半月板支架材料的研究進(jìn)展

周宇航 魏 凱,2 謝瑞娟,2 鄭兆柱,2 王曉沁,2 李 剛,2,3

1. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院(中國(guó))2. 蘇州大學(xué) 現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室(中國(guó))3. 南通紡織絲綢技術(shù)研究院(中國(guó))

半月板是一種類似月牙狀的纖維軟骨組織，主要由水、細(xì)胞外基質(zhì)和半月板細(xì)胞組成[1]。在人體膝、腕和頷的樞紐關(guān)節(jié)部位，均有半月板存在。膝關(guān)節(jié)半月板位于股骨和脛骨平臺(tái)之間，發(fā)揮著重要的作用。膝關(guān)節(jié)半月板的截面形狀為三角形，內(nèi)側(cè)厚度薄于外側(cè)，上表面形狀類似凹槽，與股骨相匹配，下表面平整，與脛骨平臺(tái)緊密連接[2]。半月板的膠原蛋白結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，根據(jù)膠原纖維排列的不同，可分為3個(gè)部位[3]，表面和中央部位的膠原纖維較短，呈無(wú)序排列，此膠原纖維層能較好地承載、傳遞和分散壓力；底層部位的膠原纖維沿周向排列，可對(duì)軟組織的環(huán)狀應(yīng)力起到很好的抵抗作用；中間層部位的膠原纖維隨機(jī)排列，可穩(wěn)固圓周狀纖維。

膝關(guān)節(jié)半月板主要連接著脛骨平臺(tái)關(guān)節(jié)，其形狀為楔形，可限制股骨的移動(dòng)范圍，起到穩(wěn)固關(guān)節(jié)的作用。日常行走時(shí)，半月板會(huì)受到扭轉(zhuǎn)和擠壓等外力作用，過(guò)度和長(zhǎng)期的負(fù)重容易造成半月板損傷。隨著膝關(guān)節(jié)半月板的日常磨損，在膝關(guān)節(jié)某一運(yùn)動(dòng)瞬間容易造成半月板受損。由于半月板獨(dú)特的解刨結(jié)構(gòu)及無(wú)血液供應(yīng)區(qū)域損傷后不具備自行愈合能力的特點(diǎn)，半月板重建成為損傷修復(fù)領(lǐng)域科研人員的研究熱點(diǎn)之一。

1 半月板支架材料的性能要求

因半月板具有獨(dú)特的解刨結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)功能，開(kāi)發(fā)半月板支架對(duì)于科研人員而言是一個(gè)巨大的難題和挑戰(zhàn)。支架材料應(yīng)具有足夠的抗拉伸和抗壓性能，以起到抗扭曲、減震和穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)的效果。若支架材料不能提供足夠的生物力學(xué)性能，將容易導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)軟骨退化，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生。因此，研究者嘗試開(kāi)發(fā)新的材料和方法，以模擬半月板復(fù)雜的解刨結(jié)構(gòu)，并使其滿足人體生物力學(xué)性能的要求[4]。半月板支架除了能提供力學(xué)支持外，還應(yīng)有利于軟骨細(xì)胞的黏附和增殖，促進(jìn)軟骨組織的再生。半月板支架材料的性能要求如表1所示。

表1 半月板支架材料的性能要求

2 半月板支架材料分類

為尋求合適的半月板支架材料，研究人員進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)研究(圖1)。研究目的是制備替代性半月板植入物或組織工程支架，以緩解半月板損傷切除后帶來(lái)的不良癥狀，改善膝關(guān)節(jié)功能，避免骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。目前，半月板損傷再生方法大致可分為自身材料重建、同種異體組織重建、合成材料重建和組織工程方法重建4類[13]。其中，前3種方法可較快地實(shí)現(xiàn)患者運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)，短期內(nèi)效果良好，但長(zhǎng)期效果較差。組織工程作為一種新技術(shù)，也被用于半月板損傷修復(fù)和重建領(lǐng)域，并且是目前該領(lǐng)域科研人員的研究熱門方向之一[14]。

圖1 半月板支架材料及其微觀形貌圖

組織工程化半月板研究分為半月板細(xì)胞和支架材料兩方面。組織工程化半月板的種子細(xì)胞通常為骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、半月板纖維軟骨細(xì)胞和多功能纖維細(xì)胞等[15]。組織工程化半月板支架材料大致分為天然材料、合成材料和復(fù)合材料3類，其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表2所示。

表2 組織工程半月板支架材料優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 天然材料

2.1.1 絲素蛋白

蠶絲主要由絲素和絲膠兩種蛋白質(zhì)組成。絲素蛋白所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為蠶絲的70%～80%，由18種氨基酸組成[16-18]。絲素蛋白結(jié)構(gòu)獨(dú)特，具有優(yōu)異的生物相容性、可控的生物降解性、良好的力學(xué)性能，以及低免疫原性、結(jié)構(gòu)完整性、適合于水或有機(jī)溶劑的加工，可進(jìn)行化學(xué)修飾。絲素蛋白優(yōu)良的生物力學(xué)性能使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景和使用價(jià)值[19]。

——優(yōu)異的生物相容性[20]。作為一種歷史悠久的天然高分子材料，絲素蛋白在外科縫合線領(lǐng)域的成功應(yīng)用，證實(shí)了其具有優(yōu)異的生物相容性。

——可控的生物降解性[21]。生物降解性是生物醫(yī)用材料的一項(xiàng)重要指標(biāo)。Park等[22]的研究表明，不同降解速率支持不同的細(xì)胞代謝活動(dòng)，進(jìn)而影響體內(nèi)新骨的形成速率。絲素蛋白不僅可生物降解，而且可生物吸收，其降解產(chǎn)物主要為氨基酸，因而無(wú)需擔(dān)心其降解產(chǎn)物會(huì)通過(guò)代謝途徑被人體吸收而產(chǎn)生毒性。

——良好的力學(xué)性能[23]。蠶絲因其良好的力學(xué)性能引起了諸多研究者的注意，為開(kāi)發(fā)一系列產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)，但經(jīng)過(guò)處理后，蠶絲材料大多會(huì)變脆弱。例如，天然蠶絲的拉伸強(qiáng)度為0.5～0.6 GPa，斷裂伸長(zhǎng)率為10%～40%[24]。然而，再生絲素蛋白膜的干拉伸強(qiáng)度僅為0.02 GPa，斷裂伸長(zhǎng)率則小于2%[25]。這是因?yàn)樘幚砗蠼z素蛋白再生材料的二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。調(diào)整絲素蛋白再生材料的二級(jí)結(jié)構(gòu)可有效提高其力學(xué)特性，甚至可使其力學(xué)特性接近天然蠶絲的水平。

——可加工性[26]。絲素蛋白的α-螺旋和無(wú)規(guī)卷曲兩種二級(jí)結(jié)構(gòu)[27-28]，導(dǎo)致其可溶于水。在室溫、pH呈中性及低剪切力等溫和的環(huán)境條件下[29]，通過(guò)某些方法可制得絲素蛋白基材料。這種材料可搭載生物活性藥物，并可控制藥物的釋放速率，有利于細(xì)胞黏附和生長(zhǎng)。在絲素蛋白的再生過(guò)程中，可通過(guò)各種后處理方法，如水蒸氣處理[30]、乙醇處理[31]等，獲得不同的二級(jí)結(jié)構(gòu)。隨著結(jié)構(gòu)之間的相互轉(zhuǎn)化，絲素蛋白表現(xiàn)出更好的結(jié)構(gòu)完整性和抗水解性能，其中，β-折疊結(jié)構(gòu)[32]賦予絲素蛋白良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使生物材料性能更好。

2.1.2 羊毛角蛋白

全球羊毛的年產(chǎn)量超過(guò)250萬(wàn) t。中國(guó)是羊毛產(chǎn)量全球排名前五的國(guó)家[33]。羊毛是一種材質(zhì)堅(jiān)韌的生物副產(chǎn)品，呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其蛋白質(zhì)和硫的含量非常高。角蛋白作為羊毛的主要成分，是一種尚未被大量開(kāi)發(fā)的豐富的蛋白質(zhì)資源?；谘蛎堑鞍椎慕M織工程支架已成為生物醫(yī)用材料的熱門研究領(lǐng)域之一。角蛋白良好的自組裝能力、優(yōu)異的生物相容性和可控的降解性能引起了大量研究者的注意。2001年，Tachibana等[34]首次從羊毛纖維中提取角蛋白并制備出羊毛蛋白支架。通過(guò)冷凍干燥制備的羊毛蛋白支架，具有孔徑大和孔洞多的特點(diǎn)，有利于細(xì)胞的黏附、增殖及組織液之間的交換。為最大程度地發(fā)揮羊毛蛋白在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，Tachibana等[35]將羥基磷灰石顆粒與角蛋白的多孔海綿結(jié)構(gòu)結(jié)合，制備復(fù)合多孔海綿支架。研究表明，所得支架對(duì)成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)起到了積極作用。由于細(xì)胞增殖和營(yíng)養(yǎng)液的相互貫通需要精確控制支架的孔徑，僅通過(guò)冷凍干燥不能控制孔徑的大小，因此，Katoh等[36]研究采用壓縮模塑技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)支架孔徑的大小。Peplow等[37]探究了角蛋白支架的體內(nèi)降解情況，他們將支架植入小鼠皮下，并觀察了18周內(nèi)支架的干質(zhì)量和彈性模量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者均呈下降趨勢(shì)。

2.1.3 膠原

膠原是脊椎動(dòng)物體內(nèi)含量最豐富的蛋白質(zhì)，是細(xì)胞外基質(zhì)的關(guān)鍵承重部分。Zheng等[38]制備出一種大孔三維定向膠原/絲素支架(ACS)，該支架仿生了天然肌腱的三維膠原纖維排列結(jié)構(gòu)，通過(guò)誘導(dǎo)類似于自然肌腱排列的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，評(píng)判其在兔肩袖撕裂模型上的效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該支架具有非常好的力學(xué)性能，并且可以促進(jìn)肌腱和周圍組織細(xì)胞的細(xì)胞浸潤(rùn)和肌腱分化，進(jìn)而促進(jìn)肩袖肌腱再生，在肌腱組織工程中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

2.2 合成材料

2.2.1 聚乳酸

聚乳酸(PLA)又稱聚丙交酯，是一種可生物降解的聚合物材料，生產(chǎn)原料主要來(lái)源于玉米。PLA綠色環(huán)保，可加工性好，有著廣泛的應(yīng)用前景。Chen等[39]將靜電紡明膠/聚乳酸-羥基乙酸纖維分散并加工成短纖維，再作為增強(qiáng)材料加入3 D打印軟骨脫細(xì)胞基質(zhì)支架中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所得支架具有良好的力學(xué)性能和生物相容性，并且可以促進(jìn)兔軟骨的缺損修復(fù)。

2.2.2 聚乙烯醇

聚乙烯醇(PVA)是一種白色的有機(jī)化合物，是重要的化工原料，常用于制備膠水等。Hartwell等[40]制備出一種可注射的膠原-糖胺聚糖(GAG)基質(zhì)，該基質(zhì)中含PVA-硼酸鹽網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)比較可知，PVA-硼酸鹽網(wǎng)絡(luò)的加入可改善支架的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，并抑制細(xì)胞的增殖，但不影響細(xì)胞活力，說(shuō)明該GAG基質(zhì)在作為組織工程或細(xì)胞移植的可注射材料方面具有很大的潛力。

2.3 復(fù)合材料

近年來(lái)，通過(guò)組織工程方法制備的以細(xì)胞和生物材料為載體的復(fù)合支架在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。研究表明，單組分材料不能模擬半月板復(fù)雜的解刨結(jié)構(gòu)和性能；將多種生物材料組合，可制備出具有一系列功能特性的半月板復(fù)合支架，并達(dá)到半月板移植物的要求。Gao等[41]制備出一種以脫細(xì)胞半月板細(xì)胞外基質(zhì)/聚己內(nèi)酯(DMECM/PCL)靜電紡纖維和多孔DMECM為增強(qiáng)材料的半月板復(fù)合支架，其中，DMECM/PCL靜電紡纖維提供拉伸支持，DMECM提供多孔結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)表明，靜電紡纖維的添加提高了半月板復(fù)合支架的力學(xué)性能，細(xì)胞試驗(yàn)證實(shí)，半月板細(xì)胞可在支架內(nèi)生長(zhǎng)和增殖。以兔半月板全切除為動(dòng)物模型，在手術(shù)后3個(gè)月和6個(gè)月評(píng)價(jià)半月板復(fù)合支架的體內(nèi)性能，結(jié)果表明，該半月板復(fù)合支架可促進(jìn)兔半月板的再生。Li等[42]通過(guò)濕法紡絲法制備了由絲素蛋白、ε-聚己內(nèi)酯和生物活性因子鍶離子組成的脫細(xì)胞三維半月板支架，命名為SP-Sr。試驗(yàn)表明，SP-Sr具有合適的孔徑和良好的力學(xué)性能，絲素蛋白和鍶離子的加入可促進(jìn)細(xì)胞的增殖和遷移。此外，與半月板切除組相比，SP-Sr植入兔半月板全切除組后6個(gè)月，SP-Sr支架可以促進(jìn)半月板再生，減緩骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生，再生半月板具有與原生半月板相似的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，在臨床上具有一定的價(jià)值。

3 半月板支架的類型

3.1 水凝膠支架

根據(jù)來(lái)源，可將水凝膠分為天然水凝膠(海藻酸鹽)和合成水凝膠(聚異丙基丙烯酰胺)。水凝膠的性質(zhì)主要取決于其含水率，水凝膠的含水率通常大于90%。水凝膠可采用聚合物通過(guò)各種方法進(jìn)行交聯(lián)制成，也可由現(xiàn)成的試劑合成，這種材料很容易被加工成所需的形狀，其包含的水分可與細(xì)胞及生長(zhǎng)因子均勻混合。水凝膠支架的主要缺點(diǎn)在于其力學(xué)性能不像合成聚合物那樣易于操控，可通過(guò)增加水凝膠交聯(lián)度來(lái)調(diào)控水凝膠的力學(xué)性能，但有些方法會(huì)影響細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝。Baek等[43]通過(guò)將人體半月板細(xì)胞包埋在細(xì)胞外基質(zhì)水凝膠中，構(gòu)建出層狀排列的聚乳酸靜電紡支架，以誘導(dǎo)形成類似半月板樣組織的腫瘤組織。試驗(yàn)表明，這種支架具有半月板的力學(xué)強(qiáng)度，可支持腫瘤組織的形成，在半月板再生策略中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 合成聚合物支架

合成聚合物支架主要通過(guò)化學(xué)合成的方法制備，其力學(xué)性能和可加工再利用性較強(qiáng)?？捎糜谥苽浜铣删酆衔镏Ъ艿木酆衔镉芯奂簝?nèi)酯(PCL)、PLA、聚乙醇酸(PGA)和聚乳酸共聚乙醇酸(PLGA)等。合成聚合物的主要缺點(diǎn)在于其生物相容性較差，并且降解產(chǎn)物不可吸收，無(wú)法及時(shí)排出體外。Aufderheide等[44]通過(guò)非織造網(wǎng)狀PGA制備組織工程膝關(guān)節(jié)半月板三維支架，試驗(yàn)表明，成纖維細(xì)胞和軟骨細(xì)胞均可很容易地在支架上附著和增殖。Tienen等[45]使用聚氨酯(PU)制備出一種可生物降解的半月板替代物，其孔徑大小為150～355 μm，孔洞之間的貫通性好，有利于組織的生長(zhǎng)。支架植入犬體內(nèi)3個(gè)月后，植入體完全充滿了纖維血管組織；6個(gè)月后，植入體中央?yún)^(qū)域包含有軟骨樣細(xì)胞，基質(zhì)中含有豐富的膠原和蛋白聚糖，證實(shí)該支架能促進(jìn)組織浸潤(rùn)及表型分化成類似于天然半月板的組織。

3.3 細(xì)胞外基質(zhì)支架

細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)支架主要由天然基質(zhì)大分子組成。理論上，細(xì)胞外基質(zhì)支架為種子細(xì)胞提供自然生長(zhǎng)環(huán)境，比人工聚合物支架和水凝膠支架更具有仿生性能，生物活性更高。ECM支架的缺點(diǎn)在于可用的ECM組分很少，臨床試驗(yàn)效果不佳。Yuan等[46]使用豬半月板的脫細(xì)胞半月板細(xì)胞外基質(zhì)(AMECM)與牛骨的脫礦松質(zhì)骨(DCB)構(gòu)建出不同的半月板多孔支架。在纖維軟骨細(xì)胞增殖、生物力學(xué)特性及膠原和GAG的分泌方面，AMECM/DCB構(gòu)建物在半月板再生方面表示出良好的效果。

4 關(guān)鍵問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展方向

4.1 關(guān)鍵問(wèn)題

為尋找最佳的半月板替代物，對(duì)半月板支架材料的研究在不斷推進(jìn)，但目前仍沒(méi)有一種材料能夠完全模擬出天然半月板的結(jié)構(gòu)和生物特性。科研人員一直在探索“完美”的半月板組織工程支架，以找到更佳的治療方法，使半月板替代物具備合適的力學(xué)性能、良好的生物學(xué)性能和耐久性。在這方面，天然材料較差的力學(xué)性能以及合成材料較差的生物相容性是問(wèn)題的關(guān)鍵。

4.2 未來(lái)發(fā)展方向

由多種材料復(fù)合制備的復(fù)合支架能彌補(bǔ)各組分材料的缺陷，更好地滿足半月板支架的制備要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。新型仿生結(jié)構(gòu)和功能化半月板復(fù)合支架是研究熱點(diǎn)，靜電紡絲、3 D打印等新技術(shù)的使用，有助于生產(chǎn)出具有內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)的支架，同時(shí)增強(qiáng)材料的生物特性，為半月板修復(fù)和重建領(lǐng)域帶來(lái)新的突破。另外，半月板支架材料中結(jié)構(gòu)、特性和功能關(guān)系的細(xì)化，以及新型加工技術(shù)的使用，也為半月板的修復(fù)帶來(lái)新的希望。

5 結(jié)語(yǔ)

半月板損傷是膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷中的常見(jiàn)病和多發(fā)病，中國(guó)平均每年的發(fā)生率為0.66%。迄今為止，半月板復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)和生理功能還不能完全被模擬出來(lái)。半月板再生仍然面臨多方面的挑戰(zhàn)，例如，如何選擇和設(shè)計(jì)具有足夠力學(xué)強(qiáng)度和長(zhǎng)遠(yuǎn)耐久性的生物材料，以優(yōu)化半月板的修復(fù)和重建。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，生物材料如何防止軟骨的退化也是關(guān)鍵問(wèn)題。隨著組織工程中外科技術(shù)的日益成熟，相信會(huì)有更多適用于半月板損傷的修復(fù)與再生的生物支架新材料出現(xiàn)。

基金項(xiàng)目:1.國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2021YFE0111100)；2.江蘇省第十五批“六大人才高峰”高層次人才項(xiàng)目(GDZB-035)；3.國(guó)家先進(jìn)功能纖維創(chuàng)新中心科研攻關(guān)項(xiàng)目(2021fx010104)；4.中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)“紡織之光”項(xiàng)目(J202002)；5.江蘇省先進(jìn)紡織工程技術(shù)中心創(chuàng)新項(xiàng)目(XJFZ/2021/7)