19]發(fā)現(xiàn)利用 GelMA 凝膠和 GelMA-海藻酸鹽凝膠培養(yǎng)纖維軟骨細(xì)胞后均顯著提高 II 型膠原的表達(dá)，并分別在 I 型膠原和蛋白聚糖合成方面起到了明顯的促進(jìn)作用。這提示對(duì)于組織成分異質(zhì)性的半月板來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)基于不同生物活性材料的取向性支架的重要意義。

2.2 合成聚合物

相較于天然材料，合成聚合物具有易于成型、供應(yīng)方便、機(jī)械性能佳等一系列的優(yōu)勢(shì)，然而也存在著細(xì)胞親和性差和生物活性低等缺陷，往往不能很好地與鄰近的宿主組織相整合[3]。目前最常用于半月板組織工程的合成聚合物以脂肪族聚酯類為主，如聚己內(nèi)酯（PCL）、聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）和聚乳酸（PLA）等，其他的常見(jiàn)聚合物還包括聚乙二醇（PEG）、聚氨酯（PU）和聚環(huán)氧乙烷（PEO）等。

表 1 組織工程半月板支架材料的優(yōu)缺點(diǎn)比較分析

PCL 是一種生物降解性的聚酯材料，由于其低熔點(diǎn)（56 ~ 61 ℃）、降解緩慢、良好細(xì)胞相容性和高度共混相容性，目前已廣泛應(yīng)用于組織工程骨、軟骨、肌腱、皮膚等領(lǐng)域[20-21]。為了克服 PCL 的疏水性和細(xì)胞附著性差的缺陷，材料的表面修飾對(duì)于提升其生物學(xué)應(yīng)用非常關(guān)鍵[22]。Gopinathan 等[23]將半乳糖整合入 PCL 納米纖維支架內(nèi)，顯著地提升了支架親水性并能夠很好地維持半月板細(xì)胞的活性。將半月板細(xì)胞種植于該支架上，結(jié)果顯示半乳糖的引入可有效地提升半月板細(xì)胞的黏附和增殖。Zhou 等[24]探究了氫氧化鈉溶液不同的浸泡時(shí)間對(duì) PCL 材料表面親水性改性和細(xì)胞黏附性的影響，結(jié)果顯示隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，PCL 支架表面更加粗糙，在提升親水性的同時(shí)改善了間充質(zhì)干細(xì)胞和纖維軟骨細(xì)胞的黏附、活性和增殖特性。

PLGA 是由不同比例的乙醇酸和乳酸單體組成的線性共聚物[25]。作為一種良好的藥物負(fù)載材料，PLGA 在組織工程支架方面極具應(yīng)用前景[26]。PLGA 具有許多吸引人的特性，包括生物降解性、簡(jiǎn)單靈活的制備方式、藥物載體潛力、表面功能化修飾以及有針對(duì)性的靶向輸送能力等[27]。PLGA 可以在水溶液中被水解，其中具有酯鍵的聚合物主鏈被隨機(jī)水解，最終產(chǎn)物為生物惰性的乙醇酸和乳酸并通過(guò)常見(jiàn)的代謝途徑從體內(nèi)清除[28]。Gu 等[29]利用軟骨源性形態(tài)發(fā)生蛋白 2 和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子 β1 對(duì) PLGA 支架上接種的成肌細(xì)胞進(jìn)行 14 d 的預(yù)培養(yǎng)，植入半月板缺損部位后產(chǎn)生了明顯的組織修復(fù)效果。在載藥應(yīng)用方面，Tarafder 等[30]將轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子 β3 和結(jié)締組織生長(zhǎng)因子分別加載于 PLGA 微球內(nèi)并應(yīng)用于半月板縱向損傷模型當(dāng)中，結(jié)果顯示一周內(nèi)快速釋放的結(jié)締組織生長(zhǎng)因子成功地將滑膜間充質(zhì)干細(xì)胞招募至切口部位，并形成完整的纖維基質(zhì)，而緩慢釋放長(zhǎng)達(dá)36 d 的轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子 β3，成功地促進(jìn)了纖維軟骨基質(zhì)的形成和與周圍組織的良好整合。

PEO 具有生物相容性好、無(wú)毒性和降解迅速的特性，可以作為一種替代性的水溶性支架材料應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域來(lái)增加孔隙率并促進(jìn)細(xì)胞浸潤(rùn)[31]。例如，Qu 等[32]設(shè)計(jì)了 PEO 電紡絲纖維負(fù)載具有基質(zhì)降解作用的膠原酶，結(jié)果顯示當(dāng)含有膠原酶釋放組分的復(fù)合支架體外植入半月板組織切口中后，PEO 迅速降解伴隨著酶的釋放并在切口邊緣發(fā)揮局部消化作用，成功增加了組織孔隙度以利于細(xì)胞遷移和黏附?？偟膩?lái)說(shuō)，疏水的合成聚合物缺乏接合基序去介導(dǎo)細(xì)胞行為，不過(guò)其疏水特性也降低了造成免疫原性反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。此外，合成聚合物材料的功能還可以通過(guò)添加生物活性或細(xì)胞親和的基序（如 RGD）來(lái)實(shí)現(xiàn)[33]。

2.3 組織來(lái)源的脫細(xì)胞材料

ECM 是一種天然的三維支架，具有特定的生化組分并且對(duì)于目標(biāo)組織具有高度的結(jié)構(gòu)相似性和低免疫原性，ECM 材料包含蛋白多糖、糖胺多糖和多種生長(zhǎng)因子，對(duì)于組織細(xì)胞的遷移、增殖和分化均具有一定的調(diào)節(jié)能力。脫細(xì)胞技術(shù)的迅速發(fā)展使得 ECM 類材料已廣泛應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域[34]。在半月板組織工程領(lǐng)域，諸多體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了脫細(xì)胞材料作為支架的良好性能。最近，Ruprecht 等[35]證明了利用豬半月板組織制備的 ECM 支架具有高度的細(xì)胞親和性并能促使細(xì)胞浸潤(rùn)入支架，提示其具有一定的原位細(xì)胞招募作用。為了克服單純 ECM 支架機(jī)械強(qiáng)度不足的缺陷，Yuan 等[36]設(shè)計(jì)了脫礦松質(zhì)骨和脫細(xì)胞半月板細(xì)胞外基質(zhì)的復(fù)合支架，在拉伸和壓縮性能上均明顯提升的同時(shí)，兔半月板軟骨細(xì)胞在復(fù)合支架上生長(zhǎng)較好，也有較多的 GAG 和膠原的分泌，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)相較于單純的脫細(xì)胞外基質(zhì)支架，復(fù)合支架的修復(fù)效果更好。Gao 等[37]將不同比例的脫細(xì)胞半月板細(xì)胞外基質(zhì)和 PCL 混合，利用靜電紡絲技術(shù)制備了一種復(fù)合纖維支架，實(shí)驗(yàn)按照不同濃度細(xì)胞半月板細(xì)胞外基質(zhì)混入和纖維走行是否取向而分組，結(jié)果顯示取向纖維在力學(xué)強(qiáng)度表現(xiàn)更好的同時(shí)，20% 脫細(xì)胞半月板細(xì)胞外基質(zhì)的混入產(chǎn)生了最佳的細(xì)胞黏附和增殖表現(xiàn)。盡管組織來(lái)源的脫細(xì)胞材料具有諸多優(yōu)勢(shì)，但如何優(yōu)化其制備流程和豐富其組織來(lái)源值得研究者們繼續(xù)探究。

2.4 復(fù)合支架

復(fù)合支架指的是支架材料由多種理化性質(zhì)不同的聚合物材料結(jié)合而成，其主要優(yōu)勢(shì)在于能夠滿足單一材料不能夠?qū)崿F(xiàn)的理想的綜合特性[38]。多種材料的結(jié)合相較于單個(gè)材料，可以構(gòu)建同時(shí)提高生物學(xué)和力學(xué)特性的復(fù)合材料。由多種合成和天然的聚合物材料所制備的復(fù)合支架已被用于半月板組織工程領(lǐng)域當(dāng)中并展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價(jià)值。

聚合物材料與仿細(xì)胞外基質(zhì)材料是半月板組織工程領(lǐng)域中最常見(jiàn)的復(fù)合材料體系。Cengiz 等[39]利用 3D 打印技術(shù)將絲素蛋白和 PCL 制備成為復(fù)合支架，在 PCL 提供骨架以滿足力學(xué)要求的同時(shí)，絲素蛋白的引入增加了支架的孔隙率同時(shí)減低了壓縮應(yīng)力，接種半月板細(xì)胞并植入裸鼠皮下后發(fā)現(xiàn)這種復(fù)合支架的組織浸潤(rùn)效果更好，同時(shí)免疫反應(yīng)較輕。從提升支架的機(jī)械性能角度出發(fā)，Gao 等[40]用靜電紡絲 PCL 纖維增強(qiáng)支架的機(jī)械性能，通過(guò)脫細(xì)胞半月板細(xì)胞外基質(zhì)提供宜于細(xì)胞浸潤(rùn)、黏附和生長(zhǎng)的良好微環(huán)境，設(shè)計(jì)制備了一種具有 5 層結(jié)構(gòu)的 PCL-脫細(xì)胞半月板細(xì)胞外基質(zhì)-PCL 復(fù)合支架，其良好的半月板修復(fù)效果驗(yàn)證了支架兼顧力學(xué)仿生和成分仿生的重要性。此外，生物材料還可以作為細(xì)胞或因子的優(yōu)良載體，通過(guò)生物活性分子的引入和可控釋放有助于新生細(xì)胞的遷移和支架的整合。例如，Qu 等[41]制備了旨在提升半月板組織修復(fù)的三組分納米纖維支架，支架由 PEO、透明質(zhì)酸和 PCL 纖維混紡而成，其中 PCL 作為類似于 ECM 纖維的納米結(jié)構(gòu)為支架提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度；PEO 纖維內(nèi)含的膠原酶和透明質(zhì)酸纖維內(nèi)含的血小板衍生生長(zhǎng)因子 AB 作為生物活性成分。以上三種納米纖維同時(shí)靜電紡絲的方法提供了一個(gè)序貫的治療組分釋放過(guò)程，為了實(shí)現(xiàn)修復(fù)組織周圍細(xì)胞募集的目的，迅速降解的 PEO 釋放出膠原酶以減少組織界面的 ECM 致密程度和強(qiáng)度，接下來(lái)降解的透明質(zhì)酸纖維釋放的血小板衍生生長(zhǎng)因子 AB 利于招募內(nèi)源性細(xì)胞富集于損傷部位。該支架與半月板外植體植入裸鼠皮下后顯示支架整合程度達(dá) 77%，免疫組化分析也顯示，支架組的 I 型和 II 型膠原大量沉積于組織界面附近，提示該支架具有良好的細(xì)胞募集和提升支架整合性的作用。綜上所述，復(fù)合支架可以充分結(jié)合發(fā)揮不同聚合物材料的特性，滿足力學(xué)要求的同時(shí)利于細(xì)胞黏附和生長(zhǎng)，從而為半月板再生修復(fù)提供良好的基礎(chǔ)。

3 半月板支架制備方法進(jìn)展

僅僅關(guān)注聚合物材料種類選擇，對(duì)于目標(biāo)組織的機(jī)械和形態(tài)匹配方面可能是不夠的。除去材料本身的類型和特性之外，制備技術(shù)可以影響生物材料的孔隙結(jié)構(gòu)、降解特性、機(jī)械強(qiáng)度、細(xì)胞浸潤(rùn)性等一系列屬性[42]。重要的是，支架的優(yōu)良理化功能特性和可重復(fù)性在損傷治療方面必不可少[43]，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際需要和生物材料的特性靈活選擇構(gòu)建支架的制備方法和技術(shù)。表 2 展示了一些傳統(tǒng)的和新發(fā)展的支架制備方法。

表 2 組織工程半月板支架制備方法

傳統(tǒng)的半月板支架材料制作方式包括溶劑澆鑄/顆粒浸出、模具塑型、冷凍干燥和靜電紡絲技術(shù)等[5]。每種技術(shù)各有其特點(diǎn)也有其劣勢(shì)。例如靜電紡絲的優(yōu)勢(shì)在于不僅可以制造微米級(jí)別的纖維，還能制造直徑在納米級(jí)別的纖維[44]。靜電紡絲納米纖維具有不同于其他材料的獨(dú)特特性，高的表面體積比、連通的孔隙結(jié)構(gòu)以及表面功能化的潛力使得納米纖維具有模擬 ECM 的可行性[45]。靜電紡絲的缺點(diǎn)則包括孔隙尺寸過(guò)小，纖維致密，導(dǎo)致支架過(guò)薄而無(wú)法滿足臨床應(yīng)用需要等[46]。

對(duì)于支架構(gòu)建來(lái)說(shuō)，模擬組織本身的取向纖維排列結(jié)構(gòu)對(duì)于細(xì)胞遷移、生長(zhǎng)和組織再生意義重大。Chen等[47]利用基于立體光刻的 3D 打印技術(shù)，制備了負(fù)載骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體的脫細(xì)胞軟骨細(xì)胞外基質(zhì)/GelMA 組織工程支架，該支架具有徑向的取向孔道以利于周圍組織軟骨細(xì)胞的遷移，為組織工程半月板支架制備提供了新的思路。針對(duì)傳統(tǒng)的靜電紡絲共混方式載藥而導(dǎo)致的藥物突然釋放的風(fēng)險(xiǎn)，有研究者開(kāi)發(fā)出同軸靜電紡絲技術(shù)，通過(guò)同時(shí)噴射出兩種不同組分的紡絲液而形成的核-殼結(jié)構(gòu)，可以保護(hù)脆弱的生長(zhǎng)因子等蛋白質(zhì)[48-49]。Baek 等[50]利用聚乙二醇溶劑和同軸靜電紡絲技術(shù)制備了一種由聚乙二醇改性的聚乳酸為外殼、包裹血小板衍生生長(zhǎng)因子 BB 的牛血清白蛋白溶液為內(nèi)核的納米纖維支架，該支架具有理想的機(jī)械性能、細(xì)胞親和性和良好的生長(zhǎng)因子緩釋特性。

針對(duì)傳統(tǒng)半月板支架加工方法所存在的諸如難以控制支架孔徑、幾何結(jié)構(gòu)和孔隙連通性以及細(xì)胞和生物活性因子的空間分布不精確等問(wèn)題。目前迅速發(fā)展的 3D 生物打印技術(shù)可以混合打印聚合物和水凝膠材料制備支架，溫和性的水凝膠可以有效封裝細(xì)胞并維持其活性[51-52]。例如，Sun等[53]利用明膠/纖維蛋白原/透明質(zhì)酸/甘油復(fù)合凝膠作為細(xì)胞載體，采用 3D 生物打印技術(shù)制作了可供移植的仿生半月板結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于山羊半月板移植模型，證實(shí)有較好的修復(fù)效果。在天然纖維軟骨中，原位的細(xì)胞不僅能通過(guò)來(lái)自細(xì)胞外基質(zhì)的拓?fù)渥兓兄獧C(jī)械傳導(dǎo)，而且還可以通過(guò)機(jī)械刺激（如間質(zhì)流動(dòng)）感知周邊的物理微環(huán)境。有研究人員利用微流控技術(shù)模擬細(xì)胞外基質(zhì)的機(jī)械刺激和微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)探究其對(duì)干細(xì)胞的影響。例如，Zhong 等[54]制備了結(jié)合納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和流動(dòng)刺激的仿生微流控裝置，結(jié)果表明，垂直于納米纖維排列的流動(dòng)方向有利于間充質(zhì)干細(xì)胞的纖維軟骨分化。總之，發(fā)展新的支架制備方法和發(fā)掘現(xiàn)有技術(shù)潛力對(duì)于提升半月板損傷修復(fù)效果至關(guān)重要。

4 組織工程半月板支架的功能化進(jìn)展

不同的制備方法開(kāi)發(fā)的組織工程支架一直力求從結(jié)構(gòu)、成分和功能方面來(lái)模仿天然組織以達(dá)到更好的修復(fù)效果。得益于其本身復(fù)雜的異質(zhì)性結(jié)構(gòu)作支撐，半月板發(fā)揮著維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)的重要功能，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)也造成了修復(fù)過(guò)程的困難性。關(guān)節(jié)腔內(nèi)的力學(xué)環(huán)境嚴(yán)酷性、組織致密性、細(xì)胞的高度分化類型和缺乏血供等特質(zhì)導(dǎo)致周圍細(xì)胞完成遷移、增殖和分化的整個(gè)修復(fù)再生過(guò)程極度受限且漫長(zhǎng)。

支架的功能化改進(jìn)首先需要滿足生物力學(xué)要求。半月板作為膝關(guān)節(jié)內(nèi)發(fā)揮傳導(dǎo)并緩沖關(guān)節(jié)應(yīng)力的重要組織結(jié)構(gòu)，其組織生化成分、基因表達(dá)水平和機(jī)械強(qiáng)度也受到力學(xué)環(huán)境的影響[55]。因此，為有效實(shí)現(xiàn)損傷后的再生修復(fù)，組織工程半月板支架材料需要克服關(guān)節(jié)內(nèi)的力學(xué)沖擊并對(duì)生物力學(xué)刺激做出適應(yīng)性反應(yīng)。例如，多項(xiàng)研究表明半月板細(xì)胞具有靈敏的機(jī)械刺激反應(yīng)性，在不同的生物力學(xué)刺激下可表現(xiàn)出代謝活動(dòng)改變或促炎/抗炎反應(yīng)等生物學(xué)效應(yīng)[56-57]。近年來(lái)，有學(xué)者嘗試應(yīng)用生物力學(xué)刺激促使半月板支架纖維軟骨化并產(chǎn)生了一定的研究成果。例如，Zhang 等[58]利用定制動(dòng)態(tài)拉伸-拉伸負(fù)荷加載系統(tǒng)對(duì)負(fù)載骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的 PCL 支架進(jìn)行持續(xù)力學(xué)刺激，在轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子 β3 和結(jié)締組織生長(zhǎng)因子復(fù)合培養(yǎng) 2 周后加載最大為 10% 壓縮形變的生物力學(xué)刺激，制備出的細(xì)胞支架復(fù)合物移植入兔半月板缺損部位后不僅滿足了細(xì)胞和 ECM 組分的重建需求，同時(shí)也很好地提供了生物力學(xué)支撐并恢復(fù)了膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)功能。此外，Polito 等[59]的結(jié)果表明，施加于原生半月板細(xì)胞的持續(xù)壓力，會(huì)以破壞膠原纖維的正常組織為代價(jià)，觸發(fā)細(xì)胞外基質(zhì)的重塑和細(xì)胞表型的早期成熟。也有數(shù)據(jù)表明，動(dòng)態(tài)壓縮載荷應(yīng)變從 10% 增加到 20% 會(huì)導(dǎo)致半月板外植體的分解代謝活性和炎癥反應(yīng)增加[55]。這提示我們?cè)谖磥?lái)研究設(shè)計(jì)中應(yīng)用生物反應(yīng)器作用于細(xì)胞-支架復(fù)合物的生物力學(xué)負(fù)荷強(qiáng)度和作用時(shí)間的參數(shù)設(shè)定仍有待進(jìn)一步探索。

在生物學(xué)活性方面，研究者們一直以來(lái)試圖通過(guò)補(bǔ)充各種生長(zhǎng)因子，諸如轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子 β、胰島素樣生長(zhǎng)因子、血小板衍生生長(zhǎng)因子、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子、骨形態(tài)發(fā)生蛋白來(lái)促進(jìn)再生過(guò)程[60]。負(fù)載生物活性分子的功能化支架是目前廣泛研究的一個(gè)領(lǐng)域。Lee 等[61]構(gòu)建了去細(xì)胞半月板支架為基礎(chǔ)的功能化支架用于半月板修復(fù)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)與肝素的親和作用將血小板衍生生長(zhǎng)因子固定于支架之上來(lái)實(shí)現(xiàn)損傷組織內(nèi)源性細(xì)胞的募集，并提供半月板再生良好的特異性微環(huán)境，結(jié)果顯示，在原位組織和支架之間間隙填充良好，生物力學(xué)特性也得到了提升。另一方面，具有諸多特性的納米材料與聚合物的復(fù)合材料可以克服傳統(tǒng)聚合物的局限性，是更加理想的選擇之一[62]。例如，碳納米管、石墨烯以及氧化石墨烯顆粒具有不同尋常的機(jī)械強(qiáng)度和高表面積/體積比，能夠賦予材料一定的生物學(xué)活性[42]。Gopinathan 等[63]探究了碳納米管混合 PCL 后的治療效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)制備的納米纖維增強(qiáng)了人半月板細(xì)胞的增殖特性。其他的無(wú)機(jī)材料同樣具有獨(dú)特的生物學(xué)特性并在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出一定的修復(fù)效果。Zhang 等[64]發(fā)現(xiàn)高純度鎂制成的縫針材料可以有效促進(jìn)滑膜間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附和遷移，并促進(jìn)纖維軟骨分化?？傊?，為了達(dá)到支架的功能化以促進(jìn)半月板再生的目的，對(duì)于生物材料的生物力學(xué)和生物化學(xué)刺激被廣泛研究并應(yīng)用，越來(lái)越多的具備多種特性的生物材料被證明具有組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，對(duì)于材料的綜合利用和創(chuàng)新探究正方興未艾。

5 結(jié)論與展望

半月板損傷的修復(fù)再生是骨科工作者一直以來(lái)試圖解決的基礎(chǔ)研究難題和臨床關(guān)注熱點(diǎn)。隨著對(duì)半月板的解剖、結(jié)構(gòu)和生理研究的不斷深入，基于生物材料的組織工程支架再生策略展現(xiàn)出極具應(yīng)用潛力的前景。鑒于單一材料制備的支架往往不能滿足半月板再生修復(fù)復(fù)雜要求的現(xiàn)實(shí)，多種材料的復(fù)合支架，創(chuàng)新性的制備方法、生物力學(xué)刺激以及包括生物活性分子、納米材料和無(wú)機(jī)材料的功能化改造，在基礎(chǔ)研究中證明能更好地滿足半月板支架機(jī)械性能和生物學(xué)性能要求，是未來(lái)研究的大方向之一。然而目前的支架距離臨床轉(zhuǎn)化還存在著一定距離，再生半月板組織的質(zhì)量、支架與周圍組織的整合、降解速度與組織再生速度的匹配乃至于組織異質(zhì)性的重建都是棘手的問(wèn)題。新興材料的發(fā)現(xiàn)和先進(jìn)支架制備技術(shù)的進(jìn)步，將有助于組織工程半月板支架達(dá)到結(jié)構(gòu)、成分、功能均成功仿生的目標(biāo)，有望提高臨床治療半月板損傷的療效。

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郭全義，Email：doctorguo_301@163.com

2020-06-24