顳下頜關(guān)節(jié)盤組織再生的研究進(jìn)展

向超麗 俞律峰

【提要】 顳下頜關(guān)節(jié)盤穿孔是顳下頜關(guān)節(jié)紊亂?。═emporomandibular disorders，TMD）中的嚴(yán)重結(jié)構(gòu)紊亂類型之一，主要臨床表現(xiàn)為疼痛、關(guān)節(jié)雜音和下頜運(yùn)動(dòng)障礙。目前的臨床治療手段預(yù)后欠佳，難以恢復(fù)關(guān)節(jié)盤正常解剖形態(tài)及功能，而組織工程技術(shù)的發(fā)展，使關(guān)節(jié)盤再生成為可能。研究發(fā)現(xiàn)，將間充質(zhì)干細(xì)胞接種在具有一定強(qiáng)度的可生物降解支架上，在生長(zhǎng)因子的刺激下可向纖維軟骨分化，分泌膠原纖維和糖胺聚糖，最終支架被新生組織取代，關(guān)節(jié)盤實(shí)現(xiàn)再生。本文對(duì)近年來組織工程技術(shù)在關(guān)節(jié)盤再生方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

顳下頜關(guān)節(jié)（Temporomandibular joint，TMJ）是口頜系 統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是支持復(fù)雜的下頜運(yùn)動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)中承受一定的負(fù)荷[1]。關(guān)節(jié)盤是TMJ 中主要的應(yīng)力分布組織，提供潤(rùn)滑和緩沖，最大限度地減少運(yùn)動(dòng)過程中髁突與關(guān)節(jié)窩之間的承載力（如壓縮力、拉力和剪切力）[2]。顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病是肌骨骼類紊亂疾病，包括關(guān)節(jié)盤移位、骨關(guān)節(jié)炎、退行性關(guān)節(jié)病和肌肉疼痛[3]。關(guān)節(jié)盤相關(guān)TMD 涉及內(nèi)部紊亂或關(guān)節(jié)盤移位、關(guān)節(jié)盤變薄和關(guān)節(jié)盤穿孔。關(guān)節(jié)盤的穿孔使髁突和關(guān)節(jié)窩直接接觸，滑液發(fā)生變化，關(guān)節(jié)內(nèi)摩擦增加，從而引發(fā)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的退行性變化。目前已有地關(guān)于關(guān)節(jié)盤穿孔的治療手段預(yù)后欠佳，藥物及微創(chuàng)手術(shù)不能恢復(fù)受損的關(guān)節(jié)盤，關(guān)節(jié)盤切除會(huì)導(dǎo)致髁突重塑，組織工程技術(shù)有望成為修復(fù)或替代TMJ 病變組織的選擇[4]。通過在關(guān)節(jié)盤穿孔區(qū)域植入組織工程材料，或者病變關(guān)節(jié)盤切除術(shù)后置換工程化關(guān)節(jié)盤，可以修復(fù)缺損，隨著支架的緩慢降解和新的纖維軟骨組織形成，可以恢復(fù)關(guān)節(jié)盤的穩(wěn)定性及生理功能。組織工程的主要元素包括細(xì)胞、生長(zhǎng)因子和支架[5]。本文討論了顳下頜關(guān)節(jié)盤的解剖學(xué)和生理學(xué)特征，用于關(guān)節(jié)盤再生的細(xì)胞、生物工程支架、生長(zhǎng)因子和3D 生物打印技術(shù)，總結(jié)分析組織工程在關(guān)節(jié)盤再生中的應(yīng)用前景及面臨地問題。

1 關(guān)節(jié)盤的解剖和生理特征

關(guān)節(jié)盤是一種多孔黏彈性材料[2]，呈雙凹圓盤狀，中央?yún)^(qū)域較薄，周邊區(qū)域較厚，無血管和神經(jīng)支配，因此必須通過關(guān)節(jié)盤周圍滑液和血管的擴(kuò)散來維持營(yíng)養(yǎng)，自愈能力極差。關(guān)節(jié)盤是一種異質(zhì)纖維軟骨結(jié)構(gòu)，由膠原纖維、彈性蛋白纖維和蛋白多糖組成[6-7]，形成關(guān)節(jié)盤結(jié)構(gòu)的細(xì)胞是纖維軟骨細(xì)胞（30%）和成纖維細(xì)胞（70%）[8]，主要分泌Ⅰ型膠原蛋白。膠原纖維走行呈現(xiàn)各向異性變化，與關(guān)節(jié)盤的拉伸特性高度相關(guān)[9]，內(nèi)部的環(huán)狀膠原網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是其抗壓性能的基礎(chǔ)，中間帶表現(xiàn)出比前帶和后帶更高的抗壓性能[10]。彈性蛋白纖維的走行通常與膠原纖維平行，被認(rèn)為有助于在荷載后恢復(fù)關(guān)節(jié)盤的形狀，隨著年齡的增長(zhǎng)彈性纖維數(shù)量減少[6]。這些纖維在關(guān)節(jié)盤-關(guān)節(jié)囊過渡區(qū)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。蛋白聚糖在促進(jìn)和調(diào)節(jié)膠原纖維和其他細(xì)胞外基質(zhì)成分的發(fā)育，維持纖維空間結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮著重要作用[11]。關(guān)節(jié)盤的這些微觀特征表明其在抵抗咀嚼力作用下的壓縮和拉伸方面的性能。

天然組織的生物力學(xué)特性是創(chuàng)建功能性組織工程替代物的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。Kuo 等[12]對(duì)人類關(guān)節(jié)盤進(jìn)行區(qū)域生物力學(xué)和生化表征分析，關(guān)節(jié)盤周邊帶的聚合模量約為中、外側(cè)區(qū)域的1/3。水力滲透率也存在顯著差異，前部和后部區(qū)域的滲透性比關(guān)節(jié)盤中央?yún)^(qū)域高約40%。聚合模量和滲透率呈反比關(guān)系，具有顯著的區(qū)域差異。關(guān)節(jié)盤的平均聚合模量為50.66 kPa，平均滲透率為5.652×10-15m4·N-1，平均水體積分?jǐn)?shù)為80%，聚合模量與含水量呈負(fù)相關(guān)，而水力滲透率與含水量呈正相關(guān)。與前部和后部區(qū)域相比，關(guān)節(jié)盤的中心區(qū)域具有較高的聚合模量和較低的滲透性，這與相關(guān)區(qū)域的含水量有關(guān)。關(guān)節(jié)盤的動(dòng)態(tài)壓縮行為高度依賴于頻率。復(fù)模量（即動(dòng)態(tài)應(yīng)力與動(dòng)態(tài)應(yīng)變的比率）在關(guān)節(jié)盤中隨著頻率的增加（0.01～3.0 Hz）而增加。中心區(qū)域的復(fù)模量（454.6～1613.0 kPa）比前部和后部區(qū)域（171.8～609.3 kPa）大2.5～3 倍。即使在0.01 Hz 的低頻下，關(guān)節(jié)盤的動(dòng)態(tài)模量也遠(yuǎn)大于其平衡模量，這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)負(fù)載條件下組織內(nèi)發(fā)生間質(zhì)液加壓效應(yīng)[13]。由于組織的雙相性質(zhì)，受限壓縮中關(guān)節(jié)盤的動(dòng)態(tài)模量與組織的聚合模量和水力滲透性有關(guān)。關(guān)節(jié)盤具有較高聚合模量和較低滲透率的區(qū)域具有較高的動(dòng)態(tài)模量。流體加壓在動(dòng)態(tài)負(fù)載條件下對(duì)關(guān)節(jié)盤的負(fù)載支撐起重要作用。

2 細(xì)胞來源

許多細(xì)胞類型可用于關(guān)節(jié)盤再生，包括軟骨細(xì)胞、干細(xì)胞和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（Induced pluripotent stem cells，iPSC）等。關(guān)節(jié)盤組織工程中使用的細(xì)胞類型及其優(yōu)缺點(diǎn)詳見表1。

表1 關(guān)節(jié)盤組織工程的細(xì)胞來源

2.1 干細(xì)胞

干細(xì)胞可以來自成體組織或胚胎組織，但因倫理問題，多數(shù)研究都聚焦于成體干細(xì)胞[14]。間充質(zhì)干細(xì)胞（Mesenchymal stem cells，MSCs）在組織工程中最受關(guān)注，幾乎存在于所有組織中，可以從骨髓[15]、脂肪[16]、滑膜[17]、人臍帶血[18]等多種組織中分離得到。MSCs 的三個(gè)特性使其成為組織再生的理想細(xì)胞來源：①有利于減輕異常免疫反應(yīng)的免疫調(diào)節(jié)能力；②產(chǎn)生生長(zhǎng)因子的旁分泌或自分泌功能；③分化為靶細(xì)胞的能力[19]。不同來源的MSCs 的轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、免疫表型和免疫調(diào)節(jié)活性不同，這意味著MSCs 具有獨(dú)特的分化潛能[20]。

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（Bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）已被用于關(guān)節(jié)盤穿孔部位的修復(fù)。在兔關(guān)節(jié)盤穿孔模型中，從股骨收集自體BMSCs 并接種到膠原支架中，將其植入穿孔部位8 周后，關(guān)節(jié)盤穿孔部位被結(jié)締組織填滿，實(shí)現(xiàn)組織再生，而植入空支架組未完全閉合[15]。

脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞（Adipose-derived mesenchymal stem cells，ADSCs）表現(xiàn)出優(yōu)于BMSCs 的幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，包括侵入性較小的采集程序、從等量采集的組織中獲得更多數(shù)量的干細(xì)胞、增殖和分化能力增強(qiáng)，以及更好的血管生成和體內(nèi)成骨特性[16]。將分化的ADSCs 接種到聚乳酸支架中，植入體內(nèi)取代關(guān)節(jié)盤，對(duì)髁突軟骨有保護(hù)作用，但支架的位移可能會(huì)影響結(jié)果[21]。

用于關(guān)節(jié)盤再生的研究較少的干細(xì)胞是滑膜間充質(zhì)干細(xì)胞（Synovial mesenchymal stem cells，SMSC）和牙髓干細(xì)胞（Dental pulp stem cells，DPSCs）。SMSC 比BMSCs 和ADSCs具有更顯著的增殖和成軟骨潛能，并且比BMSCs 具有更少的肥大分化[17]。Wang 等[22]將兔顳下頜關(guān)節(jié)盤細(xì)胞和SMSC 以1∶1 的比例共培養(yǎng)14 d，可以觀察到軟骨形成相關(guān)基因（Col2a1、Sox-9）的表達(dá)和細(xì)胞外基質(zhì)（糖胺聚糖、Ⅱ型膠原）的分泌，形成具有一定形態(tài)特征的關(guān)節(jié)盤組織。DPSCs 因其易于分離、巨大的擴(kuò)增潛力以及多向分化潛能，被認(rèn)為是關(guān)節(jié)盤的潛在干細(xì)胞來源。Longoni 等[23]從人類磨牙獲得的DPSCs 在3D 顆粒培養(yǎng)模型中進(jìn)行了擴(kuò)增和軟骨分化。在軟骨形成刺激下分化21 d 后，細(xì)胞呈現(xiàn)伸長(zhǎng)的形態(tài)并產(chǎn)生富含膠原蛋白的細(xì)胞外基質(zhì)。

臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞（Umbilical cord mesenchymal stem cells，UCMSCs）不受倫理問題的限制，相對(duì)于其他來源的MSCs表現(xiàn)出生物學(xué)優(yōu)勢(shì)，包括具有更長(zhǎng)的培養(yǎng)時(shí)間、大規(guī)模擴(kuò)增、延緩衰老和Ang-1 的抗炎作用[18]。此外，UCMSCs 可以上調(diào)生長(zhǎng)因子、細(xì)胞外基質(zhì)標(biāo)志物和抗炎細(xì)胞因子的表達(dá)，減少促炎細(xì)胞因子的表達(dá)，具有顯著的軟骨保護(hù)作用和軟骨再生潛力[24]。

干細(xì)胞的其他潛在來源包括真皮間充質(zhì)干細(xì)胞（Dermal mesenchymal stem cells，DMSCs）和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（Induced pluriporent stem cells，iPCS）。真皮分離的成體干細(xì)胞數(shù)量充足，是近年來再生醫(yī)學(xué)中常用的干細(xì)胞來源之一，通過軟骨誘導(dǎo)DMSCs 可以進(jìn)行軟骨修復(fù)和再生[25]。由于其新穎性，DMSCs尚未用于關(guān)節(jié)盤組織工程。iPCS 的發(fā)現(xiàn)使終末分化細(xì)胞重編程為具有多能性的原代干細(xì)胞成為可能，并為軟骨缺損的再生和修復(fù)提供了潛力[26]。Nakamura 等[27]將3D 生物打印方法與iPSC 衍生的軟骨細(xì)胞結(jié)合用于關(guān)節(jié)軟骨再生，提高了構(gòu)建體的機(jī)械強(qiáng)度（壓縮和拉伸特性），并誘導(dǎo)了糖胺聚糖（Glycosaminoglycan，GAG）和Ⅱ型膠原蛋白的表達(dá)，改善了組織功能。雖然iPSC 尚未直接用于再生纖維軟骨，但使用iPSC 再生關(guān)節(jié)軟骨的成功[26]，使其有可能用于關(guān)節(jié)盤的組織修復(fù)。

人類胚胎干細(xì)胞（Human embryonic stem cells，hESCs）是用于纖維軟骨組織工程的新興細(xì)胞來源[28]。胚胎干細(xì)胞可以長(zhǎng)期保存，能夠無限增殖而不會(huì)失去其多能性[29]，但相關(guān)倫理問題阻礙了其在組織工程中的廣泛使用，目前還沒有研究在TMJ 組織工程中使用胚胎干細(xì)胞。

雖然許多關(guān)于使用MSCs 進(jìn)行組織修復(fù)的研究都是基于移植的MSCs 分化為靶細(xì)胞并替換受損組織的假設(shè)，但越來越多的證據(jù)表明MSCs 通過分泌營(yíng)養(yǎng)因子來協(xié)調(diào)組織發(fā)揮修復(fù)再生功效[30]。MSCs 衍生的外泌體模擬了MSCs 的主要治療作用，可抑制TMJ 軟骨細(xì)胞的炎癥，能夠再生軟骨和骨組織，修復(fù)受損部位，并可治療由顳下頜關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎引起的功能障礙和疼痛[31]。外泌體在顳下頜關(guān)節(jié)盤領(lǐng)域尚未得到廣泛研究，但最近的一些研究顯示干細(xì)胞衍生的外泌體在誘導(dǎo)祖細(xì)胞遷移、軟骨和骨骼修復(fù)以及疼痛減輕方面效果良好[30]。因此，外泌體可能是關(guān)節(jié)盤修復(fù)的潛在新策略，為“無細(xì)胞”療法的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

2.2 體細(xì)胞

關(guān)節(jié)盤組織工程的潛在主要體細(xì)胞來源包括關(guān)節(jié)盤細(xì)胞、關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞、半月板細(xì)胞和肋軟骨細(xì)胞[32]。TMJ 關(guān)節(jié)盤結(jié)構(gòu)的膠原蛋白含量是肋軟骨的兩倍以上，并且具有最大的拉伸性能，然而構(gòu)建體的大幅收縮和有限的細(xì)胞數(shù)量使其不可能成為組織工程的細(xì)胞來源[33]。將關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞和半月板細(xì)胞共培養(yǎng)，其膠原纖維排列與天然關(guān)節(jié)盤相似，在有限元分析中表現(xiàn)出方向依賴性應(yīng)變和各向異性[34]。使用同種異體、傳代的肋軟骨細(xì)胞可以制造無支架的組織工程植入物，通過壓縮和生物活性刺激方案，使其機(jī)械性能類似于天然關(guān)節(jié)盤，體內(nèi)植入后，穿孔的關(guān)節(jié)盤出現(xiàn)再生[35]。比較來自關(guān)節(jié)盤細(xì)胞、關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞和肋軟骨細(xì)胞的GAG 和膠原沉積、細(xì)胞增殖，發(fā)現(xiàn)肋軟骨細(xì)胞優(yōu)于前兩者[33，36]。肋軟骨細(xì)胞似乎是關(guān)節(jié)盤組織工程中最有希望的體細(xì)胞來源。然而，與干細(xì)胞相比，體細(xì)胞在來源和擴(kuò)增上的限制，使其在組織工程中的應(yīng)用受限。

3 支架材料

用于關(guān)節(jié)盤再生的支架材料需要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、生物相容性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，以確保新組織能夠正常形成。TMJ 關(guān)節(jié)盤通常處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，承受大量壓力，并且大部分是無血管的，因此開發(fā)適合長(zhǎng)期使用的支架材料對(duì)于關(guān)節(jié)盤再生至關(guān)重要。關(guān)節(jié)盤替代材料主要分為兩類：天然材料和合成材料。

3.1 天然材料

用于關(guān)節(jié)盤支架的天然材料包括膠原蛋白、纖維蛋白、殼聚糖、藻酸鹽和脫細(xì)胞細(xì)胞外基質(zhì)（Decellularized extracellular matrix，dECM）等（表2）。

表2 關(guān)節(jié)盤組織工程的天然支架材料

膠原蛋白是天然關(guān)節(jié)盤的主要成分之一，為細(xì)胞浸潤(rùn)創(chuàng)造了多孔結(jié)構(gòu)，GAGs 很容易沉積在其表面[37]。將多孔膠原海綿支架與合適的生長(zhǎng)因子或細(xì)胞因子相結(jié)合，具有促進(jìn)干細(xì)胞募集、增殖和分化的能力[38]。

纖維蛋白凝膠也被用做細(xì)胞支架[39]。然而，纖維蛋白凝膠存在機(jī)械強(qiáng)度差、形成過程中快速降解和體積收縮的問題。Foroushani 等[40]合成的明膠-糖胺聚糖基質(zhì)和纖維蛋白的混合支架，成功改善了纖維蛋白樣支架的機(jī)械性能、降解時(shí)間和細(xì)胞反應(yīng)。纖維蛋白凝膠和凍干殼聚糖的復(fù)合支架也可以形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，具有增強(qiáng)細(xì)胞增殖和關(guān)節(jié)盤ECM 沉積的作用[41]。

殼聚糖由氨基葡萄糖組成，具有優(yōu)良的生物相容性和可生物降解特性，但作為支架使用受到生物活性和機(jī)械性能低的限制。將殼聚糖與其他天然或合成聚合物和/或生物材料混合，可有效地控制這些生物復(fù)合材料支架的孔隙率和保水性，降低其生物降解率，增強(qiáng)生物活性和生物相容性，并提高機(jī)械性能[42]。殼聚糖與海藻酸鹽結(jié)合形成的支架，具有支持干細(xì)胞黏附和長(zhǎng)期增殖，并促進(jìn)干細(xì)胞纖維/軟骨分化和形成豐富纖維軟骨組織的特性，負(fù)載干細(xì)胞的支架機(jī)械性能與天然關(guān)節(jié)盤相似[43]。

藻酸鹽也是用于關(guān)節(jié)盤組織工程的熱門支架材料。通過使用碳二亞胺化學(xué)共價(jià)交聯(lián)藻酸鹽引入形狀記憶特性，使用定向冷凍技術(shù)修改支架結(jié)構(gòu)，在形狀記憶藻酸鹽支架中調(diào)整支架結(jié)構(gòu)和組成，可以用于指導(dǎo)干細(xì)胞分化并支持復(fù)雜軟骨組織的發(fā)育[44]。

脫細(xì)胞ECM 支架通常來自豬膀胱、關(guān)節(jié)盤、小腸黏膜下層?；谪i膀胱的支架是通過將粉狀豬膀胱夾在兩個(gè)水合的膀胱片之間構(gòu)建枕頭狀結(jié)構(gòu)，其GAG、膠原蛋白濃度、機(jī)械性能與天然關(guān)節(jié)盤相似，植入體內(nèi)后防止了關(guān)節(jié)窩和髁突的嚴(yán)重退行性變化[45]。然而，這些支架固定在關(guān)節(jié)窩上，不可能實(shí)現(xiàn)TMJ 的自然運(yùn)動(dòng)。將關(guān)節(jié)盤去細(xì)胞化后通過激光燒蝕制成多孔結(jié)構(gòu)，微孔化可以增強(qiáng)支架的孔隙率，增加水力傳導(dǎo)性，提高細(xì)胞對(duì)支架的黏附，增加整個(gè)支架核心的細(xì)胞密度，改善細(xì)胞的黏附、擴(kuò)散和遷移[46]。將小腸脫細(xì)胞ECM 支架體內(nèi)植入后，可以促進(jìn)關(guān)節(jié)間隙內(nèi)新組織形成，宿主細(xì)胞填充，形成類似于天然組織的、新的、致密排列的纖維軟骨，外周肌肉和肌腱附著物形成，同時(shí)髁突表面未見退化[47]，這種無細(xì)胞生物支架在關(guān)節(jié)盤重建中療效顯著。

3.2 合成材料

與天然產(chǎn)品相比，合成材料缺乏固有分化特性，但能在保持生物相容性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械特性的增強(qiáng)控制。表3 顯示的是目前已用于關(guān)節(jié)盤構(gòu)建的聚合物，包括聚四氟乙烯（PTFE）、聚乙醇酸（PGA）、聚乳酸（PLA）、聚（乳酸-乙醇酸共聚物）（PLGA）、聚己內(nèi)酯（PCL）、聚癸二酸甘油酯（PGS）、聚癸二酸甘油酯丙烯酸酯（PGSA）、聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）以及聚乙烯醇（PVA）等。

表3 關(guān)節(jié)盤組織工程的合成支架材料

第一個(gè)關(guān)節(jié)盤替代物是由碳纖維結(jié)合聚四氟乙烯制成的，然而由于植入物碎裂，導(dǎo)致組織纖維化、異物巨細(xì)胞反應(yīng)和髁突吸收，該材料被證明不適用于替代關(guān)節(jié)盤[48]。PGA 支架可以接種關(guān)節(jié)盤細(xì)胞，使其不斷沉積膠原蛋白，然而至少需要6 周才能形成有組織的結(jié)構(gòu)[49]。將PGA 與PLA 或PCL 或聚4-羥基丁酸酯（P4HB）聚合形成支架，能加快組織形成，在支架降解率和組織形成之間實(shí)現(xiàn)平衡，以保持替代組織的機(jī)械完整性[50]。

PLA 支架的降解速度較慢，支架為雙相圓盤狀結(jié)構(gòu)，一側(cè)是用于細(xì)胞接種的無紡多孔墊，另一側(cè)是作為關(guān)節(jié)面的實(shí)心PLA 層，有利于荷載。然而，關(guān)節(jié)中存在的脫位和骨關(guān)節(jié)炎表明支架沒有充分保護(hù)TMJ[21]。將PLA 支架通過化學(xué)改性和聚多巴胺（PDA）涂層后，可以增強(qiáng)細(xì)胞黏附、擴(kuò)散和增殖，提高支架的生物活性[51]。

PCL 單獨(dú)使用無法滿足關(guān)節(jié)盤再生所需支架的性能，通常與PGA、PLGA、PEGDA、PGS、PVA 聚合，形成復(fù)合支架。由嵌入PLGA 微球的PCL 制成支架，可以改善纖維軟骨的生成。由于PCL 和PLGA 之間的熔解溫度存在顯著差異，PLGA可以在熔解的PCL 中保持穩(wěn)定，保護(hù)包裹在PLGA 中的生長(zhǎng)因子蛋白。與單獨(dú)的PCL 支架相比，PLGA+PCL 支架顯示出膠原蛋白生成增強(qiáng)、GAG 沉積增加以及機(jī)械性能增強(qiáng)的特性[52]。涂有PEGDA 水凝膠的3D 打印PCL 支架也能更好地模擬天然關(guān)節(jié)盤的機(jī)械性能[53]。

PGS 是一種用于關(guān)節(jié)盤組織構(gòu)建的新型支架材料，纖維軟骨細(xì)胞能在其上大量增殖，并且分泌出豐富的膠原蛋白和糖胺聚糖，表明支架促進(jìn)了細(xì)胞附著和增殖，支持細(xì)胞外基質(zhì)的沉積[54]。PGS 是具有生物相容性和可生物降解的彈性體，但材料親水性不足，韌性欠佳，合成的反應(yīng)條件較為苛刻，存在固化反應(yīng)需要溫度高、真空度高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)[55]。將PGS 丙烯酸化得到PSGA，其固化條件降低，操作更加簡(jiǎn)單易行，具有熱固化和光固化能力，同時(shí)支架降解動(dòng)力學(xué)和機(jī)械性能存在可調(diào)性，微結(jié)構(gòu)幾何形狀的精度提高，利于細(xì)胞黏附、生長(zhǎng)增殖和基質(zhì)沉積[55-56]。

與聚合物相比，二氧化鈦對(duì)細(xì)胞增殖和細(xì)胞外基質(zhì)表達(dá)有刺激作用，通過逐層組裝制造的二氧化鈦納米薄膜可能具有作為TMJ 支架材料的潛力[59]。

4 生長(zhǎng)因子

與TMJ 關(guān)節(jié)盤相關(guān)的生長(zhǎng)因子是堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（Basic fibroblast growth factor，bFGF）、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β（Transforming growth factor beta，TGF-β）、胰島素生長(zhǎng)因子I（Insulin growth factor I，IGF-I）、結(jié)締組織生長(zhǎng)因子（Connective tissue growth factor，CTGF）；其他包括血小板衍生生長(zhǎng)因子（Platelet-derived growth factor，PDGF）、表皮生長(zhǎng)因子（Epidermal growth factor，EGF）、白介素1（Interleukin 1，IL-1）、高遷移率族蛋白1（High mobility group 1 protein，HMG-1）和腫瘤壞死因子α（Tumor necrosis factor alpha，TNF-α）[5，60-62]。

TGF-β1 可以增強(qiáng)細(xì)胞嵌入支架的機(jī)械性能。用TGF-β1連續(xù)處理纖維軟骨細(xì)胞和關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的共培養(yǎng)物，增加了約20%的膠原沉積、約130%的壓縮剛度和約170%的楊氏模量，顯著增加了構(gòu)建體的功能特性[61]。bFGF 可以增強(qiáng)關(guān)節(jié)盤后結(jié)締組織的壓縮應(yīng)力耐受性，阻止由盤前移位引起的退行性變化[63]。將CTGF 和TGF-β3 負(fù)載微球PLGA 分區(qū)嵌入PCL支架中，可以誘導(dǎo)BMSCs 分化為纖維軟骨細(xì)胞，合成區(qū)域特異性Ⅰ型和Ⅱ型膠原蛋白，再生半月板，使膝關(guān)節(jié)功能恢復(fù)。同時(shí)，時(shí)空傳遞的CTGF 和TGFβ3 也恢復(fù)了再生半月板的不均勻機(jī)械性能[62]。

PDGF 是傷口愈合和組織修復(fù)必不可少的信號(hào)分子。Hanaoka 等[64]將PDGF 置于關(guān)節(jié)盤細(xì)胞的培養(yǎng)基中發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞增殖率、膠原蛋白合成量和透明質(zhì)酸合成量顯著升高，表明PDGF 能增強(qiáng)關(guān)節(jié)盤細(xì)胞的增殖和基質(zhì)合成。Detamore 等[60]比較了PDGF、bFGF 和IGF-I 對(duì)TMJ 關(guān)節(jié)盤細(xì)胞的增殖和生物合成的影響?？傮w而言，最有益的生長(zhǎng)因子是bFGF，它在增加細(xì)胞增殖和GAG 合成方面最有效，也能有效促進(jìn)膠原蛋白合成。PDGF 是有效的GAG 合成上調(diào)劑，但對(duì)膠原蛋白的產(chǎn)生沒有顯著影響。IGF-I 在較高的濃度下能有效促進(jìn)膠原蛋白合成，但對(duì)GAG 的產(chǎn)生沒有顯著影響。

基于這些研究，許多生長(zhǎng)因子增加了與關(guān)節(jié)盤相關(guān)的參數(shù)，如細(xì)胞增殖、膠原蛋白生成和GAG 生成。然而，只有TGF-β1 被證明可以增強(qiáng)細(xì)胞嵌入支架的機(jī)械性能[61]。為了改善關(guān)節(jié)盤結(jié)構(gòu)，相關(guān)研究在涉及伴隨遞送、順序遞送或空間遞送的組合應(yīng)用中使用了生長(zhǎng)因子。多種生長(zhǎng)因子的受控遞送可以改善愈合過程，因?yàn)樽匀挥闲枰环N以上的生長(zhǎng)因子被上調(diào)，并且通常涉及以時(shí)間依賴性方式變化的生長(zhǎng)因子濃度[65]。同樣值得注意的是，這些研究只涉及生長(zhǎng)因子蛋白，基于基因?qū)用娴纳L(zhǎng)因子在關(guān)節(jié)盤細(xì)胞中的作用仍未被研究[66]。對(duì)于未來的工作，可以研究基于基因表達(dá)的信號(hào)傳遞和時(shí)空參數(shù)，以進(jìn)一步提高生長(zhǎng)因子對(duì)TMJ 關(guān)節(jié)盤再生的功效。

5 關(guān)節(jié)盤3D 生物打印

除了選擇合適的材料外，還必須優(yōu)化支架的結(jié)構(gòu)，以最大限度地提高細(xì)胞和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的浸潤(rùn)，同時(shí)保留維持TMJ 功能所需的機(jī)械性能。在支架設(shè)計(jì)過程中要考慮的重要因素包括孔徑、孔隙率、整體形狀、機(jī)械強(qiáng)度、柔韌性和特定區(qū)域的變化[67-68]。

TMJ 關(guān)節(jié)盤支架的制造方法包括脫細(xì)胞ECM 層壓、水凝膠、模具鑄造、增材制造、3D 生物打印和4D 打印[5，69]。其中，3D 生物打印是關(guān)節(jié)盤支架制造中常用的技術(shù)。從本質(zhì)上講，生物打印是快速成型或增材制造技術(shù)的擴(kuò)展應(yīng)用，當(dāng)嵌入細(xì)胞相容性生物材料時(shí)，以逐層的方式在基板上打印生物功能材料[70]。由細(xì)胞、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)材料和其他必要成分組成的生物材料被稱為“生物墨水”[71]。然后將基于細(xì)胞的生物墨水制成具有幾何復(fù)雜性的所需形狀和尺寸，以創(chuàng)建多面的3D 模擬組織結(jié)構(gòu)。這為器官和組織打印提供了一個(gè)很有前途的途徑，可以從細(xì)胞來源創(chuàng)建新的功能性3D 組織[72]。

使用3D 生物打印機(jī)可以正確分布和定位高密度的生物材料、信號(hào)因子和異質(zhì)細(xì)胞，以形成組織工程結(jié)構(gòu)。最終生物打印支架的質(zhì)量受其生物相容性、生物降解性、細(xì)胞反應(yīng)和暴露的組織微環(huán)境的影響[73]。此外，具有互連孔隙和大表面積的3D 生物打印結(jié)構(gòu)支持細(xì)胞附著、生長(zhǎng)、細(xì)胞間通信以及氣體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的交換，這比傳統(tǒng)的溶劑澆鑄、相分離和熔體成型技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)[74]。

根據(jù)制造功能性組織結(jié)構(gòu)的基本工作原理，有不同的生物打印策略，即基于噴墨的生物打印、激光輔助生物打印、基于壓力輔助的生物打印、聲學(xué)生物打印、基于立體光刻的生物打印和磁性生物打印[73-74]。這些生物打印策略可以單獨(dú)使用或組合使用，以實(shí)現(xiàn)所需的增材制造目標(biāo)和組織構(gòu)建。

生物墨水必須具有獨(dú)特的特性才能在臨床使用中進(jìn)行優(yōu)化，包括在體內(nèi)和培養(yǎng)中的不溶解性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、與組織再生一致的降解速率、促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和無毒特性，還必須與細(xì)胞整合[75]。盡管取得了很大進(jìn)步，但設(shè)計(jì)合適的生物墨水和復(fù)雜的組織制造仍然具有挑戰(zhàn)性。保持封裝在生物墨水中的細(xì)胞的活力并確保它們免受打印過程的損害需要新的生物墨水配方、新的細(xì)胞來源和先進(jìn)的打印技術(shù)。因此，需要建立標(biāo)準(zhǔn)化流程和質(zhì)量控制方法。

生物打印技術(shù)具有生產(chǎn)結(jié)構(gòu)與天然組織相似的復(fù)雜3D支架的潛力，非常適合應(yīng)用于關(guān)節(jié)盤組織工程。然而開發(fā)能夠承受負(fù)荷的功能性關(guān)節(jié)盤仍然具有挑戰(zhàn)性。3D 生物打印還沒有大規(guī)模的臨床轉(zhuǎn)化，目前的進(jìn)展僅限于臨床前研究[75]。

4D 打印是一種新的制造概念，涉及使用由響應(yīng)性聚合物制成的3D 打印結(jié)構(gòu)，可以受到pH、濕度、光和溫度等外部因素的刺激。這些材料可以通過改變其形狀或顏色、產(chǎn)生電刺激、變得具有生物活性、自組裝或執(zhí)行預(yù)期功能來對(duì)體內(nèi)條件作出動(dòng)態(tài)響應(yīng)[69，76]。生成的3D 結(jié)構(gòu)代表了一個(gè)更逼真的模型，模擬了原生人體環(huán)境并確保了生物實(shí)體的良好性能。盡管響應(yīng)材料已經(jīng)研究多年，但只有少數(shù)被用于組織工程的4D 打印。

6 總結(jié)與展望

由于TMJ 關(guān)節(jié)盤的自我修復(fù)能力有限，修復(fù)受損的關(guān)節(jié)盤仍然是一個(gè)長(zhǎng)期的挑戰(zhàn)。隨著支架制造、細(xì)胞化策略和生長(zhǎng)因子遞送技術(shù)的不斷發(fā)展，許多研究已應(yīng)用于TMJ，但仍缺乏大量的臨床試驗(yàn)來驗(yàn)證其在關(guān)節(jié)盤再生中的療效。目前，通過3D 生物打印以關(guān)節(jié)盤的解剖形狀進(jìn)行支架制造方面已取得了顯著進(jìn)展，并且所使用的材料已被證明可以增加關(guān)節(jié)盤穿孔模型及關(guān)節(jié)盤置換術(shù)后的組織再生。將MSCs 與支架結(jié)合，在生長(zhǎng)因子的調(diào)控下，可以增加纖維軟骨組織的再生和機(jī)械強(qiáng)度，提供關(guān)節(jié)盤的功能性替代物，以保護(hù)髁突軟骨免受損傷。然而，仍有一些具有挑戰(zhàn)性的問題尚未解決，包括纖維軟骨在組織工程化關(guān)節(jié)盤表面的修復(fù)和結(jié)合，關(guān)節(jié)盤再生的細(xì)胞選擇，生長(zhǎng)因子的調(diào)控機(jī)制、適宜濃度和組合應(yīng)用方式，支架在TMJ 微環(huán)境中的生物力學(xué)性能，植入材料的移位以及長(zhǎng)期療效評(píng)估等。相信隨著組織工程研究的不斷深入，關(guān)節(jié)盤再生的臨床應(yīng)用將會(huì)走向成熟，成為TMD 可靠的治療手段之一。