人工合成聚氨酯材料支架用于半月板移植研究进展

丁国成 龚熹 孙牧旸 赵逢源 胡晓青 敖英芳

北京大学第三医院运动医学科，北京大学运动医学研究所，运动医学关节伤病北京市重点实验室（北京100191）

半月板损伤是膝关节最常见的损伤之一[1]。半月板是膝关节腔内的重要结构，具有传导分散载荷、吸收震荡、匹配股骨与胫骨的接触面形态、润滑关节、协助维持膝关节稳定性等重要功能[2]。半月板损伤常发生在急性膝关节损伤，也可因交叉韧带等膝关节稳定结构破环导致关节不稳而继发半月板撕裂或磨损。老年患者也可因关节退行性改变而使半月板受到变性损伤。常见的临床症状为膝关节疼痛，可伴关节肿胀及屈伸活动障碍，严重者影响正常生活及体育运动。半月板部分或全部切除术曾是标准的治疗方法，但近些年来随访发现由于关节生物力学结构明显改变，软骨应力显著增大，手术后期常伴发骨关节炎[2]。近些年来半月板缝合修补术被运动医学手术医生广泛提倡。但半月板缝合术仅适用于特定的撕裂损伤，半月板缺损较大者无法进行缝合治疗，且缝合后存在不愈合或再次撕裂的风险。恢复半月板组织形态可以降低关节软骨接触压力并有助于恢复膝关节稳定性，以达到半月板与关节软骨的良好匹配，从而降低后续关节退行性改变风险，这为通过材料移植对难以再生的半月板组织进行修复提供了思路。

目前，已有两款半月板支架用于临床[3]：胶原半月板植入物CMI（collagen meniscus implant，Ivy Sports Medicine，Lochhamer，Germany），它来源于Ⅰ型牛半月板胶原基质，因受免疫及潜在传染病感染的影响目前在部分地区已停用；另一重要支架是以聚氨酯为基础的Actifit（Orteq Bioengineering，London，UK）半月板支架（图1），用于半月板部分缺损的修复。此外，全半月板聚氨酯移植物NUsurface[4，5]正处于临床试验阶段。本文对近些年来采用聚氨酯材料修复半月板从基础实验到人体应用的研究进展做一简要综述，为今后聚氨酯材料半月板的应用与研发提供参考。

图1 聚氨酯支架

1 膝关节半月板的材料学现状

研究者采用不同种类的人工合成聚合物进行半月板缺损移植修复的探索，主要包括聚己内酯（polycaprolactone，PCL）、聚氨酯（polyurethane，PU）、聚乳酸（polylactic acid，PLA）、聚乙醇酸（polyglycolic acid，PGA）等[3，5]，还包括天然高分子材料，如多糖、明胶、胶原以及生物组织来源材料等。其中以天然胶原蛋白为来源的半月板移植物CMI 已应用于临床，但该款移植物力学性能达不到维持膝关节正常功能的要求，因此仅适用于半月板外周边缘仍未受损的病例，手术适应症较窄。此外CMI 来源于Ⅰ型牛胶原基质，受免疫及潜在传染病影响目前在部分地区已停用。力学强度无法良好地模拟天然半月板也是天然来源材料所面临的共同挑战[3，8]。在人工合成聚合物中，除聚氨酯外其他材料均处在基础研究阶段。聚氨基甲酸酯（polyurethane，PU）简称聚氨酯，是一种人工合成的主链上含有重复氨基甲酸酯基团（－NHCOO－）的极性高分子聚合物。聚氨酯材料是较为成熟的生物医用材料，由于成型加工性能好，分子设计自由度大而被应用于医学领域，目前聚氨酯材料已应用于人体内部组织器官的替代，以心脏血管支架、人造血管植入物、外科固定物等为代表，取得了良好的临床效果[9]。基于聚氨酯材料良好的生物相容性，化学稳定性，优异的力学性能和可生物降解，使用多孔可生物降解的聚氨酯材料作为半月板缺损之间的连接移植物，是目前临床上一种具有良好应用潜力的半月板重建方法。

以聚氨酯为材料基础的Actifit 半月板支架，是目前正式应用于临床的人工合成材料半月板植入物，用于半月板部分缺损的修复。该半月板支架具有良好力学性能和孔隙结构，可为细胞粘附增殖提供适合的微环境。Actifit聚氨酯支架降解周期为3.5～5年，细胞及细胞外基质沉积替代聚氨酯支架的降解缺损部分，但一项术后2年的二次关节镜探查报道发现新生组织与天然半月板组织仍存在差异[10]。Active Implants 公司2010年研制出一种永久型聚碳酸酯型聚氨酯半月板替代物Nusurface®（Active Implants LLC，Memphis，TN，USA）[11]（图2），此为第一个正在进行临床试验的永久型全半月板移植假体。Nusurface®主要材料也是聚氨酯，其设计为盘状，是一种非锚定式的股骨契合的植入物，可通过微创膝关节镜切口在不破坏骨、软骨和关节主要结构的情况下植入股骨和胫骨软骨面之间的内侧间室以替代半月板，该类型移植物不具有降解再生作用，具有优良的力学性能，是一种永久性半月板替代物[12]。

图2 Nusurface®永久型全半月板假体大体观[10]

2 聚氨酯材料修复半月板的基础研究进展

聚氨酯是一种主链上含有重复氨基甲酸酯基团（－NHCOO－）的极性高分子聚合物（图3）。聚氨酯分子具有软/硬段交替存在的结构，通过改变软/硬链段结构成分及比例，可以灵活地调控聚氨酯材料性能，制备具有优异机械性能和生物相容性的医用聚氨酯。脂肪族聚氨酯具有安全可降解的性质，可被巨噬细胞等吞噬降解，细胞及细胞外基质最终填充替代降解的聚氨酯支架。动物实验表明，通过优选的聚氨酯材料支架及支架功能化重建从而恢复半月板结构和功能可以有效促进半月板再生，保护关节软骨从而延缓骨关节炎的发展，相关基础研究见表1。

表1 聚氨酯材料修复半月板的基础研究

图3 聚氨酯支架简要合成过程及结构式

Veth 等[13]早在1986年对14 只犬半月板采用含有碳纤维丙交酯与聚氨酯有机聚合物的移植物修复大型楔形损伤，术后4、8 周关节镜观察移植物发现10 只犬半月板重建区域完全被新生纤维组织覆盖，同时发现透明软骨修复的迹象。但碳纤维颗粒具有引发滑膜炎的潜在风险。随后Klompmaker[14-17]采用脂肪族聚氨酯聚合物支架修复犬半月板无血管区损伤和半月板置换，发现纤维软骨可以长入聚氨酯支架，并就支架孔隙大小对新生组织再生的影响进行了探索。移植物的力学，再生特性与关节软骨保护密切相关，Spaans 等[18]采用无溶剂制备微孔聚氨酯酰胺及聚氨酯尿素支架材料修复半月板，验证了其生物力学和纤维组织长入的能力。Heijkants[19]合成了以聚己内酯为软段，1，4-丁二异氰酸酯和1，4-丁二醇作为硬段的聚氨酯支架，并将其置入犬体内，结果表明该支架可提供纤维组织长入的多孔微环境并具有良好的力学性能。

较早使用的芳香族聚氨酯的后期降解可能产生毒性降解物，具有致基因突变、致癌、致畸的潜在风险。Groat[20]等采用环己二甲醇、聚己内酯二醇和1，4-反式环己烷二异氰酸酯合成线性脂肪族聚氨酯，将预聚物与甘油交联合成脂肪族聚氨酯网状结构，植入犬关节内探索材料可行性，取得了良好效果。但仍有学者质疑脂肪族聚氨酯降解产物毒性并未完全消除[21]。Tienen 课题组[22-24]合成了一种碳纤维增强的聚酯型聚氨酯（polyesterurethane，PUPCL）支架并将其置入犬体内，与芳香族聚氨酯比较，发现该支架表现出更小的免疫反应，同时观察到软骨退化仍然明显存在。目前这些优选的聚氨酯支架仍不能完全防止软骨退化的发生[25]，今后的研究仍需优化聚氨酯支架材料生物相容性，使其化学降解产物对软骨及免疫的影响降到最低。

近些年来种子细胞、生长因子、支架微观结构的异质性等重要影响因素逐渐得到研究者们的重视。Achatz[26]将人骨髓间充质干细胞种植于聚氨脂复合支架进行体外培养，结果显示聚氨酯支架材料孔间连通性满足细胞分布和细胞存活。Koch[27]将间充质干细胞种植于聚氨酯支架上进行兔体内研究，结果显示间充质干细胞促进了血管的生长。Vedicherla[28]分别将分离处理后的山羊软骨细胞和软骨碎块种植于聚氨酯支架上进行培养，结果显示直接添加细胞成分或富含细胞的组织可以提高支架再生能力。Mulder[29]将山羊半月板纤维细胞种植于PU/PCL 微孔支架上并添加转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β），体外培养结果显示TGF-β可以促进支架上细胞增殖和细胞外基质合成。该团队的另一项研究还发现在非承重环境中，胶原蛋白的形成可以由支架结构引导，新生组织分别向半月板无血管区和血管区不同方向分化[30]。Maher 等[31，32]进行尸体力学分析，发现多孔聚氨酯支架在半月板部分缺损区力学分布优于半月板切除。研究还表明聚氨酯涂层支架移植具有一定的关节软骨保护作用[33，34]。以上诸多研究从各影响因素对聚氨酯支架修复半月板进行了探索，未来的研究方向应优选出最佳的生物影响因素，并进行多因子联合共同促进半月板再生研究。

3 聚氨酯支架临床应用的研究进展

近些年来研究者们陆续报道Actifit 聚氨酯支架应用于人体半月板损伤的临床随访研究。Verdonk等[35-37]报道了以Actifit 支架作为部分替代物的半月板缺损患者的系列研究，中短期随访1～2年后Actifit 种植体与原位天然半月板组织融合，患者疼痛症状缓解，无并发症出现，组织病理提示支架中存在有活性的纤维组织。其他一些术后临床随访研究也显示出相似结果（见表2）。Akkaya[38]在2020年报道采用间充质干细胞关节腔内注射的方式促进聚氨酯半月板支架修复再生，术后3年随访取得良好结果。另一项研究中，Meza等[38]将间充质干细胞种植在聚氨酯支架中应用于人体，术后随访12个月结果显示在保护关节软骨方面该方式未显示出优于非细胞支架的优势。

表2 聚氨酯材料修复半月板的临床研究

Actifit 半月板支架植入后力学挤压是研究中的关注热点。Coninck[40]通过影像学对Actifit 移植物支架的径向移位进行了研究，结果表明支架径向移位与临床结果评分均无相关性。Moran[41]对植入后的聚氨酯支架进行详细病理分析，发现半月板置换区细胞密度明显较高，且细胞形态存在异向性，这表明聚氨酯支架在受力情况下能够支持细胞生长并产生分化。Gelber[42]对支架植入后的磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）结果进行分析，在无软骨损伤的患者中聚氨酯支架在尺寸和形态方面的MRI 表现更好，该研究结果提示通过优化关节内生物力学，特别是半月板替代物的植入，至少两年的随访观察到明显的疼痛缓解和功能改善。最新的两项中期随访研究也表明Actifit 在改善膝关节功能、提高运动水平、减轻疼痛方面的乐观结果，但MRI 显示都存在植入物挤压挤出的报道[43，44]。聚氨酯类材料摩擦系数对关节软骨也是重要影响因素，Galley等对聚氨酯材料摩擦系数在置入羊半月板内12 个月的变化进行了研究[43]。通过优化支架的形状、表面特性及内部结构来匹配半月板力学特性使人工合成支架置入后起到软骨保护作用仍是半月板修复中的研究热点。

（续表2）

Shin 等在2018年进行的一项荟萃分析发现[52]，使用聚氨酯半月板支架的患者功能明显改善并且疼痛减轻，对于部分半月板缺损患者，聚氨酯半月板支架似乎是一个可行的选择。但该研究发现很多患者仍存在软骨退化和半月板被挤出的情况，软骨退化可能与关节力学分布不均、缝合固定技术、支架材料自身等因素直接有关。目前大多数研究是基于磁共振成像、二次关节镜检查和临床功能评分，缺少更完善的体内支架和骨关节炎病理学结果。Actifit 支架相关的临床研究报道多基于短期随访观察，今后需要深入的中长期随访观察以及安全性和有效性的更有力的长期证据[53]。此外，存在并发损伤的半月板修复手术如前交叉韧带重建和胫骨高位截骨可能对这些评估结果有显著影响[54]。值得一提的是，Nusurface 作为一种新型完全替代材料，近两年的临床实验也报道了相似的短期随访结果[55，56]。这些初步结果表明Nusurface 植入物在膝关节疼痛、功能评分和生活质量方面比非手术治疗有显著改善，但目前还缺乏手术组之间的对比研究和长期随访结果的报道。

4 半月板聚氨酯移植物材料研究展望

理想的聚氨酯支架材料应具有良好的生物相容性和仿生力学特性，支架降解期限内允许新组织的生长，新生组织在生物力学负载的影响下进行半月板软骨组织重构。近些年来，以l-丙交酯/ecaprolactone 癸内酯为基础的生物可降解聚酯脲类生物支架是半月板组织工程热点研究的理想材料[41]。此外，聚氨酯支架的多孔结构也应该能够促进细胞长入，允许营养物质的自由扩散，并作为成软骨生长因子的载体。支架材料在具有可降解和多孔结构的基础上，其生物力学特性应满足能够承受关节的负荷，并在这些负荷条件下保持其结构的完整性。目前临床随访结果表明，尽管很多研究结果已证实采用聚氨酯移植物替代半月板结果优于半月板切除，但聚氨酯材料支架并不能完全避免关节软骨的退化。主要原因为目前的移植物在力学、再生能力、材料降解方面不能充分整合。

移植物在膝关节复杂的运动中需要更好地匹配关节运动环境，这对移植物的内部力学结构和生物相容性提出了更高要求。近些年来，通过3D打印技术能够很好地解决半月板微观结构设计和个体化外观结构差异，从而减小了力学不匹配导致的关节内骨赘增生和软骨破坏。同时这一技术对聚氨酯材料的可打印性提出了更高要求。聚氨酯支架的生物再生能力需要进一步优化，其中材料的生物功能化修饰如生长因子、种子细胞、力学刺激等为半月板的组织再生提供了积极因素，今后的研究应明确这些因素发挥作用的最优条件和各影响因素之间的相互关系，并达到材料力学和再生的良好整合[57]。