構(gòu)建組織工程軟骨支架材料現(xiàn)狀及未來

1、構(gòu)建組織工程軟骨支架材料：現(xiàn)狀及將來周 勇1，2，3，朱偉民2，3，彭亮權(quán)2，3，王大明3，劉 威3，徐 曉2，王大平1，2，3 (1廣州醫(yī)科高校，廣東省廣州市 510182；2深圳市其次人民醫(yī)院運動醫(yī)學科，廣東省深圳市 518035；3深圳市組織工程重點實驗室，廣東省深圳市 518035)引用本文：周勇，朱偉民，彭亮權(quán)，王大明，劉威，徐曉，王大平. 構(gòu)建組織工程軟骨支架材料：現(xiàn)狀及將來J.中國組織工程商量，2017，21(10):1604-1610.DOI:10.3969/j.i7.10.021 ORCID: 0000-0002-5214-5610(王大平)文章快速閱讀：組織工程軟骨中支架材

2、料的商量與進展臨床應(yīng)用的意義：通過模仿全層骨與軟骨結(jié)構(gòu)，來制備多層具有成骨和成軟骨的支架，其顯示出良好的物理性能及力學強度，以及原位骨與軟骨組織的相互作用，并且這種支架顯著增強細胞的黏附、增殖。由粗放到精細對軟骨結(jié)構(gòu)精確模擬，這也許是未來軟骨組織工程支架研究的一個方向。文章增加的新信息：將不同來源的材料按照不同比例進行復(fù)合，揚長避短，能構(gòu)成力學性能良好、高孔隙率、相容性好、降解性能佳的支架材料。但目前軟骨組織工程支架材料的研究仍存在一些問題亟待解決，例如人工材料的毒性，怎樣盡量微創(chuàng)的進行支架置入手術(shù)，怎樣有效解決支架材料降解速率過快，怎樣抑制細胞的過度生長等。此問題已知的信息：(1)組織工程支

3、架的作用是為種子細胞相互作用提供平臺；(2)充當細胞外基質(zhì)；(3)為新成立的組織提供結(jié)構(gòu)支撐。目前研究報道的組織工程支架材料大致可分為天然高分子材料、人工合成的支架材料、復(fù)合支架材料、納米支架材料等。支架材料來源種類繁多，制作工藝也不盡相同，目前為止尚未有學者研究出最理想的支架材料，總是存在一些不足。周勇，男，1988年生，江蘇省泰州市人，漢族，廣州醫(yī)科高校在讀碩士，主要從事運動醫(yī)學、骨與軟骨損傷修復(fù)商量。通訊作者：王大平，主任醫(yī)師，博士生導(dǎo)師，深圳市其次人民醫(yī)院運動醫(yī)學科，廣東省深圳市518035 中圖分類號:R318文獻標識碼:A文章編號:2095-4344(2017)10-01604-0

4、7稿件接受：2016-11-23Zhou Yong, Studying for masters degree, Guangzhou Medical University, Guangzhou 510182, Guangdong Province, China; Department of Sports Medicine, the Second Peoples Hospital of Shenzhen, Shenzhen 518035, Guangdong Province, China; Shenzhen Key Laboratory of Tissue Engineering, Shenzh

5、en 518035, Guangdong Province, ChinaCorresponding author: Wang Da-ping, Chief physician, Doctoral supervisor, Guangzhou Medical University, Guangzhou 510182, Guangdong Province, China; Department of Sports Medicine, the Second Peoples Hospital of Shenzhen, Shenzhen 518035, Guangdong Province, China;

6、 Shenzhen Key Laboratory of Tissue Engineering, Shenzhen 518035, Guangdong Province, China文題釋義：軟骨組織工程：主要分為3個方面：種子細胞、支架材料、細胞因子，其中支架材料扮演了重要角色。也有少數(shù)學者提出可不用支架材料，直接將細胞放置于軟骨缺損處，但尚未被大家認可。組織工程支架的作用是為種子細胞相互作用供應(yīng)平臺，充當細胞外基質(zhì)，并且為新成立的組織供應(yīng)結(jié)構(gòu)支撐。人工合成支架材料：是指應(yīng)用物理化學等方法合成的可替代細胞外基質(zhì)的高分子聚合物，主要優(yōu)點為材料來源不受限制，可依據(jù)需要對其化學、物理及生物學性能進行

7、調(diào)控。但人工合成材料的組織相容性較天然支架材料差。摘要背景：眾所周知，組織工程修復(fù)軟骨損傷有種子細胞、支架材料、細胞因子3個要素，支架材料在軟骨組織工程制備中發(fā)揮著重要作用。目的：檢索近十年來國內(nèi)外關(guān)于軟骨組織工程支架材料的相關(guān)文獻，并對其進行歸納總結(jié)，商量支架材料進展遇到的問題及進展方向。方法：由第一作者檢索2006至2016年P(guān)ubMed數(shù)據(jù)庫及CNKI數(shù)據(jù)庫文獻，英文檢索詞為“cartilage tissue engineering, natural scaffold materials，synthetic scaffold materials, composite scaffolds，

8、nanometer materials”，中文檢索詞為“軟骨組織工程，天然支架材料，人工合成支架材料，復(fù)合支架材料，納米支架”。結(jié)果與結(jié)論：軟骨組織工程支架材料來源與種類不一，天然材料、人工材料及納米材料有各自的優(yōu)點及缺點，任何單一的材料難以滿足臨床上對軟骨的要求，將不同來源的材料依據(jù)不同比例進行復(fù)合，揚長避短，能構(gòu)成力學性能良好、高孔隙率、相容性好、降解性能佳的支架材料。但目前仍存在支架材料降解過快、細胞過度生長等問題，目前相關(guān)商量大都樣本量較小，缺乏長期跟蹤隨訪，并且人體試驗相對較少。關(guān)鍵詞：生物材料；軟骨生物材料；天然高分子材料；人工合成材料；復(fù)合支架材料；納米材料主題詞：軟骨；組織支架

9、；組織工程基金資助：深圳市科技計劃項目()1611 / 8文檔可自由編輯打印Tissue-engineered cartilage scaffold materials: present and future Zhou Yong1, 2, 3, Zhu Wei-min2, 3, Peng Liang-quan2, 3, Wang Da-ming3, Liu Wei3, Xu Xiao2, Wang Da-ping1, 2, 3 (1Guangzhou Medical University, Guangzhou 510182, Guangdong Province, China; 2Depart

10、ment of Sports Medicine, the Second Peoples Hospital of Shenzhen, Shenzhen 518035, Guangdong Province, China; 3Shenzhen Key Laboratory of Tissue Engineering, Shenzhen 518035, Guangdong Province, China)AbstractBACKGROUND: As is known to all, cartilage tissue engineering has three elements, seed cells

11、, scaffold materials, and cytokines. Scaffold materials play an important role in cartilage tissue engineering.OBJECTIVE: To search and review the literatures about tissue-engineered cartilage scaffold materials in the last decade, and to discuss problems and the development direction of the scaffol

12、ds.METHODS: A computer-based search of relevant articles published from 2006 to 2016 was conducted in PubMed and CNKI using the key words of “cartilage tissue engineering, natural scaffold materials, synthetic scaffold materials, composite scaffolds, nanometer materials" in English and Chinese,

13、 respectively. RESULTS AND CONCLUSION: Scaffold materials in cartilage tissue engineering have different sources and kinds. Natural materials, synthetic materials and nanometer materials have their own advantages and disadvantages. Any single material is difficult to meet the clinical requirements o

14、f the cartilage. Material compounds with different proportions can be used to prepare scaffolds with good mechanical properties, high porosity, good compatibility and degradation. But there are still some problems, such as excessive speed of scaffold degradation and excessive cell growth. The curren

15、t research is in in vitro experimental stage mostly, and the application in clinic has not been enforced yet due to small size and lack of a long-term follow up. Subject headings: Cartilage; Tissue Scaffolds; Tissue EngineeringFunding: the Scientific Plan Project of Shenzhen CityCite this article: Z

16、hou Y, Zhu WM, Peng LQ, Wang DM, Liu W, Xu X, Wang DP. Tissue-engineered cartilage scaffold materials: present and future. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2017;21(10):1604-1610.0 引言 Introduction 隨著全民運動的普及，臨床上關(guān)節(jié)軟骨損傷越來越常見。中國每年有數(shù)百萬的人患病不同程度的軟骨損傷。由于軟骨自身特點，其修復(fù)能力較差。傳統(tǒng)的治療有微骨折手術(shù)、馬賽克手術(shù)，但效果不佳1?，F(xiàn)在，軟骨組織工程技術(shù)的消失為

17、軟骨修復(fù)供應(yīng)了新的治療選擇。軟骨組織工程主要分為3個方面2：種子細胞、支架材料、細胞因子，其中支架材料扮演了重要角色。也有少數(shù)學者提出可不用支架材料，直接將細胞放置于軟骨缺損處3，但尚未被大家認可。組織工程支架的作用是為種子細胞相互作用供應(yīng)平臺，充當細胞外基質(zhì)，并且為新成立的組織供應(yīng)結(jié)構(gòu)支撐。正由于如此，抱負的支架材料應(yīng)該具備以下特性：無免疫源性、無毒、生物相容性好、孔隙率高、可降解性、合適的降解速度和容易制造等4。目前商量報道的組織工程支架材料大致可分為天然高分子材料、人工合成的支架材料、復(fù)合支架材料、納米支架材料等5。支架材料來源種類繁多，制作工藝也不盡相同，目前為止尚未有學者商量出最抱負

18、的支架材料，總是存在一些不足。筆者通過閱讀近十年國內(nèi)外有關(guān)組織工程支架材料商量的文獻，對其進行歸納總結(jié)，旨在找出目前的商量趨勢及相關(guān)進展，并提出自己的一些觀點。1 資料和方法 Data and methods1.1 資料來源 由第一作者檢索2006至2016年P(guān)ubMed數(shù)據(jù)庫及CNKI數(shù)據(jù)庫文獻，英文檢索詞為“cartilage tissue engineering, natural scaffold materials，synthetic scaffold materials, composite scaffolds，nanometer materials”，中文檢索詞為“軟骨組織工程，天

19、然支架材料，人工合成支架材料，復(fù)合支架材料，納米支架”。1.2 資料篩選及評價納入標準：選擇內(nèi)容與軟骨缺損、支架材料、軟骨組織工程等相關(guān)的文章；發(fā)表在國內(nèi)外核心期刊上的文章；以近3年文章為主。排解標準：重復(fù)性商量。1.3 質(zhì)量評估 共檢索到文獻271篇，其中中文文獻28篇，英文文獻243篇，排解與商量目的相關(guān)性差及內(nèi)容陳舊重復(fù)的文獻，最終納入42篇。2 結(jié)果 Results 2.1 天然高分子材料 目前很多天然高分子已被用于軟骨修復(fù)。其中一些材料，如膠原、透明質(zhì)酸及纖維蛋白等已用于臨床。現(xiàn)用于軟骨損傷修復(fù)商量的天然高分子材料有膠原、右旋糖苷、藻酸鹽、殼聚糖、血纖蛋白、硫酸軟骨素等。大多數(shù)天然高

20、分子材料具有良好的生物相容性、可降解性和易溶解等優(yōu)點。但天然材料也有力學強度差、免疫原性及潛在的傳遞動物病原體風險等不足。膠原蛋白在哺乳動物組織中來源豐富，是一個有吸引力的材料，可分為、和型膠原。膠原蛋白是一種生物蛋白，甘氨酸和氨基酸含量較高。膠原蛋白易降解，免疫原性低且易與細胞結(jié)合。這些軟骨組織工程的特性使其成為一個有價值的材料6。型膠原是軟骨組織的主要成分，其降解產(chǎn)物可完全被機體吸取，并有保護細胞的作用。黃彰等7通過軟骨細胞與型膠原復(fù)合，經(jīng)過管帽結(jié)構(gòu)構(gòu)建成細胞-支架復(fù)合體，植入有直徑4 mm軟骨缺損兔的膝關(guān)節(jié)內(nèi)，12周后可見組織工程軟骨與周圍正常軟骨高度、顏色和質(zhì)地均相近，表面光滑，掩蓋整

21、個缺損區(qū)，與正常軟骨間界限幾不行辨。然而基于膠原的水凝膠也面臨降解速率過快的問題，這會導(dǎo)致凝膠的力學性能不穩(wěn)定8。透明質(zhì)酸作為一種天然高分子聚合物，擁有良好的耐磨性及抗壓縮性能，被廣泛用于組織工程。其主要分布在人體關(guān)節(jié)部位，通常透明質(zhì)酸被制成一種可注射水凝膠來填補缺陷或退化區(qū)域的軟骨組織9。透明質(zhì)酸凝膠較弱的機械性能、較高的膨脹性能、光滑表面結(jié)構(gòu)及不抗酶解等也制約了其在組織工程學上的應(yīng)用。因此，為提高其作為組織工程支架的可能性，需進行必要的化學改性來彌補其缺陷，選擇其他生物材料與之復(fù)合是一種較好的方法10。Jaipaew等9構(gòu)建不同比例的蠶絲/透明質(zhì)酸復(fù)合水凝膠，并與人臍帶間充質(zhì)干細胞共培育，

22、通過檢測細胞活性、組織化學、免疫活性及對支架進行電鏡掃描與力學測試等，檢測Cola、Agg及Sox9的表達量，得出蠶絲/透明質(zhì)酸復(fù)合支架在軟骨組織工程及骨科手術(shù)中是很有意義的。殼聚糖已被廣泛應(yīng)用于多種組織工程商量，其結(jié)構(gòu)與天然黏多糖相像，是一種帶有正電荷的生物可降解氨基多糖11。殼聚糖表面是親水性的，因此它能夠促進種子細胞的黏附、增殖和分化，病理性炎癥反應(yīng)率和誘發(fā)感染及內(nèi)毒素率低，同時抗菌能力好，使其成為最重要的生物材料之一6。由于其與黏多糖結(jié)構(gòu)相像，殼聚糖已被廣泛用于支架的制作。楊萌等12將滑膜間充質(zhì)干細胞與殼聚糖支架材料復(fù)合，于SD大鼠體內(nèi)共培育，8周后細胞向材料中心生長，幾乎布滿整個支架

23、材料且型膠原呈陽性表達。Rami等13商量證實，殼聚糖濃度、乙酰化程度及凝膠化過程都對最后形成的凝膠理化性能、機械性能有至關(guān)重要的影響。由高度乙?；臍ぞ厶侵苽涞哪z是軟的，力學性能差；而由低程度乙?；臍ぞ厶侵苽涞哪z擁有更好的彈性、細胞黏附及在恢復(fù)組織新生血管方面更好。藻酸鹽已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè)，最常見的應(yīng)用是細胞的包裝及藥物的控釋14。藻酸鹽易成膠、低毒性且易于獲得，這是其被廣泛應(yīng)用的緣由。藻酸鹽水凝膠可在缺乏有機溶劑的情況下，通過低溫交聯(lián)的方法制成不同外形的水凝膠。一些商量顯示，將藻酸鹽與軟骨細胞共培育并注射于商量區(qū)域，4周后軟骨細胞存活良好，并且產(chǎn)生與軟骨相全都的細胞外基質(zhì)蛋白。G

24、onzalez- Fernandez等15商量證實，海藻酸鈉水凝膠可封裝表面生長因子轉(zhuǎn)化生長因子3和骨形態(tài)發(fā)生蛋白2，在封裝的水凝膠內(nèi)，轉(zhuǎn)化生長因子3和骨形態(tài)發(fā)生蛋白2成功轉(zhuǎn)染了骨髓間充質(zhì)干細胞，并通過對型膠原及硫酸糖胺聚糖的檢測證實骨髓間充質(zhì)干細胞向軟骨細胞分化。因天然高分子材料具有良好的生物相容性及可降解性而被廣泛應(yīng)用于軟骨組織工程商量中。但是，單一或幾種高分子材料復(fù)合制成的支架材料往往有力學性能差和降解速率不行控的不足。人體關(guān)節(jié)軟骨在活動時會受到各個方向的壓力及剪切力，并且軟骨修復(fù)也許需要3-6個月，在這個過程中如果支架材料一旦發(fā)生坍塌或降解，將明顯影響軟骨修復(fù)效果。天然高分子材料往往有

25、不同的異構(gòu)體，不同異構(gòu)體之間的性能也不盡相同，制備過程中需對材料有足夠的生疏。2.2 人工合成材料 人工合成支架材料是指應(yīng)用物理化學等方法合成的可替代細胞外基質(zhì)的高分子聚合物，主要優(yōu)點為材料來源不受限制，可依據(jù)需要對其化學、物理及生物學性能進行調(diào)控。但人工合成材料的組織相容性較天然支架材料差。人工合成材料主要分為無機材料和有機材料。常用于軟骨組織工程商量的人工合成材料有聚己酸內(nèi)酯、聚羥基乙酸、聚乳酸(PLA)、聚乳酸-聚羥基乙酸共聚及聚乙烯醇等。聚己酸內(nèi)酯是由己酸內(nèi)酯的均聚物和共聚物通過開環(huán)、加聚得到的半結(jié)晶性的線性聚合物，其特點是低降解率、高孔隙率并可調(diào)、無毒性及親水性較低。Vikingss

26、on等16將聚己酸內(nèi)酯支架與軟骨下骨錨定系統(tǒng)復(fù)合植入山羊膝關(guān)節(jié)軟骨缺損處，并與單純的微骨折術(shù)對比。4.5個月后，75%的缺損都完全或大部分完全修復(fù)，并且聚己酸內(nèi)酯支架復(fù)合軟骨下骨錨定系統(tǒng)對組織的修復(fù)效果好于微骨折術(shù)，同時避開了行微骨折手術(shù)的必要。聚乳酸是一種可降解的被廣泛商量的人工合成材料。聚乳酸以3種形式存在于大自然中，分別是左旋聚乳酸、右旋聚乳酸及外消旋混合物。Cohen等17制作聚羥基乙酸-聚乳酸支架并于內(nèi)部填塞藻酸鹽，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生的蛋白多糖及型膠原的表達遠遠大于型膠原。薄冬營等18以左旋聚乳酸為原材料，與1，4-二氧六環(huán)/水均勻混合，制備了具有分級多孔結(jié)構(gòu)的組織工程支架，后又與細胞復(fù)合，

27、通過掃描電鏡檢測可明顯看到細胞黏附在支架微孔上，并且伸入大孔內(nèi)部。Nava等19通過溶劑澆鑄-顆粒浸泡的方式制備聚乳酸-三亞甲基碳酸酯復(fù)合支架材料，嚴格掌握支架孔徑大小及孔隙率。他分別制備3種不同孔徑及孔隙率的支架材料，第1種孔徑大小50-100 m，平均75 m；第2種孔徑100-150 m，平均125 m；第3種孔徑在150-200 m，平均175 m。將3種不同的支架材料分別與牛的軟骨細胞復(fù)合培育 14 d，通過組織切片、PCR、western-blot及掃描電鏡觀察得出，在第1組中總DNA含量最高，糖胺聚糖蛋白含量最高，而在第3組中發(fā)現(xiàn)膠原含量最高。他還發(fā)現(xiàn)孔徑大小與細胞密度呈正相關(guān)，

28、與細胞代謝活性及細胞外基質(zhì)的合成呈負相關(guān)。他還建議在開頭復(fù)合培育時，盡量選擇圓形、較小孔徑的支架材料。聚乳酸-聚羥基乙酸共聚為聚羥基乙酸與聚乳酸依據(jù)肯定比例混合形成的共聚物，是一類典型的可完全生物降解合成材料。因其具有優(yōu)良的生物相容性和可降解性，獲得FDA批準應(yīng)用于臨床商量。然而，聚乳酸-聚羥基乙酸共聚的降解產(chǎn)物呈現(xiàn)弱酸性，有可能導(dǎo)致急性或者慢性的炎癥反應(yīng)6。Morille等1構(gòu)建聚乳酸-聚羥基乙酸共聚微球，緩慢釋放轉(zhuǎn)化生長因子3，并與人間充質(zhì)干細胞復(fù)合，在骨關(guān)節(jié)炎模型中測試軟骨再生情況。得出這種模式可有效在關(guān)節(jié)炎環(huán)境中原位再生軟骨，并且這種攜帶轉(zhuǎn)化生長因子3的微球可讓人間充質(zhì)干細胞存活30

29、d，而這可保護軟骨而足以讓它再生。Pan等20分別制造擁有相同或不同孔隙率的聚乳酸-聚羥基乙酸共聚支架，并且首次比較不同孔隙率支架材料對體內(nèi)骨軟骨缺陷的修復(fù)效果。將支架和骨髓間充質(zhì)干細胞復(fù)合體植入到新西蘭白兔股骨髁軟骨缺損處，12周后，宏觀外觀、斷面圖、蘇木精和曙紅染色、甲苯胺藍染色、免疫組織化學染色和特性的基因的實時聚合酶鏈式反應(yīng)結(jié)果顯示，全部實驗組均表現(xiàn)出良好的軟骨修復(fù)效果，在骨層中77%孔隙率和軟骨層中92%孔隙率的支架材料修復(fù)效果最佳，這是由于該種支架材料最大程度地仿照了天然軟骨和軟骨下骨的生物力學。商量舉例說明軟骨組織工程雖然允許支架有廣泛的孔隙率，然而其中有一些孔隙組是最佳的。它也

30、表明，在實際的生物材料設(shè)計中，應(yīng)考慮到與自然組織生物力學的匹配，這是說明孔隙率對支架材料來說特別重要。聚乙烯醇本質(zhì)上是由聚醋酸乙烯酯水解得到的，在水中呈現(xiàn)可溶性晶體結(jié)構(gòu)。聚乙烯醇的使用可追溯到上個世紀，在工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)學及食品德業(yè)，聚乙烯醇都作為一種終端產(chǎn)品，如油漆、樹脂和食品的外包裝。通常聚乙烯醇與其他一些高分子聚合物混合，如天然聚合物及具有親水性的聚合物21。聚乙烯醇是一種力學性能好、降解快、無毒及親水性好的高分子聚合物，并且已獲得FDA批準可用于醫(yī)療、食品德業(yè)22。Vikingsson等23將聚己酸內(nèi)酯支架浸泡在聚乙烯醇溶液里，冷凍-融化6個周期，制作成水凝膠-支架復(fù)合體，并測量它的理化

31、及生物學性能。得出復(fù)合支架的力學性能良好，10 000周期的壓縮實驗后無明顯形態(tài)學變化。聚乙烯醇供應(yīng)了適合細胞生長的環(huán)境。這一商量表明支架能夠維持負載，并且當軟骨細胞長入支架內(nèi)，也不轉(zhuǎn)變其力學性能。Sheykhhasan等24通過制備不同來源的支架材料，如纖維蛋白支架、聚乳酸-聚羥基乙酸共聚支架及海藻酸鹽支架，來評估天然支架材料與人工支架材料在充當細胞外基質(zhì)方面有什么不同。將人脂肪間充質(zhì)干細胞分別復(fù)合支架共培育2周，從細胞增殖、分化及細胞形態(tài)學，以及檢測細胞向軟骨分化的基因這幾個方面來評估支架的性能。結(jié)果顯示，纖維蛋白支架材料組細胞分布均勻，能夠高表達軟骨形成基因。依據(jù)此商量結(jié)果，Sheykh

32、hasan認為天然高分子支架材料可供應(yīng)合適的環(huán)境來促進干細胞向軟骨細胞分化。人工合成材料具有天然材料所不具備的優(yōu)勢，如力學強度好、降解速率可控等，但其也有生物相容性差、降解產(chǎn)物易引起炎癥反應(yīng)等諸多缺點。目前商量者往往是通過物理或化學改性，或是降低其比重來減輕其降解產(chǎn)物對機體的刺激。筆者通過閱讀文獻發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)商量者是通過尋找不同材料之間的組合，或者是商量不同材料的比例，往往忽視了材料本身的作用，是為種子細胞供應(yīng)黏附、增殖及分化的場所，充當細胞外基質(zhì)。支架材料孔徑大小對細胞的影響也是相當大的，但目前較少學者商量。2.3 復(fù)合材料 抱負的、符合現(xiàn)代臨床應(yīng)用的支架材料應(yīng)符合如上文所說的幾個條件。目前

33、尚無一種材料能同時具備以上條件，一種成分構(gòu)成的支架材料很難符合軟骨組織工程及臨床上對支架材料的要求。為解決單一的原材料的不足，現(xiàn)在往往將多種材料按不同的比例進行混合，相互彌補不足，盡可能滿足臨床及組織工程的要求25。如生物玻璃-殼聚糖-聚己酸內(nèi)酯復(fù)合支架、殼聚糖-明膠/聚乳酸-聚羥基乙酸共聚復(fù)合支架、殼聚糖-聚磷酸鈣復(fù)合支架、磷酸三鈣-明膠復(fù)合支架等。付維力等26制作不同配比的殼聚糖-聚磷酸鈣復(fù)合支架，并與新西蘭大白兔第3代半月板細胞復(fù)合，通過體內(nèi)實驗、體外實驗及MTT法得出，殼聚糖/聚磷酸鈣三維多孔支架材料無毒性，具有良好的生物降解性及細胞相容性，并且有助于半月板細胞的生長。Arahira等

34、27制作磷酸三鈣-明膠復(fù)合支架并與兔骨髓間充質(zhì)干細胞復(fù)合，得出膠原與磷酸三鈣復(fù)合提高了支架的孔隙率，并且單純磷酸三鈣支架浸泡在培育基里容易造成多孔結(jié)構(gòu)的坍塌。復(fù)合支架比單純的磷酸三鈣支架更能作為成骨細胞的標記物。復(fù)合支架的抗壓模量、力學強度及吸取能量受到細胞增殖及細胞外基質(zhì)形成的影響。Fengxuan等28制備了殼聚糖-明膠/聚乳酸-聚羥基乙酸共聚水凝膠-支架圓錐形復(fù)合體，殼聚糖-明膠水凝膠裝載轉(zhuǎn)化生長因子1，聚乳酸-聚羥基乙酸共聚支架材料裝載有骨形態(tài)發(fā)生蛋白2。體外細胞實驗提示，復(fù)合支架可促進骨髓間充質(zhì)干細胞向軟骨細胞和成骨細胞分化；體內(nèi)實驗提示，殼聚糖-明膠/聚乳酸-聚羥基乙酸共聚分級支架

35、多相組合物和空間雙重生長因子遞送有助于軟骨-骨界面組織缺損的修復(fù)。Tao等29通過結(jié)合熱致相分離技術(shù)和淋鹽技術(shù)將聚乳酸及脫乙酰殼聚糖構(gòu)成擁有不同孔徑的復(fù)合支架，該支架孔隙率94%，并擁有微孔及大孔，與聚乳酸單一材料組成的支架相比，前者在力學性能及蛋白吸附能力上有明顯改善。體外實驗也提示該復(fù)合支架支持細胞的增殖和滲透。Song等30利用組織工程技術(shù)將豬松質(zhì)骨和脫乙酰殼聚糖-明膠凝膠支架復(fù)合，豬松質(zhì)骨和凝膠支架分別模擬骨和軟骨。隨后與脂肪來源的干細胞復(fù)合培育，并且檢測支架材料的孔隙率、降解率及溶脹率，以及進行紅外光譜及掃描電鏡掃描，通過死/活染色鑒定細胞活性及增殖。結(jié)果得出，這種雙層結(jié)構(gòu)的復(fù)合支架

36、材料比單純一種材料制備的支架更適合細胞的黏附、增殖。Levingstone等31制備了一種多層結(jié)構(gòu)的支架材料，這種材料最下面一層骨層，是由型膠原、膠原蛋白基質(zhì)與羥基磷灰石混合冷凍干燥而成；中間層是由型膠原與透明質(zhì)酸鈉混合，反復(fù)冷凍干燥而成；最上面是軟骨層，由型膠原、型膠原和透明質(zhì)酸鈉通過冷凍干燥而成。制作山羊動物模型，在山羊橫向滑車脊和內(nèi)側(cè)股骨髁造缺損區(qū)，缺損深度達軟骨下骨。實驗分為3組：空白組、多層支架組及人工合成支架材料組。植入后2周、3個月、6個月及12個月，制成膝關(guān)節(jié)標本，通過大致外觀、CT及組織切片等來評價軟骨及骨修復(fù)效果，在多層支架組可見結(jié)構(gòu)良好的軟骨下骨小梁和透明狀軟骨組織形成。

37、Wang等32制備了不同比例的膠原蛋白-蠶絲蛋白復(fù)合支架材料，通過評估支架材料的孔隙率、吸水率及細胞增殖等，確定了支架材料的最佳比例為膠原蛋白：蠶絲蛋白等于73。再用雙乳化溶劑揮發(fā)法將轉(zhuǎn)化生長因子1封裝于聚乳酸-聚羥基乙酸共聚溶液中，洗滌、冷凍干燥成聚乳酸-聚羥基乙酸共聚微球。將復(fù)合支架材料及聚乳酸-聚羥基乙酸共聚微球植入兔膝關(guān)節(jié)軟骨缺損處，12周后，取兔膝關(guān)節(jié)標本做組織切片染色。結(jié)果顯示，兔膝關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)良好，從組織學及細胞學可看出缺損處填滿軟骨，與周圍組織界限不明顯。對比顯示，承載含有轉(zhuǎn)化生長因子1的聚乳酸-聚羥基乙酸共聚微球的復(fù)合支架組修復(fù)效果更佳。Liao等33制備了一種多材料復(fù)合而成

38、的新型支架材料，它是由甲基丙烯酸化硫酸軟骨素、聚(乙二醇)甲基醚-己內(nèi)酯丙烯酰氯及石墨烯氧化物多種材料復(fù)合而成。通過檢測復(fù)合支架材料的孔徑、孔隙率、溶脹能力、壓縮模量、電導(dǎo)率及體外細胞增殖實驗，得到最佳比例的支架。動物實驗行新西蘭大白兔全層軟骨移植，分別于術(shù)后6，12，18周取兔關(guān)節(jié)制作標本，并行CT及組織學切片染色。結(jié)果表明，實驗組軟骨細胞形態(tài)、分布最好且形成連續(xù)的軟骨下骨，厚度適宜。實驗表明，該復(fù)合多孔支架材料在軟骨組織工程應(yīng)用中潛力巨大，可應(yīng)用于其他組織工程商量。目前最常見的復(fù)合支架通常是由天然材料和人工材料復(fù)合而成，人工材料在力學性能及降解速率可控性上有明顯優(yōu)勢，但在生物相容性、細胞毒

39、性等方面還有不足之處?，F(xiàn)有學者提出不同孔徑及孔隙率對細胞的黏附及增殖有較明顯影響19。將兩者依據(jù)肯定比例混合，取長補短，可制備不同孔徑、孔隙率及匹配組織降解速率的復(fù)合材料。還有一些商量者仿照軟骨的層次，制備多層支架填于缺損處。這也是目前商量的方向。2.4 納米材料 納米材料是指三維中有一維或多維處于納米級尺度，具有優(yōu)良組織相容性、機械性能的一種材料。納米支架材料與天然細胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)最為相像，具有優(yōu)良的組織相容性及機械性能，在組織工程化支架結(jié)構(gòu)的商量及運用中得到了重視34-35，其目前主要的制備方法有靜電紡絲、自組裝技術(shù)和相分離技術(shù)等。Kon等36構(gòu)建骨軟骨納米仿生支架，它是一種多孔三維3層結(jié)

40、構(gòu)的復(fù)合支架，分為軟骨層、中間層及骨層，并進行了體內(nèi)試驗。包括1例多發(fā)軟骨損傷合并前交叉韌帶損傷患者的病例報道，并且支架未復(fù)合種子細胞應(yīng)用于羊和馬的體內(nèi)37-38，結(jié)果顯示缺損部位骨和軟骨有良好的修復(fù)和再生，患者手術(shù)后半年MRI顯示移植部位信號跟正常軟骨信號類似，術(shù)后1年隨訪提示患者關(guān)節(jié)無明顯幸福，活動無明顯受限。Kon等39-40對30例關(guān)節(jié)軟骨缺損患者行上述納米支架移植，并對其中29例跟蹤隨訪，行IKDC及Tegner評分；其中的24例行MRI檢查并行MOCART評分。IKDC主、客觀評分均顯示出良好的臨床效果；MRI結(jié)果顯示，70%的軟骨缺損都能夠完全填充，但軟骨下骨及骨質(zhì)層只有7%和4

41、7%的填充。這一商量表明骨軟骨納米仿生支架在促使骨和軟骨修復(fù)具有顯著意義。 Xue等41制備聚乳酸-聚羥基乙酸共聚支架及聚乳酸-聚羥基乙酸共聚-納米羥基磷灰石復(fù)合支架，體外實驗提示，細胞在納米支架材料上的活力及增殖明顯優(yōu)于單純聚乳酸-聚羥基乙酸共聚支架。體內(nèi)實驗選取大鼠模型，將兩種支架材料置入膝關(guān)節(jié)軟骨缺損處，12周后行組織學檢查，納米支架組軟骨缺損處填充了大量黏多糖及型膠原，證實這種新型納米支架材料可能在臨床上應(yīng)用于軟骨修復(fù)。為了仿照軟骨的天然納米結(jié)構(gòu)，Bhardwaj等42引入一種新的支架，叫做XanoMatrix，這種支架材料來源于非生物的細胞基質(zhì)。將其與聚對苯二甲酸乙酯和醋酸纖維素混合

42、，這種支架材料擁有良好的機械性能及與細胞外基質(zhì)類似的納米結(jié)構(gòu)。XanoMatrix支架材料供應(yīng)軟骨細胞生長和增殖抱負的表面結(jié)構(gòu)。商量證實，這種支架材料擁有較大的細胞疏水性、立體表面結(jié)構(gòu)及足夠的抗張強度。這些特性使得這種新型納米支架材料成為治療軟骨缺損的抱負材料。納米支架材料負載有羥基磷灰石、磷酸鈣等，可掌握細胞的黏附、增殖及調(diào)節(jié)細胞外基質(zhì)的形成。納米材料也可掌握支架的降解，以促進組織再生。納米材料也存在兩個問題亟需解決，第一，缺少臨床轉(zhuǎn)化，為了削減手術(shù)創(chuàng)傷，納米支架材料需要從很小的創(chuàng)口遞送至創(chuàng)面，目前尚無良好的方法去實現(xiàn)；其次，納米材料另一個挑戰(zhàn)時缺乏短期及長期毒性評價，特別是新開發(fā)的納米材料

43、?？偟膩碚f，納米支架材料已經(jīng)成為軟骨組織工程的重要組成部分，但必須進行進一步的商量以評價其臨床可用性。3 商量 Discussion 軟骨組織工程進展迅速，其原理是將種子細胞在體外進行培育、擴增，并黏附到性能好的支架材料上，再將細胞-支架復(fù)合體移植至軟骨缺損處，隨著支架材料的降解，種子細胞形成具有類似軟骨功能的組織，達到修復(fù)軟骨的作用。目前而言，復(fù)合支架材料具有不同原材料的優(yōu)點，可依據(jù)需要對不同材料進行組合、搭配，構(gòu)成力學性能良好、孔隙率高、相容性好、降解性能佳的支架材料，這也許是將來支架材料商量的方向之一。但目前軟骨組織工程支架材料的商量仍存在一些問題亟待解決，例如人工材料的毒性，怎樣盡量微

44、創(chuàng)的進行支架置入手術(shù)，怎樣有效解決支架材料降解速率過快，怎樣抑制細胞的過度生長等。目前相關(guān)商量樣本量較小，缺乏長期跟蹤隨訪，并且人體試驗相對較少。以往商量的熱點是尋找新型材料及不同材料的混合，尋找高孔隙率及大孔徑的材料，往往忽視了材料比例及制作工藝對材料本身理化性能的影響，忽視了高孔隙率及大孔徑對細胞黏附與增殖的影響19。納米支架因其與細胞外基質(zhì)相似，在軟骨組織工程中占據(jù)重要地位，當然也存在不足之處：支架孔徑過小，不利于種子細胞長入；表面活性強，容易團聚成塊等。因此，納米材料需要與其他材料復(fù)合，以取長補短。此外，有一些商量者通過仿照全層骨與軟骨結(jié)構(gòu)，來制備多層具有成骨和成軟骨的支架，其顯示出良

45、好的物理性能及力學強度，以及原位骨與軟骨組織的相互作用，并且這種支架顯著增強細胞的黏附、增殖。由粗放到精細對軟骨結(jié)構(gòu)精確模擬，這也許是將來軟骨組織工程支架商量的一個方向。 作者貢獻：第一作者構(gòu)思并設(shè)計本綜述，第一作者對文章負責。通訊作者審校。利益沖突：全部作者共同認可文章無相關(guān)利益沖突。倫理問題：文章的撰寫與編輯修改后文章遵守了系統(tǒng)綜述和薈萃分析報告規(guī)范(PRISMA指南)。文章查重：文章出版前已經(jīng)過CNKI反剽竊文獻檢測系統(tǒng)進行3次查重。文章外審：文章經(jīng)國內(nèi)小同行外審專家雙盲外審，符合本刊發(fā)稿宗旨。作者聲明：文章第一作者對商量和撰寫的論文中消失的不端行為擔當責任。論文中涉及的原始圖片、數(shù)據(jù)(

46、包括計算機數(shù)據(jù)庫)記錄及樣本已依據(jù)有關(guān)規(guī)定保存、共享和銷毀，可接受核查。文章版權(quán)：文章出版前雜志已與全體作者授權(quán)人簽署了版權(quán)相關(guān)協(xié)議。開放獵取聲明：這是一篇開放獵取文章，文章出版前雜志已與全體作者授權(quán)人簽署了版權(quán)相關(guān)協(xié)議。依據(jù)知識共享許可協(xié)議“署名-非商業(yè)性使用-相同方式共享3.0”條款，在合理引用的情況下，允許他人以非商業(yè)性目的基于原文內(nèi)容編輯、調(diào)整和擴展，同時允許任何用戶閱讀、下載、拷貝、傳遞、打印、檢索、超級鏈接該文獻，并為之建立索引，用作軟件的輸入數(shù)據(jù)或其它任何合法用途。4 參考文獻 References 1 Morille M,Toupet K,Montero-Menei CN,et

47、 al.PLGA-based microcarriers induce mesenchymal stem cell chondrogenesis and stimulate cartilage repair in osteoarthritis.Biomaterials. 2016;88:60-69.2 Liu C,Xia Z,Czernuszka JT.Design and Development of Three-Dimensional Scaffolds for Tissue Engineering.Chem Eng Res Des.2007;85(7):1051-1064.3 Yasui

48、 Y,Ando W,Shimomura K,et al.Scaffold-free, stem cell-based cartilage repair.J Clin Orthop Trauma.2016;7(3): 157-163.4 Bian W,Lian Q,Li D,et al.Morphological characteristics of cartilage-bone transitional structures in the human knee joint and CAD design of an osteochondral scaffold.Biomed Eng Online

49、.2016;15(1):82.5 Kosuge D,Khan WS,Haddad B,et al.Biomaterials and scaffolds in bone and musculoskeletal engineering.Curr Stem Cell Res Ther.2013;8(3):185-191.6 Liao J,Shi K,Ding Q,et al.Recent developments in scaffold-guided cartilage tissue regeneration.J Biomed Nanotechnol.2014;10(10):3085-3104.7

50、黃彰,王雙利,潘政軍,等.軟骨PLGA-型膠原支架復(fù)合體修復(fù)兔膝關(guān)節(jié)骨軟骨損傷J.臨床骨科雜志,2016,19(1):101-106.8 Li Y,Meng H,Liu Y,et al.Fibrin gel as an injectable biodegradable scaffold and cell carrier for tissue engineering.ScientificWorldJournal.2015,2015:685690.9 Jaipaew J,Wangkulangkul P,Meesane J,et al.Mimicked cartilage scaffolds of

51、silk fibroin/hyaluronic acid with stem cells for osteoarthritis surgery: Morphological, mechanical, and physical clues.Mater Sci Eng C Mater Biol Appl.2016;64: 173-182.10 Chen YH,Li J,Hao YB,et al.Preparation and characterization of composite hydrogels based on crosslinked hyaluronic acid and sodium

52、 alginate.J ApplPolym Sci. 2015;132(19):41898.11 Yao Q,Nooeaid P,Detsch R,et al.Bioglass(R)/chitosan- polycaprolactone bilayered composite scaffolds intended for osteochondral tissue engineering.J Biomed Mater Res A.2014; 102(12):4510-4518.12 楊萌,邵博,龔忠誠,等.三維環(huán)境下軟骨細胞誘導(dǎo)滑膜間充質(zhì)干細胞向軟骨樣細胞的分化J.中國組織工程商量, 2016,

53、20(11): 1544-1550.13 Rami L,Malaise S,Delmond S,et al.Physicochemical modulation of chitosan-based hydrogels induces different biological responses: interest for tissue engineering. J Biomed Mater Res A.2014;102(10):3666-3676.14 Gibbs DM,Black CR,Dawson JI,et al.A review of hydrogel use in fracture

54、healing and bone regeneration.J Tissue Eng Regen Med.2016;10(3):187-198.15 Gonzalez-Fernandez T,Tierney EG,Cunniffe GM,et al.Gene Delivery of TGF-beta3 and BMP2 in an MSC-Laden Alginate Hydrogel for Articular Cartilage and Endochondral Bone Tissue Engineering.Tissue Eng Part A.2016;22(9-10): 776-787

55、.16 Vikingsson L,Sancho-Tello M,Ruiz-Sauri A,et al.Implantation of a polycaprolactone scaffold with subchondral bone anchoring ameliorates nodules formation and other tissue alterations.Int J Artif Organs.2016;38(12):659-666.17 Cohen SB,Meirisch CM,Wilson HA,et al.The use of absorbable co-polymer pa

56、ds with alginate and cells for articular cartilage repair in rabbits.Biomaterials. 2003;24(15): 2653-2660.18 薄冬營,郭振招,李紅,等.分級多孔結(jié)構(gòu)聚乳酸支架的制備與性能商量J.功能材料, 2016,47(4):210-213.19 Nava MM,Draghi L,Giordano C,et al.The effect of scaffold pore size in cartilage tissue engineering.J Appl Biomater Funct Mater.20

57、16;14(3):e223-229.20 Pan Z,Duan P,Liu X,et al.Effect of porosities of bilayered orous scaffolds on spontaneous osteochondral repair in cartilage tissue engineering.Regen Biomater. 2015;2(1): 9-19.21 Gaaz T,Sulong A,Akhtar M,et al.Properties and Applications of Polyvinyl Alcohol, Halloysite Nanotubes

58、 and Their Nanocomposites.Molecules.2015;20(12):19884.22 Rodriguez-Vazquez M,Vega-Ruiz B,Ramos-Zuniga R,et al.Chitosan and Its Potential Use as a Scaffold for Tissue Engineering in Regenerative Medicine.BioMed Res Int. 2015;2015:821279.23 Vikingsson L,Gomez-Tejedor JA,Gallego Ferrer G,et al.An experimental fatigue study of a porous scaffold for the regeneration