仿生結構人工韌帶的制造方法綜述

史豐田 張 梅 王世紅 徐炳坤 胡榮榮 董喜華

北京萬潔天元醫療器械股份有限公司，北京 102600

前交叉韌帶（ACL）損傷修復方法主要有自體韌帶重建、同種異體韌帶重建以及人工韌帶重建。自體韌帶存在供源不足、取材部位并發癥、與骨隧道的愈合存在不確定性等問題[1-2]。同種異體韌帶雖避免了供區并發癥，但其需要冷鏈運輸，質量難以保證，且存在疾病傳播、免疫排斥、移植物長入延遲以及來源少等問題[3]。而人工韌帶來源廣、強度大、恢復快，無供區并發癥及疾病傳播風險，能很好地避免自體及異體移植物的不足之處。目前，已有多種高分子材料用于人工韌帶的制作，并顯示出良好的理化性能和生物學性能[4-6]，但與臨床應用的要求相比仍存在較大差距，如易磨損、耐疲勞性差、易誘發骨隧道擴大等。因此，人們迫切希望得到具有天然韌帶特征或類似特征的人工韌帶產品[1]。

利用仿生學原理，模仿天然韌帶的結構，尤其是模仿關節腔內膠原纖維的走行和韌帶止點處的界面結構，將有利于韌帶組織的再生，減少纖維間磨損，提高韌帶的耐疲勞性能，促進人工韌帶與宿主骨的整合，從而提高人工韌帶產品的臨床使用效果。

關于仿生結構人工韌帶的材料選擇[7]、細胞負載[8]、生物因子[9]、物理刺激[10]等方面的內容前人已經有了較為廣泛且細致的綜述，故本文主要關注ACL 仿生結構韌帶的制備方法和實施步驟，希望可以啟發新的制備思路，促進上述領域豐富的研究成果向產品轉化。

1 前交叉韌帶的解剖特點

前交叉韌帶是位于膝關節關節腔內連接股骨與脛骨的一條韌帶，起于股骨外髁側面后部，斜行關節腔內，止于脛骨平臺髁間嵴前部，與后交叉韌帶及周圍韌帶共同穩定膝關節。

前交叉韌帶由多個纖維束組成，直徑250μm至數毫米不等，被一層結締組織包繞。每個纖維束又由3 ～20 個亞纖維束組成，為腱鞘包繞，亞纖維束的直徑為100 ～250μm，由一層疏松結締組織包繞。亞纖維束由直徑為1 ～20μm 膠原纖維組成。膠原纖維由直徑為25 ～250nm 膠原原纖維組成。前交叉韌帶內膠原原纖維沿縱軸呈波浪狀、平行排列走行，使韌帶纖維可適度拉長而不易斷裂，具有控制張力和減震的作用。韌帶表面纖維間有交叉走行的連接纖維，有利于增加韌帶的延展性和強度，并提高對旋轉應力的抵抗作用[11]。

ACL 韌帶與骨的結合處為直接止點，其結構分為四部分，即韌帶-非礦化纖維軟骨-礦化纖維軟骨-軟骨下骨。這四部分的結構、組成和力學性能呈梯度變化，從韌帶區域到骨區域，膠原纖維的排列由整齊取向變為無規分布，膠原含量降低、礦化物含量逐漸增加、拉伸強度降低、壓縮強度和剛性增強[12-13]。

2 仿生結構人工韌帶的制備

人工韌帶具有原料來源不受限制、初始強度高、使用方便、可快速恢復活動能力等優點，隨著人工韌帶使用經驗的日益積累[4，14]，眾多研究者從仿生的角度出發，對人工韌帶進行了廣泛的結構優化，力圖開發出修復效果更好的人工韌帶。為此，已發展出以下幾種方法。

2.1 傳統編織法

人工韌帶是以纖維和織物為基礎的產品，其成型方法與紡織密切相關。無論是梭織，還是針織，本質是將纖維在經緯兩個方向按一定規律排列，最終獲得結構縱橫交錯的織物，以滿足不同的使用目的。目前國際上應用于 ACL 重建的人工韌帶產品，如NeoligamentsTM、LigasticTM、LARSTM（Ligament Advanced Reinforcement System）等[15]，均用傳統編織方法制備。

其中，LARS 作為國內應用最多的人工韌帶產品，是采用經編方法制造的典型代表。總結早期人工韌帶的使用經驗發現[16-17]，在關節屈伸過程中，縱向纖維（緯線）與橫向纖維（經線）間的受力并不均勻，兩者相互摩擦最終導致材料疲勞磨損。因此，LARS 在設計上采用三段式，中間的關節腔內部分直接去掉橫向纖維，只剩縱向纖維（即自由纖維），并預扭90°，以最大程度模仿自然韌帶的結構，兩端的骨隧道部分則同時擁有縱向纖維和橫向纖維，以增加固定時的牢固度。臨床應用結果表明，術后早期（2 年內）和中期（2 ～10 年）臨床療效滿意，患者不但能早期重返運動，而且關節穩定性恢復和功能評分方面也具有優勢，甚至優于自體腘繩肌移植物[4]。可見，仿生結構設計對人工韌帶的重要性。

LARS 的最大特色是關節腔段的自由纖維部分，但由于經編工藝的限制，尚無法像自然韌帶那樣，將縱向走行的自由纖維做成波浪狀，并維持優異的拉伸性能，更無法在縱向走行的自由纖維之間添加適當的斜形連接纖維。

2.2 靜電紡絲法

靜電紡絲法是一種特殊的纖維制造工藝，其利用聚合物熔體或溶液在高靜電壓差的作用下，噴射延展成絲。該工藝所需裝置簡單、成本低廉、可紡物種類繁多、工藝可控，可有效制備納米纖維，已廣泛應用于過濾材料[18]、納米顆粒負載[19]、生物醫學[20]等領域。

吳惠英[21]將絲素蛋白（SF）溶于氯化鈣（CaCl2）-甲酸（FA）體系，干燥成膜后再溶解于甲酸中，以保留SF 的原纖結構，此后進行靜電紡絲，采用自制滾筒收集裝置制備取向的納米再生SF 纖維，所得纖維直徑為（221±20）nm，1 倍牽伸后纖維的斷裂應力和斷裂伸長率分別達到了（18.6±3.8）MPa和（15.1±2.5）%。由于單一纖維為原料構建的人工韌帶無法滿足性能要求，因此以SF 長絲、天然SF纖維和靜電紡絲SF 納米纖維為原料，在立式錠子編織機上構建復合韌帶，復合韌帶的斷裂強力可達（2581.7±23.7）N，滿足人體ACL 的要求。

He 等[22]針對以往多相支架設計不能兼顧材料的梯度和結構的連續性的缺點，采用靜電紡絲的方法制備了一種具有過渡結構的韌帶支架。該方法使用可旋轉鋁柱作為接收電極，以聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）溶液在高速旋轉的鋁柱上往復紡織得到了沿圓柱圓周分布取向的一層納米纖維織物，然后在鋁柱上纏繞一層PLGA 微米纖維作為增強相，隨后采用相同的方法在其上復合一層納米纖維織物，獲得了具有一定強度的高度取向的支架主體。然后鋁柱靜止，噴絲頭沿圓柱軸向往復運動，利用靜電紡絲的邊緣分布效應制得了具有梯度分布效果的PLGA/HA/BMP-2 復合織物帶，將織物帶沿圓柱軸向剪開，經卷繞、縫合后獲得具有梯度結構的韌帶支架。動物實驗結果表明，所得支架對移植物-骨界面的組織再生有顯著的促進效果。采用靜電紡絲制備多相韌帶支架，充分發揮了靜電紡絲織物在結構、組成上高度可調的優勢。

2.3 三維編織法

三維編織（3D 編織）即不通過剪裁縫合可直接編織出立體結構的一種編織方法。通過設定參數，3D 編織機可以直接編織出具有特定紋樣和形狀的織物，已廣泛用于制造生活用品和生物支架[23]。

有研究[24]報道了一例帶有兩個仿骨結構區域的人工韌帶，用于改善韌帶與骨道之間的愈合效果。該韌帶采用PLGA 纖維以3D 編織的方法得到，先將不同數量的纖維合成一股，再利用3D 編織機對不同股數的纖維進行編織，并通過改變編織角度控制織物的孔隙和形貌，得到了具有不同結構的整體仿生韌帶移植物。生物學評價試驗表明其可調控的孔隙結構適于不同細胞的長入及不同組織的修復再生。采用3D 編織制備韌帶移植物可以有效地控制織物的孔隙尺寸、孔隙率、機械性能以及外觀形貌，以適應不同類型細胞長入的需要和不同組織部位對織物力學性能的要求。

2.4 低溫燒結法

低溫燒結指高分子材料在玻璃化轉變溫度以上，熔融/分解溫度以下，通過長時間加熱使高分子材料粘合到一起的方法。低溫加熱粘合能有效減少高熱對材料本身結構的破壞，盡可能的保留原材料性能，保持構建單元基本形狀，控制堆疊孔隙的大小，非常適用于構建多孔材料[25]。而多孔結構的存在，對改善移植物-骨愈合效果至關重要。

Jeffrey 等[26]分析了韌帶重建過程中韌帶止點結構再生的重要性，仿照其結構制作了三相結構支架，并在其上進行多種細胞共同培養，觀察各類細胞的行為。該工作分別以PLGA 的織物作為韌帶相，PLGA 的微球進行燒結后作為界面相，PLGA/45S5生物玻璃混合物燒結后作為骨相，用以模仿天然韌帶止點的分層結構。得到的支架材料分別負載成纖維細胞、軟骨細胞和成骨細胞，經在裸鼠體內培養，可以得到類似天然韌帶止點的細胞分布特征，驗證了該方法用于恢復韌帶止點結構的有效性。但是該方法的效率不高，且制備的具有仿生結構的界面支架無法單獨使用，需與其他人工韌帶結合才能使用。

2.5 模型澆注法

模型澆注通過將原料溶液或熔體等流動相澆注到事先制備好的模型中，固化后成型為預期形狀的一種方法。是傳統生產中常見的成型方法，在各類材料加工都有廣泛的應用，具有方法簡便、適用性強等特點。隨著3D 打印技術的興起，模型制造更加容易，大大降低了模型澆注的成本和難度。

張文友等[27]使用模型澆注的方法制備了具有仿生結構且具有較高強度的人工韌帶支架：首先設計制作了韌帶支架仿骨區域的外模，通過羥基磷灰石（HA）/聚合物混合溶液注模、高溫干燥定型后高溫燒結得到了多孔仿骨結構，在其中穿入蠶絲纖維作為支架的韌帶部分，使韌帶牢固的固定在HA 塊上，再次使用模具澆注的方法在韌帶支架和骨支架的界面處澆注不同濃度梯度的HA/PLGA 混合物以形成類軟骨過渡層，然后進行凍干，得到了成分、孔隙梯度變化的人工韌帶支架。該方法簡單巧妙地實現了對韌帶區和骨止點區各層結構的模仿，整個支架具有較高的強度，可使韌帶重建具有較好的初期效果。

3 總結與展望

仿生是人們對人工韌帶進行結構優化的重要思路，現有研究成果也能佐證這一路線的正確性，但從目前所使用的制備方法來看，無論是傳統的紡織方法，還是與3D 打印結合的模型澆注方法，所得到的人工韌帶在結構上，仍與自然韌帶有明顯不同。表現在關節腔內為縱向纖維延展性低，且無橫向連接纖維以致結構松散；表現在骨隧道內，則是難以模仿韌帶-骨止點結合處的連續梯度結構。因此，開發更有效的制備方法，結合創新性的產品設計，縮小人工韌帶與自然韌帶這種結構上的差距，實現兩者整體上盡可能的相似，并實現結構與性能的統一，是未來人們追求的首要目標，當然也是非常具有挑戰性的課題。