機(jī)械響應(yīng)生物材料在骨損傷再生康復(fù)中的應(yīng)用

孫富華，張 馳

1.西南醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科（瀘州646000）；2.西南醫(yī)科大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)系（瀘州 646000）

由腫瘤、創(chuàng)傷、炎癥或衰老造成的骨損傷修復(fù)是臨床仍未完全解決的問題。一般情況下，骨缺損可根據(jù)其位置劃分為長(zhǎng)骨和脊柱缺損、頜面部和顱面缺損。在自然愈合過(guò)程中，骨再生部位不會(huì)形成瘢痕組織。然而，骨損傷的復(fù)雜性增加了愈合延遲和不愈合的風(fēng)險(xiǎn)，且不當(dāng)?shù)闹委熯^(guò)程，可能引起多種并發(fā)癥，如血管形成不良，以及形成新骨的祖細(xì)胞數(shù)量不足，導(dǎo)致自然愈合過(guò)程的失敗[1]。在所有骨損傷的病例中，有10%的病例骨愈合不充分導(dǎo)致骨不連或節(jié)段性缺損[2-3]。目前促進(jìn)骨損傷后的功能恢復(fù)的方法主要有兩種：再生醫(yī)學(xué)（如利用細(xì)胞、藥物和生物活性分子、生物材料）和康復(fù)（如運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、機(jī)械刺激）。

治療骨損傷的金標(biāo)準(zhǔn)依然是骨移植，包括自體和同種異體骨移植。但自體移植物受限于獲取的骨體積、可能引起的并發(fā)癥（如獲取部位病變、局部血腫）和植入骨的重塑等[4-5]，所以自體骨移植還不能完全滿足臨床需求。同種異體骨移植因宿主骨組織的整合性和血管化較差，同樣限制了其臨床應(yīng)用[6-7]。另外，牽張成骨是一種比較成熟的治療技術(shù)，但該技術(shù)耗時(shí)長(zhǎng)、疼痛感較強(qiáng)，治療不規(guī)范還有可能導(dǎo)致愈合不良和再骨折[8-10]。所以，臨床治療中亟需一種可持續(xù)、更有效的治療技術(shù)。骨組織工程作為最有潛力的再生修復(fù)技術(shù)，可將細(xì)胞、功能因子、生物材料相互配伍開發(fā)多種骨組織工程支架，用以促進(jìn)損傷骨的愈合[11-13]。根據(jù)組織工程的發(fā)展階段，可將開發(fā)的骨組織支架分為以下三類：①單純生物材料支架；②負(fù)載活性因子（藥物、蛋白）的支架；③裝載細(xì)胞的支架。其中單純生物材料支架已有部分正處于臨床試驗(yàn)的不同階段（I，II或III期），有些甚至已經(jīng)進(jìn)入臨床。此外，第二類負(fù)載活性因子支架仍處于臨床前階段。

臨床中骨損傷進(jìn)行再生修復(fù)后常配合康復(fù)治療，如運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、電刺激、磁療以及超聲等[14]，但單獨(dú)的再生醫(yī)學(xué)和康復(fù)治療的作用是獨(dú)立的，難以產(chǎn)生協(xié)同作用，尚不能有效促進(jìn)骨損傷的功能恢復(fù)[14-15]。因此，再生醫(yī)學(xué)和康復(fù)的理論、技術(shù)、方法和治療理念要相互結(jié)合，才能從骨損傷治療一開始就介入，參與骨再生和功能重建。研究發(fā)現(xiàn)骨損傷修復(fù)過(guò)程中的骨穩(wěn)態(tài)和重塑受外部機(jī)械刺激的調(diào)控，也是外部機(jī)械力轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)部生化信號(hào)的作用過(guò)程[14-15]，而骨組織工程修復(fù)損傷骨則是通過(guò)支架材料與細(xì)胞、組織相互作用實(shí)現(xiàn)的。常用的“智能”材料中，機(jī)械響應(yīng)生物材料利用鍵的形成/斷裂、結(jié)構(gòu)的變化或納米顆粒的響應(yīng)能力，可將康復(fù)治療中的機(jī)械刺激（運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、超聲）轉(zhuǎn)化為支架與成骨細(xì)胞及間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）前體的界面調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)再生醫(yī)學(xué)和康復(fù)治療的聯(lián)合作用，修復(fù)受損骨的組織結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)生理功能的恢復(fù)[16]。

因此，本文綜述了當(dāng)前骨損傷的再生醫(yī)學(xué)方法和康復(fù)方法，并進(jìn)一步討論了機(jī)械響應(yīng)生物材料作為再生醫(yī)學(xué)和康復(fù)的“橋梁”在促進(jìn)骨再生和功能重建中的應(yīng)用。機(jī)械響應(yīng)生物材料可作為藥物和細(xì)胞的載體以治療骨損傷，還可與機(jī)械刺激配合，增強(qiáng)骨的可塑性，從而促進(jìn)骨功能的重建。

1 再生醫(yī)學(xué)

1.1 細(xì)胞

骨損傷的自然愈合過(guò)程很大程度上受所處機(jī)械環(huán)境的影響。機(jī)械不穩(wěn)定的長(zhǎng)骨損傷是通過(guò)形成中間軟骨痂而愈合的，隨后重新塑造骨的結(jié)構(gòu)和形狀。最初的軟骨痂主要由骨膜釋放的細(xì)胞形成，并保持骨的穩(wěn)定態(tài)，并伴隨血管向骨內(nèi)生長(zhǎng)以及軟骨重塑。然后，從骨膜和骨髓中招募的祖細(xì)胞分化成成骨細(xì)胞，礦化沉積形成新骨。而在機(jī)械穩(wěn)定的顱骨損傷環(huán)境中，受損骨主要通過(guò)直接骨化愈合，骨膜、骨髓和硬腦膜提供的細(xì)胞均有助于缺損骨的愈合。因此，可通過(guò)骨損傷的類型來(lái)決定修復(fù)所用細(xì)胞的來(lái)源、介質(zhì)、刺激因子和3D環(huán)境。

1.1.1骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）BMSCs 作為一種從骨髓基質(zhì)中獲取的異質(zhì)細(xì)胞群，在骨損傷愈合過(guò)程中具有較強(qiáng)的成骨能力[17-18]。將BMSCs 注射到穩(wěn)定的骨折中，有助于直接骨化[19-20]。研究表明，在骨折愈合過(guò)程中，將BMSCs 注射于損傷部位，并不能促進(jìn)軟骨生成，但有助于新骨重塑以及減弱炎癥反應(yīng)[21]。

1.1.2脂肪來(lái)源干細(xì)胞（ASCs）ASCs 廣泛存在于多種類型的脂肪組織中，在體外的增長(zhǎng)速度比BMSCs 更快，擴(kuò)增時(shí)基因更穩(wěn)定[22]。Cowan 等[23]用裝載ASCs的支架修復(fù)小鼠臨界尺寸的顱骨缺損，結(jié)果顯示膜內(nèi)成骨效果顯著，由植入細(xì)胞形成的新骨占再生骨量的84%～99%。在脊柱融合方面，含ASCs 的支架展現(xiàn)出更好的效果，炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)減少，融合程度更高。Mesimaki 等[24]將自體ASCs 接種于負(fù)載生長(zhǎng)因子BMP-2的β-TCP支架中，體外培養(yǎng)8周后，形成了一種具有成熟骨結(jié)構(gòu)和血管的組織工程支架，將其移植至缺損部位，并配合康復(fù)治療，骨缺損愈合良好。

1.1.3骨膜來(lái)源細(xì)胞（PDSCs）骨膜作為覆蓋在骨外表面的薄膜組織，包括與周圍的軟纖維組織和肌肉組織相鄰的外纖維層（70 mm）和內(nèi)層形成層（30 mm）。內(nèi)層形成層直接與外骨皮質(zhì)相連，具有高度的血管化特點(diǎn)，是具有獨(dú)特組織構(gòu)建能力的骨-軟骨祖細(xì)胞的宿主。在自然骨骼發(fā)育和穩(wěn)態(tài)中，形成層細(xì)胞產(chǎn)生成骨細(xì)胞，與破骨細(xì)胞同步參與骨的生長(zhǎng)和重塑。在骨損傷修復(fù)過(guò)程中，來(lái)自骨膜的祖細(xì)胞通過(guò)快速增殖和成軟骨/成骨分化，促進(jìn)骨損傷的愈合。臨床中，骨膜組織可以通過(guò)手術(shù)從患者身上獲得，再將其固定在損傷骨表面[25]。但自體骨膜的來(lái)源有限且需要二次手術(shù)，有研究利用特定的培養(yǎng)條件在體外成功培育出PDSCs，其具有分化成軟骨或成骨的能力[26]。Gonzalez-Gil等[27]利用不同來(lái)源細(xì)胞結(jié)合生物材料修復(fù)大鼠臨界骨缺損，追蹤細(xì)胞植入物的修復(fù)效果，結(jié)果顯示，與BMSCs 相比，PDSCs 存活率更高，而且同樣可促進(jìn)骨再生。

1.2 生物活性因子

復(fù)雜的骨修復(fù)過(guò)程涉及到多種生長(zhǎng)因子。根據(jù)以往的研究可以將這些活性生物分子分為三類:①重組生長(zhǎng)因子；②細(xì)胞外基質(zhì)蛋白衍生肽；③功能小分子。這些生物活性因子可直接或間接地影響骨量，調(diào)控骨再生過(guò)程。

1.2.1生長(zhǎng)因子 目前已經(jīng)在臨床獲批準(zhǔn)的生長(zhǎng)因子有三種：BMP-2、BMP-7 和PDGF。這些生長(zhǎng)因子通過(guò)與其各自的受體相互作用，直接作用于骨祖細(xì)胞，這些受體在干細(xì)胞中啟動(dòng)生化信號(hào)，促使骨形成。Bouyer等[28]使用臨床級(jí)別的PLGA作為BMP-2的納米載體，在大鼠股骨骨缺損模型中，通過(guò)調(diào)節(jié)BMP-2 的劑量可以控制新形成骨的體積，并通過(guò)釋放的BMP-2加速骨修復(fù)的過(guò)程。但BMP-2介導(dǎo)的骨修復(fù)具有劑量依賴性，高劑量可導(dǎo)致骨溶解。Cecchi等[29]將BMP-7 與I 型膠原相結(jié)合用于頑固性長(zhǎng)骨不連和脊柱手術(shù)，研究顯示復(fù)合支架的療效良好和安全性較高，而且BMP-7可與支架結(jié)合來(lái)觸發(fā)長(zhǎng)骨的修復(fù)。PDGF常用于治療不同類型關(guān)節(jié)炎以及足和踝關(guān)節(jié)融合術(shù)。通過(guò)作用于PDGF受體，刺激細(xì)胞的募集和增殖，包括間充質(zhì)干細(xì)胞。還可通過(guò)促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞、周細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞的生長(zhǎng)，促進(jìn)損傷部位新血管的形成，并有助于骨修復(fù)。Covell 等[30]評(píng)估了20例踝關(guān)節(jié)前融合板與自體移植物重組人蛋白衍生生長(zhǎng)因子（rhPDGF-BB）聯(lián)合使用的早期患者的臨床和影像學(xué)結(jié)果，配合負(fù)重康復(fù)訓(xùn)練，融合率高達(dá)90%，且與傷口愈合相關(guān)的并發(fā)癥較少。

1.2.2細(xì)胞外基質(zhì)蛋白衍生肽 B2A（B2A2-K-NS）是一種生物活性合成多域肽，可增強(qiáng)脊柱融合。研究發(fā)現(xiàn)B2A能增強(qiáng)BMP-2的成骨活性，在骨關(guān)節(jié)炎模型中可以誘導(dǎo)軟骨分化，促進(jìn)受損軟骨的修復(fù)[31]。P-15 是一種由膠原蛋白（骨細(xì)胞外基質(zhì)的主要蛋白）衍生的具有15 種氨基酸的多肽，在成骨細(xì)胞附著和生長(zhǎng)中發(fā)揮作用，并促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞的分化。Sherman 等[32]在一項(xiàng)前瞻性隨機(jī)研究中發(fā)現(xiàn)，牛來(lái)源的羥基磷灰石與合成的15 個(gè)氨基酸殘基（ABM/P-15）復(fù)合材料在促進(jìn)腰椎體間融合方面與取自髂骨的自體骨的療效基本一致。

1.2.3功能小分子 甲狀旁腺素在調(diào)節(jié)鈣磷酸鹽代謝中起核心作用，可增強(qiáng)wnt-β catenin 通路，這也是骨形成關(guān)鍵通路。Arrighi 等[33]使用基于人類甲狀旁腺激素（PTH（1e34））的活性片段，與谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶底物結(jié)合，負(fù)載于纖維蛋白載體中形成復(fù)合支架，在母羊的股骨和肱骨缺損實(shí)驗(yàn)中顯示，使用PTH 纖維蛋白基質(zhì)形成的骨形成具有劑量依賴性，揭示骨傳導(dǎo)和骨誘導(dǎo)的骨愈合機(jī)制。NELL-1是一種分泌型骨誘導(dǎo)蛋白，其表達(dá)控制骨形成量，并促進(jìn)軟骨再生。無(wú)論在體內(nèi)還是體外，它都能誘導(dǎo)周細(xì)胞增殖并具有促血管生成的作用。Meyers 等[34]用成年或老年小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分別過(guò)表達(dá)NELL-1810和NELL-1570，通過(guò)檢測(cè)細(xì)胞形態(tài)、增殖和基因表達(dá)，顯示出NELL-1570 的促增殖作用是具有年齡依賴性的，在成年小鼠中有明顯的誘導(dǎo)作用。

1.3 生物材料

骨組織工程利用細(xì)胞、生物活性因子和生物材料三種關(guān)鍵元素來(lái)構(gòu)建骨組織微環(huán)境，誘導(dǎo)新骨的形成。開發(fā)新型的生物材料能夠使組織支架更有效地模擬骨基質(zhì)的層次特征，并從分子組成到納米/微尺度模擬天然骨的生化和物理特征。

1.3.1優(yōu)化力學(xué)性能 骨支架材料的力學(xué)性能越接近自然骨組織，就越有可能避免對(duì)周圍結(jié)構(gòu)的不良影響。臨床中，金屬植入物周圍的骨組織，如髖關(guān)節(jié)假體，由于應(yīng)力遮擋[35]，隨著時(shí)間的推移會(huì)退化。這是由于植入后機(jī)械載荷的重新分配，力學(xué)強(qiáng)度更高的金屬植入體承受了大部分的機(jī)械應(yīng)力，而周圍的骨組織因沒有機(jī)械刺激而被吸收，抑制了融合和再生潛能。同樣，如果骨支架材料的性能比周圍組織弱，周圍組織會(huì)進(jìn)行力學(xué)補(bǔ)償，這可能會(huì)阻礙骨再生，且可能對(duì)周圍組織造成損傷。因此，優(yōu)化骨支架材料的力學(xué)性能至關(guān)重要。

1.3.2調(diào)控孔隙結(jié)構(gòu) 骨支架材料的孔隙結(jié)構(gòu)如能模擬天然骨結(jié)構(gòu)，可為骨細(xì)胞的生長(zhǎng)和再生骨組織提供類似天然骨的體內(nèi)環(huán)境。骨支架材料中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括宏觀和微觀孔隙率、孔隙大小和孔隙連通性的優(yōu)化，以模擬松質(zhì)骨或皮質(zhì)骨的孔隙率。Zheng 等[36]使用微型計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）對(duì)人體頭顱樣本進(jìn)行掃描，然后進(jìn)行三維重建，構(gòu)建類似骨小梁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的生物材料支架，結(jié)果顯示，這種結(jié)構(gòu)更有利于細(xì)胞的生長(zhǎng)以及促進(jìn)骨再生。Rustom等[37]在同一支架中的不同區(qū)域構(gòu)建了不同的孔隙結(jié)構(gòu)，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)顯示一定的孔隙結(jié)構(gòu)有利于豬下頜骨缺損內(nèi)的骨生長(zhǎng)。

1.3.3設(shè)計(jì)降解性能 理想的骨支架材料首先必須作為一個(gè)臨時(shí)的支架，然后逐漸被新骨取代，以恢復(fù)形態(tài)和功能，直到新生長(zhǎng)的骨具有力學(xué)能力。骨支架材料的可降解性與孔隙率有關(guān)，因?yàn)榭紫对黾拥谋砻娣e有利于離子化合物在骨支架材料中的溶解。增加的孔表面也有利于骨支架材料和周圍的細(xì)胞和分子之間的相互作用。研究顯示，植入材料中硅（Si）或鎂（Mg）的摻入可以改善骨支架材料的促骨再生能力。當(dāng)植入大鼠股骨時(shí)，與不添加硅和鎂的β-TCP支架相比，添加Si和Mg離子的β-TCP支架顯示骨形成和血管生成增加[38]。

1.3.4優(yōu)化表面形貌 骨支架材料表面性質(zhì)是內(nèi)源性成骨細(xì)胞附著和新骨組織在骨支架材料表面生長(zhǎng)的重要因素。通過(guò)表面處理可在支架上構(gòu)建促進(jìn)骨再生的表面。例如，鈦和鉭由于其優(yōu)異的力學(xué)性能，目前被應(yīng)用于骨和牙的修復(fù)，但其生物活性較低，導(dǎo)致骨結(jié)合不良。因此，需要進(jìn)行表面處理以增強(qiáng)支架與周圍組織的粘附性和穩(wěn)定性。Braem等[39]在鈦植入體表面構(gòu)建直徑小于10 mm 的孔隙，與光滑的表面相比，更有利于骨組織的附著以及骨融合。優(yōu)化的粗糙表面可以增加種植體的存活/持久性，改善種植體的功能，并減少額外手術(shù)的痛苦。

1.3.5“骨免疫微環(huán)境”骨再生生物材料的成功取決于生物材料與體內(nèi)局部骨微環(huán)境的整合程度，以及如何調(diào)節(jié)關(guān)鍵的骨愈合過(guò)程。宿主免疫系統(tǒng)對(duì)生物材料植入的反應(yīng)是生物材料在骨組織工程中應(yīng)用的關(guān)鍵。隨著生物材料研究的進(jìn)步，生物材料的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)從傳統(tǒng)的免疫友好型轉(zhuǎn)向了免疫重編程型生物材料。目前主要的方法大致分為化學(xué)方法的生物材料表面修飾、物理修飾和生物分子功能化。對(duì)具有不同功能基團(tuán)、密度或表面電荷的材料進(jìn)行化學(xué)修飾，以改善生物材料的物理性質(zhì)（如形貌和剛度），可有效地用于調(diào)節(jié)骨形成細(xì)胞和免疫細(xì)胞的功能。Bang 等[40]將骨髓源性巨噬細(xì)胞植入兩種不同類型的鈦表面，噴砂/酸蝕鈦和親水噴砂/酸蝕鈦。結(jié)果顯示所有破骨細(xì)胞標(biāo)志物如抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）、破骨相關(guān)免疫球蛋白樣受體（OSCAR）、MFATc1和c-Fos在親水表面均下調(diào)。此外，Mg2+修飾表面可以抑制破骨細(xì)胞的形成。生物分子的表面修飾，無(wú)論是作為表面修飾形式還是作為遞送分子，都可介導(dǎo)骨組織的免疫反應(yīng)。Downes 等[41]通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制得一種新型聚合物（聚乙烯基膦酸-共丙烯酸（PVPA-AA））纖維，并將成骨細(xì)胞（人成骨細(xì)胞，HOBs）和破骨細(xì)胞（人破骨前體細(xì)胞）在這些纖維上培養(yǎng)14天，成功誘導(dǎo)分化，PVPA-AA增加成骨細(xì)胞OPG的表達(dá)，從而誘導(dǎo)HOBs成熟和礦化，同時(shí)減少活的破骨細(xì)胞數(shù)量。

2 康復(fù)醫(yī)學(xué)

2.1 機(jī)械刺激

骨損傷的康復(fù)治療方法包括多種物理刺激，比如電刺激、熱刺激和機(jī)械刺激。其中，機(jī)械刺激對(duì)再生修復(fù)的影響最為明顯。骨是一種機(jī)械敏感組織，機(jī)械力對(duì)骨結(jié)構(gòu)發(fā)育和重塑的影響在骨康復(fù)中早已被公認(rèn)。特別是，機(jī)械刺激可以通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)影響細(xì)胞行為，這對(duì)維持骨組織穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。此外，天然骨具有壓電特性，可以將機(jī)械力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而促進(jìn)骨生長(zhǎng)。

Glatt 等[42]采用大鼠股骨缺損模型，研究了支架剛度對(duì)BMP-2 治療的臨界尺寸、骨干、節(jié)段缺損愈合的影響。結(jié)果證實(shí)了BMP-2治療后大骨缺損的愈合受到局部力學(xué)環(huán)境的強(qiáng)烈影響，而且還顯示通過(guò)改變剛度提供反向動(dòng)力，可以促進(jìn)愈合過(guò)程。進(jìn)一步的研究表明，當(dāng)反向動(dòng)力作用時(shí)，較低劑量的BMP-2可以成功修復(fù)大段骨缺損[43]。反向動(dòng)力對(duì)亞臨界尺寸的骨缺損的自發(fā)愈合具有相同的刺激作用。

超聲波療法是康復(fù)治療中施加機(jī)械刺激的重要方法之一，在臨床中，對(duì)損傷骨施加超聲刺激可以刺激細(xì)胞的生長(zhǎng)，并將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化為分子機(jī)制，從而促進(jìn)骨再生，使脛骨、橈骨和肩胛骨的臨床愈合時(shí)間減少30%～38%，并可刺激未開裂的過(guò)渡性骨損傷進(jìn)行重塑[14]。

2.2 其他治療

自20世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)骨的生物電特性以來(lái)，電刺激療法已被廣泛用于臨床，作為促進(jìn)骨損傷愈合和增強(qiáng)脊柱融合的補(bǔ)充手段。最近的體外研究表明，電刺激可促進(jìn)骨細(xì)胞在刺激部位的遷移、增殖和分化。電刺激成骨的一種可能機(jī)制是通過(guò)電刺激激活電壓門控的Ca2+通道上調(diào)細(xì)胞內(nèi)鈣濃度，進(jìn)而通過(guò)鈣調(diào)素途徑調(diào)節(jié)成骨[44]。另外，脈沖電磁場(chǎng)（EMF）的磁刺激療法一直被用于補(bǔ)充骨愈合。Naito 等[45]將燒結(jié)的釹磁鐵植入到兔股骨缺損模型中，與無(wú)磁性的植入物相比，靜態(tài)磁場(chǎng)可顯著促進(jìn)新骨的再生。

3 機(jī)械響應(yīng)生物材料：橋接再生與康復(fù)

機(jī)械刺激和生物支架聯(lián)合作用有利于高度礦化骨的形成。對(duì)裝載細(xì)胞的復(fù)合支架施加循環(huán)機(jī)械刺激，每天15 分鐘，持續(xù)時(shí)間為7、14 或21 天。結(jié)果顯示，機(jī)械刺激可以雙重調(diào)節(jié)MSCs的炎癥反應(yīng)和成骨分化，促進(jìn)了體外巨噬細(xì)胞M2極化和體內(nèi)骨再生[46]。此外，外部機(jī)械刺激可以與骨支架的物理特性發(fā)揮協(xié)同作用。Subramony等[47]研究了納米纖維表面結(jié)構(gòu)和機(jī)械刺激對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞分化的作用，當(dāng)受到拉伸載荷時(shí)，定向或非定向納米纖維對(duì)干細(xì)胞分化產(chǎn)生不同的影響，支架排列和優(yōu)化的機(jī)械刺激，足以驅(qū)動(dòng)間充質(zhì)干細(xì)胞分化，而不需要額外的化學(xué)刺激。因此，具有力學(xué)響應(yīng)的支架在不同方向的外力作用下會(huì)產(chǎn)生不同的細(xì)胞響應(yīng)，通過(guò)外部力學(xué)刺激配合再生修復(fù)的支架材料是解決臨床骨損傷最有潛力的方法。

超聲作為重要的康復(fù)治療手段，利用其深層組織穿透能力及機(jī)械刺激作用可用于遠(yuǎn)程觸發(fā)按需藥物遞送。Kearney等[48]基于離子交聯(lián)藻酸鹽基質(zhì)開發(fā)了機(jī)械響應(yīng)納米復(fù)合水凝膠，其中負(fù)載了包裹BMP-2 的金納米顆粒。復(fù)合水凝膠在脈沖超聲刺激可加速納米顆粒釋放。研究結(jié)果還顯示生長(zhǎng)因子結(jié)合的納米顆粒不僅在包封和超聲刺激后保持了其生物活性，而且與被動(dòng)擴(kuò)散相比，機(jī)械刺激的復(fù)合水凝膠顯著增強(qiáng)了成骨活性。此外，具有機(jī)械響應(yīng)的納米顆粒還可包埋在具有不同超聲敏感性的膠囊中，以連續(xù)遞送納米顆粒。在特定的超聲刺激下，程序式釋放出功能成分，特別是在骨骼中，這種按需及時(shí)輸送生物活性物質(zhì)對(duì)于骨再生康復(fù)至關(guān)重要。

除了外部力學(xué)因素外，最近的研究也表明細(xì)胞基質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的內(nèi)力對(duì)MSCs 功能也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。支架可以通過(guò)其剛度或其他力學(xué)特性被動(dòng)地產(chǎn)生內(nèi)力，產(chǎn)生力學(xué)信號(hào)可以促進(jìn)細(xì)胞分化[49]。Chatterjee 等[50]在10 kPa、300 kPa 的壓縮模量范圍內(nèi)檢測(cè)了聚乙二醇水凝膠中成骨細(xì)胞的分化。結(jié)果表明，較硬的水凝膠可促進(jìn)成骨。雖然已知成骨細(xì)胞對(duì)剛度和基底地形的反應(yīng)與細(xì)胞機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)，但其確切機(jī)制仍在研究中。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，無(wú)論是支架外部作用還是支架內(nèi)部產(chǎn)生的機(jī)械刺激，都可以作為調(diào)節(jié)骨再生的關(guān)鍵因素。機(jī)械響應(yīng)生物材料通過(guò)整合再生醫(yī)學(xué)方法，在配合機(jī)械刺激下可促進(jìn)骨再生和功能重建，戰(zhàn)略性地將再生醫(yī)學(xué)和康復(fù)結(jié)合起來(lái)。

在骨損傷修復(fù)中，目前還未有使用機(jī)械刺激配合機(jī)械響應(yīng)生物材料的臨床研究。機(jī)械響應(yīng)生物材料本身的特性是臨床轉(zhuǎn)化的主要問題，如機(jī)械響應(yīng)性和隨時(shí)間的穩(wěn)定性、支架降解以及免疫反應(yīng)等都需要在體內(nèi)環(huán)境進(jìn)一步的驗(yàn)證。雖然初始響應(yīng)性很重要，但機(jī)械響應(yīng)生物材料必須在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持足夠敏感的響應(yīng)性能，尤其是當(dāng)生物材料降解時(shí)，其響應(yīng)穩(wěn)定性就變得更重要。對(duì)于可降解生物材料，理想的降解率要與組織再生率相匹配。支架降解過(guò)快或過(guò)慢都會(huì)影響骨的再生和康復(fù)。鑒于目前骨損傷恢復(fù)治療通常需要幾個(gè)月的時(shí)間，機(jī)械響應(yīng)材料可能需要合適的降解時(shí)間以及更好的響應(yīng)穩(wěn)定性，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期機(jī)械刺激，促進(jìn)骨再生。

除了對(duì)生物材料的要求外，在體內(nèi)結(jié)合生物材料和機(jī)械刺激時(shí)還存在其他的轉(zhuǎn)化挑戰(zhàn)，包括確定機(jī)械刺激的類型、位置和強(qiáng)度等參數(shù)，以與機(jī)械響應(yīng)生物材料協(xié)同。目前機(jī)械響應(yīng)生物材料向臨床轉(zhuǎn)化的一個(gè)關(guān)鍵就是機(jī)械響應(yīng)生物材料的臨床前研究，而且復(fù)雜的組成難以獲得臨床監(jiān)管批準(zhǔn)。目前外部施加機(jī)械刺激（超聲）的治療作用已經(jīng)得到臨床驗(yàn)證，但單獨(dú)的機(jī)械響應(yīng)材料或聯(lián)合刺激對(duì)骨再生的作用效果和機(jī)制仍未闡明。

未來(lái)的體外和體內(nèi)研究需要闡明機(jī)械響應(yīng)生物材料本身的作用，并確定機(jī)械刺激與生物材料是否真正可以協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)真正的骨再生康復(fù)。