半月板支架材料的研究進展

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 紡織與服裝工程學院(中國)2. 蘇州大學 現代絲綢國家工程實驗室(中國)3. 南通紡織絲綢技術研究院(中國)

半月板是一種類似月牙狀的纖維軟骨組織，主要由水、細胞外基質和半月板細胞組成[1]。在人體膝、腕和頷的樞紐關節部位，均有半月板存在。膝關節半月板位于股骨和脛骨平臺之間，發揮著重要的作用。膝關節半月板的截面形狀為三角形，內側厚度薄于外側，上表面形狀類似凹槽，與股骨相匹配，下表面平整，與脛骨平臺緊密連接[2]。半月板的膠原蛋白結構非常復雜，根據膠原纖維排列的不同，可分為3個部位[3]，表面和中央部位的膠原纖維較短，呈無序排列，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，可對軟組織的環狀應力起到很好的抵抗作用；中間層部位的膠原纖維隨機排列，可穩固圓周狀纖維。

膝關節半月板主要連接著脛骨平臺關節，其形狀為楔形，可限制股骨的移動范圍，起到穩固關節的作用。日常行走時，半月板會受到扭轉和擠壓等外力作用，過度和長期的負重容易造成半月板損傷。隨著膝關節半月板的日常磨損，在膝關節某一運動瞬間容易造成半月板受損。由于半月板獨特的解刨結構及無血液供應區域損傷后不具備自行愈合能力的特點，半月板重建成為損傷修復領域科研人員的研究熱點之一。

1 半月板支架材料的性能要求

因半月板具有獨特的解刨結構和生物力學功能，開發半月板支架對于科研人員而言是一個巨大的難題和挑戰。支架材料應具有足夠的抗拉伸和抗壓性能，以起到抗扭曲、減震和穩定膝關節的效果。若支架材料不能提供足夠的生物力學性能，將容易導致膝關節軟骨退化，嚴重時還會導致骨關節炎發生。因此，研究者嘗試開發新的材料和方法，以模擬半月板復雜的解刨結構，并使其滿足人體生物力學性能的要求[4]。半月板支架除了能提供力學支持外，還應有利于軟骨細胞的黏附和增殖，促進軟骨組織的再生。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，研究人員進行了廣泛的試驗研究(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的不良癥狀，改善膝關節功能，避免骨關節炎的發生。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種方法可較快地實現患者運動功能的恢復，短期內效果良好，但長期效果較差。組織工程作為一種新技術，也被用于半月板損傷修復和重建領域，并且是目前該領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胞和支架材料兩方面。組織工程化半月板的種子細胞通常為骨髓間充質干細胞、半月板纖維軟骨細胞和多功能纖維細胞等[15]。組織工程化半月板支架材料大致分為天然材料、合成材料和復合材料3類，其優缺點對比如表2所示。

表2 組織工程半月板支架材料優缺點

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組成。絲素蛋白所占質量分數約為蠶絲的70%～80%，由18種氨基酸組成[16-18]。絲素蛋白結構獨特，具有優異的生物相容性、可控的生物降解性、良好的力學性能，以及低免疫原性、結構完整性、適合于水或有機溶劑的加工，可進行化學修飾。絲素蛋白優良的生物力學性能使其在生物醫學領域有著廣泛的應用前景和使用價值[19]。

——優異的生物相容性[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域的成功應用，證實了其具有優異的生物相容性。

——可控的生物降解性[21]。生物降解性是生物醫用材料的一項重要指標。Park等[22]的研究表明，不同降解速率支持不同的細胞代謝活動，進而影響體內新骨的形成速率。絲素蛋白不僅可生物降解，而且可生物吸收，其降解產物主要為氨基酸，因而無需擔心其降解產物會通過代謝途徑被人體吸收而產生毒性。

——良好的力學性能[23]。蠶絲因其良好的力學性能引起了諸多研究者的注意，為開發一系列產品奠定了基礎，但經過處理后，蠶絲材料大多會變脆弱。例如，天然蠶絲的拉伸強度為0.5～0.6 GPa，斷裂伸長率為10%～40%[24]。然而，再生絲素蛋白膜的干拉伸強度僅為0.02 GPa，斷裂伸長率則小于2%[25]。這是因為處理后絲素蛋白再生材料的二級結構發生了變化。調整絲素蛋白再生材料的二級結構可有效提高其力學特性，甚至可使其力學特性接近天然蠶絲的水平。

——可加工性[26]。絲素蛋白的α-螺旋和無規卷曲兩種二級結構[27-28]，導致其可溶于水。在室溫、pH呈中性及低剪切力等溫和的環境條件下[29]，通過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，有利于細胞黏附和生長。在絲素蛋白的再生過程中，可通過各種后處理方法，如水蒸氣處理[30]、乙醇處理[31]等，獲得不同的二級結構。隨著結構之間的相互轉化，絲素蛋白表現出更好的結構完整性和抗水解性能，其中，β-折疊結構[32]賦予絲素蛋白良好的結構穩定性，使生物材料性能更好。

2.1.2 羊毛角蛋白

全球羊毛的年產量超過250萬 t。中國是羊毛產量全球排名前五的國家[33]。羊毛是一種材質堅韌的生物副產品，呈三維網狀結構，其蛋白質和硫的含量非常高。角蛋白作為羊毛的主要成分，是一種尚未被大量開發的豐富的蛋白質資源。基于羊毛角蛋白的組織工程支架已成為生物醫用材料的熱門研究領域之一。角蛋白良好的自組裝能力、優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，有利于細胞的黏附、增殖及組織液之間的交換。為最大程度地發揮羊毛蛋白在生物醫用領域的應用潛力，Tachibana等[35]將羥基磷灰石顆粒與角蛋白的多孔海綿結構結合，制備復合多孔海綿支架。研究表明，所得支架對成骨細胞的生長起到了積極作用。由于細胞增殖和營養液的相互貫通需要精確控制支架的孔徑，僅通過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來調節支架孔徑的大小。Peplow等[37]探究了角蛋白支架的體內降解情況，他們將支架植入小鼠皮下，并觀察了18周內支架的干質量和彈性模量，結果發現，兩者均呈下降趨勢。

2.1.3 膠原

膠原是脊椎動物體內含量最豐富的蛋白質，是細胞外基質的關鍵承重部分。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構，通過誘導類似于自然肌腱排列的細胞結構，評判其在兔肩袖撕裂模型上的效果。結果發現，該支架具有非常好的力學性能，并且可以促進肌腱和周圍組織細胞的細胞浸潤和肌腱分化，進而促進肩袖肌腱再生，在肌腱組織工程中具有潛在的應用價值。

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，生產原料主要來源于玉米。PLA綠色環保，可加工性好，有著廣泛的應用前景。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，再作為增強材料加入3 D打印軟骨脫細胞基質支架中，結果發現，所得支架具有良好的力學性能和生物相容性，并且可以促進兔軟骨的缺損修復。

2.2.2 聚乙烯醇

聚乙烯醇(PVA)是一種白色的有機化合物，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，該基質中含PVA-硼酸鹽網絡，通過比較可知，PVA-硼酸鹽網絡的加入可改善支架的結構和力學性能，并抑制細胞的增殖，但不影響細胞活力，說明該GAG基質在作為組織工程或細胞移植的可注射材料方面具有很大的潛力。

2.3 復合材料

近年來，通過組織工程方法制備的以細胞和生物材料為載體的復合支架在醫學領域受到廣泛關注。研究表明，單組分材料不能模擬半月板復雜的解刨結構和性能；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合支架，并達到半月板移植物的要求。Gao等[41]制備出一種以脫細胞半月板細胞外基質/聚己內酯(DMECM/PCL)靜電紡纖維和多孔DMECM為增強材料的半月板復合支架，其中，DMECM/PCL靜電紡纖維提供拉伸支持，DMECM提供多孔結構。試驗表明，靜電紡纖維的添加提高了半月板復合支架的力學性能，細胞試驗證實，半月板細胞可在支架內生長和增殖。以兔半月板全切除為動物模型，在手術后3個月和6個月評價半月板復合支架的體內性能，結果表明，該半月板復合支架可促進兔半月板的再生。Li等[42]通過濕法紡絲法制備了由絲素蛋白、ε-聚己內酯和生物活性因子鍶離子組成的脫細胞三維半月板支架，命名為SP-Sr。試驗表明，SP-Sr具有合適的孔徑和良好的力學性能，絲素蛋白和鍶離子的加入可促進細胞的增殖和遷移。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個月，SP-Sr支架可以促進半月板再生，減緩骨關節炎的發生，再生半月板具有與原生半月板相似的結構和力學性能，在臨床上具有一定的價值。

3 半月板支架的類型

3.1 水凝膠支架

根據來源，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各種方法進行交聯制成，也可由現成的試劑合成，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胞及生長因子均勻混合。水凝膠支架的主要缺點在于其力學性能不像合成聚合物那樣易于操控，可通過增加水凝膠交聯度來調控水凝膠的力學性能，但有些方法會影響細胞的生長和代謝。Baek等[43]通過將人體半月板細胞包埋在細胞外基質水凝膠中，構建出層狀排列的聚乳酸靜電紡支架，以誘導形成類似半月板樣組織的腫瘤組織。試驗表明，這種支架具有半月板的力學強度，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用價值。

3.2 合成聚合物支架

合成聚合物支架主要通過化學合成的方法制備，其力學性能和可加工再利用性較強。可用于制備合成聚合物支架的聚合物有聚己內酯(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在于其生物相容性較差，并且降解產物不可吸收，無法及時排出體外。Aufderheide等[44]通過非織造網狀PGA制備組織工程膝關節半月板三維支架，試驗表明，成纖維細胞和軟骨細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。支架植入犬體內3個月后，植入體完全充滿了纖維血管組織；6個月后，植入體中央區域包含有軟骨樣細胞，基質中含有豐富的膠原和蛋白聚糖，證實該支架能促進組織浸潤及表型分化成類似于天然半月板的組織。

3.3 細胞外基質支架

細胞外基質(extracellular matrix，ECM)支架主要由天然基質大分子組成。理論上，細胞外基質支架為種子細胞提供自然生長環境，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支架的缺點在于可用的ECM組分很少，臨床試驗效果不佳。Yuan等[46]使用豬半月板的脫細胞半月板細胞外基質(AMECM)與牛骨的脫礦松質骨(DCB)構建出不同的半月板多孔支架。在纖維軟骨細胞增殖、生物力學特性及膠原和GAG的分泌方面，AMECM/DCB構建物在半月板再生方面表示出良好的效果。

4 關鍵問題和未來發展方向

4.1 關鍵問題

為尋找最佳的半月板替代物，對半月板支架材料的研究在不斷推進，但目前仍沒有一種材料能夠完全模擬出天然半月板的結構和生物特性。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性能、良好的生物學性能和耐久性。在這方面，天然材料較差的力學性能以及合成材料較差的生物相容性是問題的關鍵。

4.2 未來發展方向

由多種材料復合制備的復合支架能彌補各組分材料的缺陷，更好地滿足半月板支架的制備要求，具有廣闊的應用前景。新型仿生結構和功能化半月板復合支架是研究熱點，靜電紡絲、3 D打印等新技術的使用，有助于生產出具有內部分層結構的支架，同時增強材料的生物特性，為半月板修復和重建領域帶來新的突破。另外，半月板支架材料中結構、特性和功能關系的細化，以及新型加工技術的使用，也為半月板的修復帶來新的希望。

5 結語

半月板損傷是膝關節運動損傷中的常見病和多發病，中國平均每年的發生率為0.66%。迄今為止，半月板復雜的解剖結構和生理功能還不能完全被模擬出來。半月板再生仍然面臨多方面的挑戰，例如，如何選擇和設計具有足夠力學強度和長遠耐久性的生物材料，以優化半月板的修復和重建。從長遠來看，生物材料如何防止軟骨的退化也是關鍵問題。隨著組織工程中外科技術的日益成熟，相信會有更多適用于半月板損傷的修復與再生的生物支架新材料出現。

基金項目:1.國家重點研發計劃(2021YFE0111100)；2.江蘇省第十五批“六大人才高峰”高層次人才項目(GDZB-035)；3.國家先進功能纖維創新中心科研攻關項目(2021fx010104)；4.中國紡織工業聯合會“紡織之光”項目(J202002)；5.江蘇省先進紡織工程技術中心創新項目(XJFZ/2021/7)