仿生结构人工韧带的制造方法综述

史丰田 张 梅 王世红 徐炳坤 胡荣荣 董喜华

北京万洁天元医疗器械股份有限公司，北京 102600

前交叉韧带（ACL）损伤修复方法主要有自体韧带重建、同种异体韧带重建以及人工韧带重建。自体韧带存在供源不足、取材部位并发症、与骨隧道的愈合存在不确定性等问题[1-2]。同种异体韧带虽避免了供区并发症，但其需要冷链运输，质量难以保证，且存在疾病传播、免疫排斥、移植物长入延迟以及来源少等问题[3]。而人工韧带来源广、强度大、恢复快，无供区并发症及疾病传播风险，能很好地避免自体及异体移植物的不足之处。目前，已有多种高分子材料用于人工韧带的制作，并显示出良好的理化性能和生物学性能[4-6]，但与临床应用的要求相比仍存在较大差距，如易磨损、耐疲劳性差、易诱发骨隧道扩大等。因此，人们迫切希望得到具有天然韧带特征或类似特征的人工韧带产品[1]。

利用仿生学原理，模仿天然韧带的结构，尤其是模仿关节腔内胶原纤维的走行和韧带止点处的界面结构，将有利于韧带组织的再生，减少纤维间磨损，提高韧带的耐疲劳性能，促进人工韧带与宿主骨的整合，从而提高人工韧带产品的临床使用效果。

关于仿生结构人工韧带的材料选择[7]、细胞负载[8]、生物因子[9]、物理刺激[10]等方面的内容前人已经有了较为广泛且细致的综述，故本文主要关注ACL 仿生结构韧带的制备方法和实施步骤，希望可以启发新的制备思路，促进上述领域丰富的研究成果向产品转化。

1 前交叉韧带的解剖特点

前交叉韧带是位于膝关节关节腔内连接股骨与胫骨的一条韧带，起于股骨外髁侧面后部，斜行关节腔内，止于胫骨平台髁间嵴前部，与后交叉韧带及周围韧带共同稳定膝关节。

前交叉韧带由多个纤维束组成，直径250μm至数毫米不等，被一层结缔组织包绕。每个纤维束又由3 ～20 个亚纤维束组成，为腱鞘包绕，亚纤维束的直径为100 ～250μm，由一层疏松结缔组织包绕。亚纤维束由直径为1 ～20μm 胶原纤维组成。胶原纤维由直径为25 ～250nm 胶原原纤维组成。前交叉韧带内胶原原纤维沿纵轴呈波浪状、平行排列走行，使韧带纤维可适度拉长而不易断裂，具有控制张力和减震的作用。韧带表面纤维间有交叉走行的连接纤维，有利于增加韧带的延展性和强度，并提高对旋转应力的抵抗作用[11]。

ACL 韧带与骨的结合处为直接止点，其结构分为四部分，即韧带-非矿化纤维软骨-矿化纤维软骨-软骨下骨。这四部分的结构、组成和力学性能呈梯度变化，从韧带区域到骨区域，胶原纤维的排列由整齐取向变为无规分布，胶原含量降低、矿化物含量逐渐增加、拉伸强度降低、压缩强度和刚性增强[12-13]。

2 仿生结构人工韧带的制备

人工韧带具有原料来源不受限制、初始强度高、使用方便、可快速恢复活动能力等优点，随着人工韧带使用经验的日益积累[4，14]，众多研究者从仿生的角度出发，对人工韧带进行了广泛的结构优化，力图开发出修复效果更好的人工韧带。为此，已发展出以下几种方法。

2.1 传统编织法

人工韧带是以纤维和织物为基础的产品，其成型方法与纺织密切相关。无论是梭织，还是针织，本质是将纤维在经纬两个方向按一定规律排列，最终获得结构纵横交错的织物，以满足不同的使用目的。目前国际上应用于 ACL 重建的人工韧带产品，如NeoligamentsTM、LigasticTM、LARSTM（Ligament Advanced Reinforcement System）等[15]，均用传统编织方法制备。

其中，LARS 作为国内应用最多的人工韧带产品，是采用经编方法制造的典型代表。总结早期人工韧带的使用经验发现[16-17]，在关节屈伸过程中，纵向纤维（纬线）与横向纤维（经线）间的受力并不均匀，两者相互摩擦最终导致材料疲劳磨损。因此，LARS 在设计上采用三段式，中间的关节腔内部分直接去掉横向纤维，只剩纵向纤维（即自由纤维），并预扭90°，以最大程度模仿自然韧带的结构，两端的骨隧道部分则同时拥有纵向纤维和横向纤维，以增加固定时的牢固度。临床应用结果表明，术后早期（2 年内）和中期（2 ～10 年）临床疗效满意，患者不但能早期重返运动，而且关节稳定性恢复和功能评分方面也具有优势，甚至优于自体腘绳肌移植物[4]。可见，仿生结构设计对人工韧带的重要性。

LARS 的最大特色是关节腔段的自由纤维部分，但由于经编工艺的限制，尚无法像自然韧带那样，将纵向走行的自由纤维做成波浪状，并维持优异的拉伸性能，更无法在纵向走行的自由纤维之间添加适当的斜形连接纤维。

2.2 静电纺丝法

静电纺丝法是一种特殊的纤维制造工艺，其利用聚合物熔体或溶液在高静电压差的作用下，喷射延展成丝。该工艺所需装置简单、成本低廉、可纺物种类繁多、工艺可控，可有效制备纳米纤维，已广泛应用于过滤材料[18]、纳米颗粒负载[19]、生物医学[20]等领域。

吴惠英[21]将丝素蛋白（SF）溶于氯化钙（CaCl2）-甲酸（FA）体系，干燥成膜后再溶解于甲酸中，以保留SF 的原纤结构，此后进行静电纺丝，采用自制滚筒收集装置制备取向的纳米再生SF 纤维，所得纤维直径为（221±20）nm，1 倍牵伸后纤维的断裂应力和断裂伸长率分别达到了（18.6±3.8）MPa和（15.1±2.5）%。由于单一纤维为原料构建的人工韧带无法满足性能要求，因此以SF 长丝、天然SF纤维和静电纺丝SF 纳米纤维为原料，在立式锭子编织机上构建复合韧带，复合韧带的断裂强力可达（2581.7±23.7）N，满足人体ACL 的要求。

He 等[22]针对以往多相支架设计不能兼顾材料的梯度和结构的连续性的缺点，采用静电纺丝的方法制备了一种具有过渡结构的韧带支架。该方法使用可旋转铝柱作为接收电极，以聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）溶液在高速旋转的铝柱上往复纺织得到了沿圆柱圆周分布取向的一层纳米纤维织物，然后在铝柱上缠绕一层PLGA 微米纤维作为增强相，随后采用相同的方法在其上复合一层纳米纤维织物，获得了具有一定强度的高度取向的支架主体。然后铝柱静止，喷丝头沿圆柱轴向往复运动，利用静电纺丝的边缘分布效应制得了具有梯度分布效果的PLGA/HA/BMP-2 复合织物带，将织物带沿圆柱轴向剪开，经卷绕、缝合后获得具有梯度结构的韧带支架。动物实验结果表明，所得支架对移植物-骨界面的组织再生有显著的促进效果。采用静电纺丝制备多相韧带支架，充分发挥了静电纺丝织物在结构、组成上高度可调的优势。

2.3 三维编织法

三维编织（3D 编织）即不通过剪裁缝合可直接编织出立体结构的一种编织方法。通过设定参数，3D 编织机可以直接编织出具有特定纹样和形状的织物，已广泛用于制造生活用品和生物支架[23]。

有研究[24]报道了一例带有两个仿骨结构区域的人工韧带，用于改善韧带与骨道之间的愈合效果。该韧带采用PLGA 纤维以3D 编织的方法得到，先将不同数量的纤维合成一股，再利用3D 编织机对不同股数的纤维进行编织，并通过改变编织角度控制织物的孔隙和形貌，得到了具有不同结构的整体仿生韧带移植物。生物学评价试验表明其可调控的孔隙结构适于不同细胞的长入及不同组织的修复再生。采用3D 编织制备韧带移植物可以有效地控制织物的孔隙尺寸、孔隙率、机械性能以及外观形貌，以适应不同类型细胞长入的需要和不同组织部位对织物力学性能的要求。

2.4 低温烧结法

低温烧结指高分子材料在玻璃化转变温度以上，熔融/分解温度以下，通过长时间加热使高分子材料粘合到一起的方法。低温加热粘合能有效减少高热对材料本身结构的破坏，尽可能的保留原材料性能，保持构建单元基本形状，控制堆叠孔隙的大小，非常适用于构建多孔材料[25]。而多孔结构的存在，对改善移植物-骨愈合效果至关重要。

Jeffrey 等[26]分析了韧带重建过程中韧带止点结构再生的重要性，仿照其结构制作了三相结构支架，并在其上进行多种细胞共同培养，观察各类细胞的行为。该工作分别以PLGA 的织物作为韧带相，PLGA 的微球进行烧结后作为界面相，PLGA/45S5生物玻璃混合物烧结后作为骨相，用以模仿天然韧带止点的分层结构。得到的支架材料分别负载成纤维细胞、软骨细胞和成骨细胞，经在裸鼠体内培养，可以得到类似天然韧带止点的细胞分布特征，验证了该方法用于恢复韧带止点结构的有效性。但是该方法的效率不高，且制备的具有仿生结构的界面支架无法单独使用，需与其他人工韧带结合才能使用。

2.5 模型浇注法

模型浇注通过将原料溶液或熔体等流动相浇注到事先制备好的模型中，固化后成型为预期形状的一种方法。是传统生产中常见的成型方法，在各类材料加工都有广泛的应用，具有方法简便、适用性强等特点。随着3D 打印技术的兴起，模型制造更加容易，大大降低了模型浇注的成本和难度。

张文友等[27]使用模型浇注的方法制备了具有仿生结构且具有较高强度的人工韧带支架：首先设计制作了韧带支架仿骨区域的外模，通过羟基磷灰石（HA）/聚合物混合溶液注模、高温干燥定型后高温烧结得到了多孔仿骨结构，在其中穿入蚕丝纤维作为支架的韧带部分，使韧带牢固的固定在HA 块上，再次使用模具浇注的方法在韧带支架和骨支架的界面处浇注不同浓度梯度的HA/PLGA 混合物以形成类软骨过渡层，然后进行冻干，得到了成分、孔隙梯度变化的人工韧带支架。该方法简单巧妙地实现了对韧带区和骨止点区各层结构的模仿，整个支架具有较高的强度，可使韧带重建具有较好的初期效果。

3 总结与展望

仿生是人们对人工韧带进行结构优化的重要思路，现有研究成果也能佐证这一路线的正确性，但从目前所使用的制备方法来看，无论是传统的纺织方法，还是与3D 打印结合的模型浇注方法，所得到的人工韧带在结构上，仍与自然韧带有明显不同。表现在关节腔内为纵向纤维延展性低，且无横向连接纤维以致结构松散；表现在骨隧道内，则是难以模仿韧带-骨止点结合处的连续梯度结构。因此，开发更有效的制备方法，结合创新性的产品设计，缩小人工韧带与自然韧带这种结构上的差距，实现两者整体上尽可能的相似，并实现结构与性能的统一，是未来人们追求的首要目标，当然也是非常具有挑战性的课题。