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

李浩，楊振，高倉健，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)用進展

李浩，楊振，高倉健，付力偉，劉舒云，郭全義

100853 北京，中國人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心骨科研究所/骨科再生醫(yī)學(xué)北京市重點實驗室/全軍骨科戰(zhàn)創(chuàng)傷重點實驗室（李浩、楊振、高倉健、付力偉、劉舒云、郭全義）；300071 天津，南開大學(xué)醫(yī)學(xué)院（李浩、楊振、高倉健、付力偉）

半月板是位于股骨遠端和脛骨平臺之間兩個半圓形、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)，包含細長的纖維母細胞樣細胞和大量的 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]。半月板主要通過圓周排列的膠原纖維來分配負(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，后期往往會導(dǎo)致骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生[4-5]。目前，通過半月板部分切除術(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)，并不能實質(zhì)性地改善患者的預(yù)后和治療效果[7]。

隨著對半月板在膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)中的重要作用的認(rèn)識不斷深入，利用組織工程技術(shù)進行半月板的修復(fù)再生為半月板損傷患者的治療帶來了新的希望。組織工程主要包含三個要素：支架、細胞和生長因子[8]。開發(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械性能，在發(fā)揮緩沖作用的同時能夠保持適合的關(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]，同時承接的適宜力學(xué)刺激對于纖維軟骨再生也有促進作用。此外，支架材料還需要具有優(yōu)良的生物學(xué)特性，能夠充分促進細胞的浸潤、增殖和分化，進一步增強支架的整合性，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，進一步為新的干預(yù)手段幫助患者恢復(fù)關(guān)節(jié)運動功能和實現(xiàn)半月板組織再生創(chuàng)造了條件。本文就近年來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，并對支架的功能化策略進行展望，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)計面臨著無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)成和功能仿生的問題，為了解決這個問題，許多研究者聚焦于生物材料的角度，試圖通過對材料的仿生設(shè)計，進一步開發(fā)一種取向性好，能夠充分促進細胞增殖、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)，適宜于駐留細胞分泌細胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）；②具有相對低摩擦的表面，同時具有親水性、親細胞性，促進細胞的黏附增殖和浸潤；③生物力學(xué)好，能夠承受高的循環(huán)載荷，超過或匹配天然半月板組織的抗壓、抗拉強度；④便于制備，同時抵抗長期蠕變的變形；⑤具備適宜的孔隙率和相互連接的通道，便于細胞滲透填充和新陳代謝，營養(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)境來維持細胞的功能。這些支架必須具備合適的特性，例如力學(xué)強度、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和降解特性，同時具有生物活性，能夠促進細胞的遷移、增殖和分化。支架材料可分為脫細胞材料、天然聚合物和合成聚合物，目前主要應(yīng)用的生物材料特點見表 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，而桑蠶蠶繭來源的絲素蛋白目前應(yīng)用的最為廣泛[10]。絲素蛋白具有獨特的機械強度、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)并取得了一定進展。例如，Bandyopadhyay 和 Mandal[13]利用 3D 打印技術(shù)設(shè)計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、降解性和機械強度。將豬半月板纖維軟骨細胞接種于該支架后，發(fā)現(xiàn)有大量的 ECM 組分分泌，同時細胞生長狀況良好，細胞形態(tài)也得到了維持?？紤]到天然聚合物材料廣泛存在力學(xué)強度弱、形態(tài)維持困難的問題，需要利用不同方法進行交聯(lián)以確保材料在生理條件下的穩(wěn)定性。交聯(lián)方法主要包括共價交聯(lián)和非共價交聯(lián)，兩種途徑各自有著不同的特點：前者可以增加材料的機械強度和穩(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行化學(xué)和物理修飾，以改進機械性能、降解性、凝膠特性和細胞親和性等[15]。Kim 等[16]利用超純化的海藻酸鹽作為注射凝膠，通過 CaCl2溶液進行交聯(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。對天然聚合物材料的改性可以賦予其獨特的理化性質(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)纖維軟骨細胞后均顯著提高 II 型膠原的表達，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作用。這提示對于組織成分異質(zhì)性的半月板來說，設(shè)計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、機械性能佳等一系列的優(yōu)勢，然而也存在著細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)缺點比較分析

PCL 是一種生物降解性的聚酯材料，由于其低熔點（56 ~ 61 ℃）、降解緩慢、良好細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 的疏水性和細胞附著性差的缺陷，材料的表面修飾對于提升其生物學(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胞的活性。將半月板細胞種植于該支架上，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間對 PCL 材料表面親水性改性和細胞黏附性的影響，結(jié)果顯示隨著浸泡時間的延長，PCL 支架表面更加粗糙，在提升親水性的同時改善了間充質(zhì)干細胞和纖維軟骨細胞的黏附、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水解，最終產(chǎn)物為生物惰性的乙醇酸和乳酸并通過常見的代謝途徑從體內(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)化生長因子 β1 對 PLGA 支架上接種的成肌細胞進行 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)化生長因子 β3 和結(jié)締組織生長因子分別加載于 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)締組織生長因子成功地將滑膜間充質(zhì)干細胞招募至切口部位，并形成完整的纖維基質(zhì)，而緩慢釋放長達36 d 的轉(zhuǎn)化生長因子 β3，成功地促進了纖維軟骨基質(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)域來增加孔隙率并促進細胞浸潤[31]。例如，Qu 等[32]設(shè)計了 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胞遷移和黏附?？偟膩碚f，疏水的合成聚合物缺乏接合基序去介導(dǎo)細胞行為，不過其疏水特性也降低了造成免疫原性反應(yīng)的風(fēng)險。此外，合成聚合物材料的功能還可以通過添加生物活性或細胞親和的基序（如 RGD）來實現(xiàn)[33]。

2.3 組織來源的脫細胞材料

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因子，對于組織細胞的遷移、增殖和分化均具有一定的調(diào)節(jié)能力。脫細胞技術(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)外實驗均驗證了脫細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 支架具有高度的細胞親和性并能促使細胞浸潤入支架，提示其具有一定的原位細胞招募作用。為了克服單純 ECM 支架機械強度不足的缺陷，Yuan 等[36]設(shè)計了脫礦松質(zhì)骨和脫細胞半月板細胞外基質(zhì)的復(fù)合支架，在拉伸和壓縮性能上均明顯提升的同時，兔半月板軟骨細胞在復(fù)合支架上生長較好，也有較多的 GAG 和膠原的分泌，動物實驗對比發(fā)現(xiàn)相較于單純的脫細胞外基質(zhì)支架，復(fù)合支架的修復(fù)效果更好。Gao 等[37]將不同比例的脫細胞半月板細胞外基質(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，實驗按照不同濃度細胞半月板細胞外基質(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)強度表現(xiàn)更好的同時，20% 脫細胞半月板細胞外基質(zhì)的混入產(chǎn)生了最佳的細胞黏附和增殖表現(xiàn)。盡管組織來源的脫細胞材料具有諸多優(yōu)勢，但如何優(yōu)化其制備流程和豐富其組織來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)合相較于單個材料，可以構(gòu)建同時提高生物學(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)用價值。

聚合物材料與仿細胞外基質(zhì)材料是半月板組織工程領(lǐng)域中最常見的復(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，絲素蛋白的引入增加了支架的孔隙率同時減低了壓縮應(yīng)力，接種半月板細胞并植入裸鼠皮下后發(fā)現(xiàn)這種復(fù)合支架的組織浸潤效果更好，同時免疫反應(yīng)較輕。從提升支架的機械性能角度出發(fā)，Gao 等[40]用靜電紡絲 PCL 纖維增強支架的機械性能，通過脫細胞半月板細胞外基質(zhì)提供宜于細胞浸潤、黏附和生長的良好微環(huán)境，設(shè)計制備了一種具有 5 層結(jié)構(gòu)的 PCL-脫細胞半月板細胞外基質(zhì)-PCL 復(fù)合支架，其良好的半月板修復(fù)效果驗證了支架兼顧力學(xué)仿生和成分仿生的重要性。此外，生物材料還可以作為細胞或因子的優(yōu)良載體，通過生物活性分子的引入和可控釋放有助于新生細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械強度；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因子 AB 作為生物活性成分。以上三種納米纖維同時靜電紡絲的方法提供了一個序貫的治療組分釋放過程，為了實現(xiàn)修復(fù)組織周圍細胞募集的目的，迅速降解的 PEO 釋放出膠原酶以減少組織界面的 ECM 致密程度和強度，接下來降解的透明質(zhì)酸纖維釋放的血小板衍生生長因子 AB 利于招募內(nèi)源性細胞富集于損傷部位。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 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)要求的同時利于細胞黏附和生長，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展

僅僅關(guān)注聚合物材料種類選擇，對于目標(biāo)組織的機械和形態(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、機械強度、細胞浸潤性等一系列屬性[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)各有其特點也有其劣勢。例如靜電紡絲的優(yōu)勢在于不僅可以制造微米級別的纖維，還能制造直徑在納米級別的纖維[44]。靜電紡絲納米纖維具有不同于其他材料的獨特特性，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]。靜電紡絲的缺點則包括孔隙尺寸過小，纖維致密，導(dǎo)致支架過薄而無法滿足臨床應(yīng)用需要等[46]。

對于支架構(gòu)建來說，模擬組織本身的取向纖維排列結(jié)構(gòu)對于細胞遷移、生長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)干細胞外泌體的脫細胞軟骨細胞外基質(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，有研究者開發(fā)出同軸靜電紡絲技術(shù)，通過同時噴射出兩種不同組分的紡絲液而形成的核-殼結(jié)構(gòu)，可以保護脆弱的生長因子等蛋白質(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械性能、細胞親和性和良好的生長因子緩釋特性。

針對傳統(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胞和生物活性因子的空間分布不精確等問題。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，證實有較好的修復(fù)效果。在天然纖維軟骨中，原位的細胞不僅能通過來自細胞外基質(zhì)的拓?fù)渥兓兄獧C械傳導(dǎo)，而且還可以通過機械刺激（如間質(zhì)流動）感知周邊的物理微環(huán)境。有研究人員利用微流控技術(shù)模擬細胞外基質(zhì)的機械刺激和微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)探究其對干細胞的影響。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方向有利于間充質(zhì)干細胞的纖維軟骨分化?？傊l(fā)展新的支架制備方法和發(fā)掘現(xiàn)有技術(shù)潛力對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展

不同的制備方法開發(fā)的組織工程支架一直力求從結(jié)構(gòu)、成分和功能方面來模仿天然組織以達到更好的修復(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，同時這種結(jié)構(gòu)也造成了修復(fù)過程的困難性。關(guān)節(jié)腔內(nèi)的力學(xué)環(huán)境嚴(yán)酷性、組織致密性、細胞的高度分化類型和缺乏血供等特質(zhì)導(dǎo)致周圍細胞完成遷移、增殖和分化的整個修復(fù)再生過程極度受限且漫長。

支架的功能化改進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、基因表達水平和機械強度也受到力學(xué)環(huán)境的影響[55]。因此，為有效實現(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)沖擊并對生物力學(xué)刺激做出適應(yīng)性反應(yīng)。例如，多項研究表明半月板細胞具有靈敏的機械刺激反應(yīng)性，在不同的生物力學(xué)刺激下可表現(xiàn)出代謝活動改變或促炎/抗炎反應(yīng)等生物學(xué)效應(yīng)[56-57]。近年來，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]利用定制動態(tài)拉伸-拉伸負(fù)荷加載系統(tǒng)對負(fù)載骨髓間充質(zhì)干細胞的 PCL 支架進行持續(xù)力學(xué)刺激，在轉(zhuǎn)化生長因子 β3 和結(jié)締組織生長因子復(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胞和 ECM 組分的重建需求，同時也很好地提供了生物力學(xué)支撐并恢復(fù)了膝關(guān)節(jié)的運動功能。此外，Polito 等[59]的結(jié)果表明，施加于原生半月板細胞的持續(xù)壓力，會以破壞膠原纖維的正常組織為代價，觸發(fā)細胞外基質(zhì)的重塑和細胞表型的早期成熟。也有數(shù)據(jù)表明，動態(tài)壓縮載荷應(yīng)變從 10% 增加到 20% 會導(dǎo)致半月板外植體的分解代謝活性和炎癥反應(yīng)增加[55]。這提示我們在未來研究設(shè)計中應(yīng)用生物反應(yīng)器作用于細胞-支架復(fù)合物的生物力學(xué)負(fù)荷強度和作用時間的參數(shù)設(shè)定仍有待進一步探索。

在生物學(xué)活性方面，研究者們一直以來試圖通過補充各種生長因子，諸如轉(zhuǎn)化生長因子 β、胰島素樣生長因子、血小板衍生生長因子、成纖維細胞生長因子、骨形態(tài)發(fā)生蛋白來促進再生過程[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領(lǐng)域。Lee 等[61]構(gòu)建了去細胞半月板支架為基礎(chǔ)的功能化支架用于半月板修復(fù)實驗，通過與肝素的親和作用將血小板衍生生長因子固定于支架之上來實現(xiàn)損傷組織內(nèi)源性細胞的募集，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械強度和高表面積/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了人半月板細胞的增殖特性。其他的無機材料同樣具有獨特的生物學(xué)特性并在體內(nèi)實驗中展現(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滑膜間充質(zhì)干細胞的黏附和遷移，并促進纖維軟骨分化?？傊?，為了達到支架的功能化以促進半月板再生的目的，對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試圖解決的基礎(chǔ)研究難題和臨床關(guān)注熱點。隨著對半月板的解剖、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，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、納米材料和無機材料的功能化改造，在基礎(chǔ)研究中證明能更好地滿足半月板支架機械性能和生物學(xué)性能要求，是未來研究的大方向之一。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題。新興材料的發(fā)現(xiàn)和先進支架制備技術(shù)的進步，將有助于組織工程半月板支架達到結(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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10.3969/j.issn.1673-713X.2020.06.011

國家自然科學(xué)基金面上項目（81972070）

郭全義，Email：doctorguo_301@163.com

2020-06-24