組織工程韌帶/肌腱支架材料的研究進展

楊亞冬 張文元 房國堅

(浙江省醫(yī)學院科學院,浙江 杭州 310013)

理想的組織工程韌帶和肌腱的支架材料需具備耐受持續(xù)的高強度張力、耐磨損性好、無免疫原性、良好的生物相容性及降解性。目前應用于組織工程韌帶及肌腱的支架材料主要可分為兩大類,天然高分子材料與合成高分子材料。選擇合適的支架材料非常關鍵,它必須具有一定的機械強度及合適的降解速度,才能在完成支架的使命后為正常組織的生長留出空間。本文對這兩種材料制備的韌帶和肌腱的研究進展作如下綜述。

1 天然高分子材料制備的組織工程韌帶和肌腱

天然生物材料就是經(jīng)生物過程形成的材料[1]。目前用于韌帶或肌腱的天然生物材料大致可分為兩類[2]:天然衍生材料,如膠原纖維、絲素、殼聚糖等;生物衍生材料,如小腸黏膜下層和膀胱黏膜下層等。下面就這些材料的特點及應用進行詳述。

1.1 膠原纖維 膠原種類較多,其中I型膠原在動物中含量最多,研究也最多,已被廣泛用于生物材料及生化試劑。膠原纖維是韌帶/肌腱的主要成分,其獨特性能是形成高強度的不溶性纖維。方躍等[3]研究用各種材料修復裸鼠跟腱缺損,結(jié)果發(fā)現(xiàn)復合膠原的材料早期力學強度高于對照組,表明膠原在肌腱修復的早期能增強組織工程肌腱的力學強度。Henshaw等[4]用周期的拉伸刺激種植有成纖維細胞的三維膠原凝膠支架,可促進韌帶修復,使新生組織中細胞呈線性排列,膠原纖維呈平行排列,與體內(nèi)韌帶的細胞及膠原排列相似,而對照組(無外加的周期拉力刺激)的細胞分布及膠原蛋白排列雜亂無序。此結(jié)果提示細胞能在膠原材料上粘附增殖,且膠原凝膠能產(chǎn)生細胞外基質(zhì),這些特點使膠原成為韌帶/肌腱支架的首選,但是由于韌帶/肌腱的強度需求特殊性,如果沒有周期性拉力刺激,很難使新形成的組織具有韌帶/肌腱的功能特點及組織學特點[5]。

1.2 絲素 蠶絲絲素,又稱絲心蛋白,其成分幾乎是純蛋白,它構象的主要特征是β片層二級結(jié)構,這個構象使之有優(yōu)異的力學性能,蠶絲沿纖維軸方向上既有較高的強度,又有較大的延伸率。田旭等[6]用蠶絲絲素與肌腱細胞聯(lián)合培養(yǎng)構建組織工程肌腱,發(fā)現(xiàn)蠶絲材料有利于肌腱細胞粘附生長,降解緩慢,抗拉性優(yōu)越。Altman等[7]通過對蠶絲材料的研究得出結(jié)論:合適的蠶絲基質(zhì),除了提供獨特的機械力學特性以及生物相容性和緩慢降解速度以外,還能提供合適的生物材料基質(zhì)為成體干細胞向韌帶細胞分化提供支持。這個結(jié)果表明這種基質(zhì)可用于修復前交叉韌帶來解決目前合成和其它降解材料的局限性。為增加細胞在支架上的粘附、增殖,Chen等[8]用精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)修飾蠶絲纖維,發(fā)現(xiàn)RGD耦合的蠶絲基質(zhì)促進骨髓間充質(zhì)干細胞的粘附、增殖,并促進膠原基質(zhì)產(chǎn)生,連同機械力學,耐疲勞度和蠶絲蛋白基質(zhì)的生物相容性都提高,提示經(jīng)RGD修飾的蠶絲材料具有用于組織工程韌帶的潛能。絲素獨特的機械特性及側(cè)鏈化學過程多樣性,使該材料在組織工程中應用越來越廣泛,不過也有報道其生物相容性的一些問題,可能原因是蠶絲脫膠不夠徹底,剩余的絲膠(膠樣蛋白)污染導致生物相容性差[9]。

1.3 殼聚糖 殼聚糖(chitosan)是由自然界廣泛存在的幾丁質(zhì)(chitin)經(jīng)過脫乙酰作用得到的多聚糖。它具有良好的生物相容性及可降解性,已被各行各業(yè)廣泛關注,在醫(yī)藥、食品、化工、化妝品、水處理、金屬提取及回收、生化和生物醫(yī)學工程等諸多領域都有應用研究。Funakoshi等[10]在殼聚糖為基礎的透明質(zhì)酸混合纖維支架上種植成纖維細胞,用來治療兔肩袖(又叫旋轉(zhuǎn)袖,是包繞在肱骨頭周圍的一組肌腱復合體)損傷,結(jié)果發(fā)現(xiàn)支架材料促進支架上細胞產(chǎn)生I型膠原并提高肩袖再生組織的機械強度,提示采用該材料可作為組織工程肌腱的支架。Majima等[11]用不同比例混合制成藻酸鹽和殼聚糖聚離子復合物纖維支架,證實成纖維細胞在藻酸鹽殼聚糖混合支架上比僅用藻酸鹽制成的支架上顯示更好的粘附能力,以及能產(chǎn)生更多的I型膠原纖維。由此推斷藻酸鹽的殼聚糖混合聚合物纖維成為韌帶和肌腱組織工程的生物材料支架具有相當大的潛能。

1.4 豬小腸黏膜下層 豬小腸黏膜下層(SIS)作為支架已用于修復各種組織,如血管、泌尿生殖系統(tǒng)及肌肉骨骼系統(tǒng)。這種天然細胞外基質(zhì)的組成成分和結(jié)構與結(jié)締組織的細胞外基質(zhì)相似,所以它更接近于天然結(jié)締組織復雜的結(jié)構,利于細胞的粘附,更具相容性[12]。Musahl等[13]用SIS治療兔內(nèi)側(cè)副韌帶,結(jié)果發(fā)現(xiàn)SIS治療組細胞生成較多,有較多的膠原沉淀,膠原纖維排列明顯改善,表明SIS能促進斷裂的內(nèi)側(cè)副韌帶損傷愈合,且發(fā)現(xiàn)用SIS治療后韌帶的機械力學和組織學都明顯好于對照組。SIS雖然是一種異體材料,但由于進行了脫細胞處理,材料內(nèi)異體細胞少,主要由膠原構成,故免疫原性小,很少出現(xiàn)明顯的排異反應。

2 人工合成高分子材料

由于高分子材料獨特的結(jié)構和易改性、易加工特點,使其具有其他材料不可比擬、不可取代的優(yōu)異性能,從而在各個領域,成為一種應用極為廣泛的材料。

2.1 聚乳酸(PLA) 聚乳酸全名為poly lactic acid(PLA),是一種丙交酯聚酯,以乳酸為主要原料聚合得到,原料來源充分而且可以再生。聚乳酸的生產(chǎn)過程無污染,而且產(chǎn)品可以生物降解,是理想的綠色高分子材料。其機械性能及物理性能良好,在醫(yī)療領域有廣泛的應用。它在組織工程中一般都采用涂層的方式來發(fā)揮作用,很少單獨使用。王萬明等[14]將聚乳酸涂布在編織好的碳纖維材料上以改善其力學性能、用游離淺筋膜包裹該編織帶來治療狗前交叉韌帶,術后形成了類似正常前交叉韌帶的碳纖維-生物組織復合體。單純用聚乳酸涂層的編織帶在關節(jié)內(nèi)不能形成具有力學意義的新生韌帶,原因是涂層直接暴露在滑膜腔內(nèi),表面形成纖維性覆蓋物,細胞成分及血管少,使組織透明變性,喪失了繼續(xù)生長的能力。李成民[15]將聚乳酸凝膠涂布在斷裂的肌腱上以防組織粘連,結(jié)果發(fā)現(xiàn)其防粘連作用理想,且可促進肌腱的內(nèi)源性愈合。韓可瑜等[16]采用聚乙烯纖維-聚乳酸復合材料修復兔跟腱,拉伸實驗測得該復合材料具有良好的生物功能和生物力學特性,術后炎性反應和囊璧形成均很少,術后6周形成類腱組織。

2.2 聚乳酸羥基乙酸(PLGA) 聚乳酸羥基乙酸(polylactic-co-glycolic acid PLGA)是聚乳酸(PLA)與聚羥基乙酸(PGA)的共聚物,與PLA及PGA相比,PLGA組織相容性更優(yōu)異,且降解性、機械性能調(diào)節(jié)范圍更大,因此成為目前應用最廣泛的人工合成高分子材料。但PLGA缺乏細胞外基質(zhì)中生物信號和功能基團,與細胞粘附性差,于是很多研究者通過對其表面進行修飾以改善其粘附性差的缺憾[17]。Lu等[18]比較研究 PLA、PGA 、PLGA 這三個編織材料修復前交叉韌帶的情況,發(fā)現(xiàn)PGA支架抗張強度最高,體內(nèi)降解快,導致基質(zhì)破壞和細胞死亡。PLA及PLGA支架降解慢,能維持組織結(jié)構的完整性且有優(yōu)秀的機械性能。用纖維連接蛋白(Fn)修飾后的PLA及PLGA支架利于前交叉韌帶細胞粘附生長及分泌基質(zhì)。發(fā)現(xiàn)在PLA支架上細胞粘附生長最多。綜合細胞生長情況、機械性能和降解特性,研究者得出結(jié)論用Fn修飾后的PLA編織支架是最合適的前交叉韌帶組織工程支架,但用Fn修飾后的PLGA也不失為一種優(yōu)良的候選支架。

近年來,組織工程韌帶/肌腱的研究取得了長足進展,已經(jīng)有初步的臨床應用及獲得了一定的療效[19]。但作為一門多學科交叉學科,組織工程韌帶/肌腱在臨床上的廣泛應用還有一段很長的路要走,需要生命科學、材料科學、工程力學等各個學科不斷發(fā)展和協(xié)同配合研究。

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