半月板支架材料的研究进展

周宇航 魏 凯,2 谢瑞娟,2 郑兆柱,2 王晓沁,2 李 刚,2,3

1. 苏州大学 纺织与服装工程学院(中国)2. 苏州大学 现代丝绸国家工程实验室(中国)3. 南通纺织丝绸技术研究院(中国)

半月板是一种类似月牙状的纤维软骨组织，主要由水、细胞外基质和半月板细胞组成[1]。在人体膝、腕和颔的枢纽关节部位，均有半月板存在。膝关节半月板位于股骨和胫骨平台之间，发挥着重要的作用。膝关节半月板的截面形状为三角形，内侧厚度薄于外侧，上表面形状类似凹槽，与股骨相匹配，下表面平整，与胫骨平台紧密连接[2]。半月板的胶原蛋白结构非常复杂，根据胶原纤维排列的不同，可分为3个部位[3]，表面和中央部位的胶原纤维较短，呈无序排列，此胶原纤维层能较好地承载、传递和分散压力；底层部位的胶原纤维沿周向排列，可对软组织的环状应力起到很好的抵抗作用；中间层部位的胶原纤维随机排列，可稳固圆周状纤维。

膝关节半月板主要连接着胫骨平台关节，其形状为楔形，可限制股骨的移动范围，起到稳固关节的作用。日常行走时，半月板会受到扭转和挤压等外力作用，过度和长期的负重容易造成半月板损伤。随着膝关节半月板的日常磨损，在膝关节某一运动瞬间容易造成半月板受损。由于半月板独特的解刨结构及无血液供应区域损伤后不具备自行愈合能力的特点，半月板重建成为损伤修复领域科研人员的研究热点之一。

1 半月板支架材料的性能要求

因半月板具有独特的解刨结构和生物力学功能，开发半月板支架对于科研人员而言是一个巨大的难题和挑战。支架材料应具有足够的抗拉伸和抗压性能，以起到抗扭曲、减震和稳定膝关节的效果。若支架材料不能提供足够的生物力学性能，将容易导致膝关节软骨退化，严重时还会导致骨关节炎发生。因此，研究者尝试开发新的材料和方法，以模拟半月板复杂的解刨结构，并使其满足人体生物力学性能的要求[4]。半月板支架除了能提供力学支持外，还应有利于软骨细胞的黏附和增殖，促进软骨组织的再生。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 半月板支架材料分类

为寻求合适的半月板支架材料，研究人员进行了广泛的试验研究(图1)。研究目的是制备替代性半月板植入物或组织工程支架，以缓解半月板损伤切除后带来的不良症状，改善膝关节功能，避免骨关节炎的发生。目前，半月板损伤再生方法大致可分为自身材料重建、同种异体组织重建、合成材料重建和组织工程方法重建4类[13]。其中，前3种方法可较快地实现患者运动功能的恢复，短期内效果良好，但长期效果较差。组织工程作为一种新技术，也被用于半月板损伤修复和重建领域，并且是目前该领域科研人员的研究热门方向之一[14]。

图1 半月板支架材料及其微观形貌图

组织工程化半月板研究分为半月板细胞和支架材料两方面。组织工程化半月板的种子细胞通常为骨髓间充质干细胞、半月板纤维软骨细胞和多功能纤维细胞等[15]。组织工程化半月板支架材料大致分为天然材料、合成材料和复合材料3类，其优缺点对比如表2所示。

表2 组织工程半月板支架材料优缺点

2.1 天然材料

2.1.1 丝素蛋白

蚕丝主要由丝素和丝胶两种蛋白质组成。丝素蛋白所占质量分数约为蚕丝的70%～80%，由18种氨基酸组成[16-18]。丝素蛋白结构独特，具有优异的生物相容性、可控的生物降解性、良好的力学性能，以及低免疫原性、结构完整性、适合于水或有机溶剂的加工，可进行化学修饰。丝素蛋白优良的生物力学性能使其在生物医学领域有着广泛的应用前景和使用价值[19]。

——优异的生物相容性[20]。作为一种历史悠久的天然高分子材料，丝素蛋白在外科缝合线领域的成功应用，证实了其具有优异的生物相容性。

——可控的生物降解性[21]。生物降解性是生物医用材料的一项重要指标。Park等[22]的研究表明，不同降解速率支持不同的细胞代谢活动，进而影响体内新骨的形成速率。丝素蛋白不仅可生物降解，而且可生物吸收，其降解产物主要为氨基酸，因而无需担心其降解产物会通过代谢途径被人体吸收而产生毒性。

——良好的力学性能[23]。蚕丝因其良好的力学性能引起了诸多研究者的注意，为开发一系列产品奠定了基础，但经过处理后，蚕丝材料大多会变脆弱。例如，天然蚕丝的拉伸强度为0.5～0.6 GPa，断裂伸长率为10%～40%[24]。然而，再生丝素蛋白膜的干拉伸强度仅为0.02 GPa，断裂伸长率则小于2%[25]。这是因为处理后丝素蛋白再生材料的二级结构发生了变化。调整丝素蛋白再生材料的二级结构可有效提高其力学特性，甚至可使其力学特性接近天然蚕丝的水平。

——可加工性[26]。丝素蛋白的α-螺旋和无规卷曲两种二级结构[27-28]，导致其可溶于水。在室温、pH呈中性及低剪切力等温和的环境条件下[29]，通过某些方法可制得丝素蛋白基材料。这种材料可搭载生物活性药物，并可控制药物的释放速率，有利于细胞黏附和生长。在丝素蛋白的再生过程中，可通过各种后处理方法，如水蒸气处理[30]、乙醇处理[31]等，获得不同的二级结构。随着结构之间的相互转化，丝素蛋白表现出更好的结构完整性和抗水解性能，其中，β-折叠结构[32]赋予丝素蛋白良好的结构稳定性，使生物材料性能更好。

2.1.2 羊毛角蛋白

全球羊毛的年产量超过250万 t。中国是羊毛产量全球排名前五的国家[33]。羊毛是一种材质坚韧的生物副产品，呈三维网状结构，其蛋白质和硫的含量非常高。角蛋白作为羊毛的主要成分，是一种尚未被大量开发的丰富的蛋白质资源。基于羊毛角蛋白的组织工程支架已成为生物医用材料的热门研究领域之一。角蛋白良好的自组装能力、优异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]首次从羊毛纤维中提取角蛋白并制备出羊毛蛋白支架。通过冷冻干燥制备的羊毛蛋白支架，具有孔径大和孔洞多的特点，有利于细胞的黏附、增殖及组织液之间的交换。为最大程度地发挥羊毛蛋白在生物医用领域的应用潜力，Tachibana等[35]将羟基磷灰石颗粒与角蛋白的多孔海绵结构结合，制备复合多孔海绵支架。研究表明，所得支架对成骨细胞的生长起到了积极作用。由于细胞增殖和营养液的相互贯通需要精确控制支架的孔径，仅通过冷冻干燥不能控制孔径的大小，因此，Katoh等[36]研究采用压缩模塑技术来调节支架孔径的大小。Peplow等[37]探究了角蛋白支架的体内降解情况，他们将支架植入小鼠皮下，并观察了18周内支架的干质量和弹性模量，结果发现，两者均呈下降趋势。

2.1.3 胶原

胶原是脊椎动物体内含量最丰富的蛋白质，是细胞外基质的关键承重部分。Zheng等[38]制备出一种大孔三维定向胶原/丝素支架(ACS)，该支架仿生了天然肌腱的三维胶原纤维排列结构，通过诱导类似于自然肌腱排列的细胞结构，评判其在兔肩袖撕裂模型上的效果。结果发现，该支架具有非常好的力学性能，并且可以促进肌腱和周围组织细胞的细胞浸润和肌腱分化，进而促进肩袖肌腱再生，在肌腱组织工程中具有潜在的应用价值。

2.2 合成材料

2.2.1 聚乳酸

聚乳酸(PLA)又称聚丙交酯，是一种可生物降解的聚合物材料，生产原料主要来源于玉米。PLA绿色环保，可加工性好，有着广泛的应用前景。Chen等[39]将静电纺明胶/聚乳酸-羟基乙酸纤维分散并加工成短纤维，再作为增强材料加入3 D打印软骨脱细胞基质支架中，结果发现，所得支架具有良好的力学性能和生物相容性，并且可以促进兔软骨的缺损修复。

2.2.2 聚乙烯醇

聚乙烯醇(PVA)是一种白色的有机化合物，是重要的化工原料，常用于制备胶水等。Hartwell等[40]制备出一种可注射的胶原-糖胺聚糖(GAG)基质，该基质中含PVA-硼酸盐网络，通过比较可知，PVA-硼酸盐网络的加入可改善支架的结构和力学性能，并抑制细胞的增殖，但不影响细胞活力，说明该GAG基质在作为组织工程或细胞移植的可注射材料方面具有很大的潜力。

2.3 复合材料

近年来，通过组织工程方法制备的以细胞和生物材料为载体的复合支架在医学领域受到广泛关注。研究表明，单组分材料不能模拟半月板复杂的解刨结构和性能；将多种生物材料组合，可制备出具有一系列功能特性的半月板复合支架，并达到半月板移植物的要求。Gao等[41]制备出一种以脱细胞半月板细胞外基质/聚己内酯(DMECM/PCL)静电纺纤维和多孔DMECM为增强材料的半月板复合支架，其中，DMECM/PCL静电纺纤维提供拉伸支持，DMECM提供多孔结构。试验表明，静电纺纤维的添加提高了半月板复合支架的力学性能，细胞试验证实，半月板细胞可在支架内生长和增殖。以兔半月板全切除为动物模型，在手术后3个月和6个月评价半月板复合支架的体内性能，结果表明，该半月板复合支架可促进兔半月板的再生。Li等[42]通过湿法纺丝法制备了由丝素蛋白、ε-聚己内酯和生物活性因子锶离子组成的脱细胞三维半月板支架，命名为SP-Sr。试验表明，SP-Sr具有合适的孔径和良好的力学性能，丝素蛋白和锶离子的加入可促进细胞的增殖和迁移。此外，与半月板切除组相比，SP-Sr植入兔半月板全切除组后6个月，SP-Sr支架可以促进半月板再生，减缓骨关节炎的发生，再生半月板具有与原生半月板相似的结构和力学性能，在临床上具有一定的价值。

3 半月板支架的类型

3.1 水凝胶支架

根据来源，可将水凝胶分为天然水凝胶(海藻酸盐)和合成水凝胶(聚异丙基丙烯酰胺)。水凝胶的性质主要取决于其含水率，水凝胶的含水率通常大于90%。水凝胶可采用聚合物通过各种方法进行交联制成，也可由现成的试剂合成，这种材料很容易被加工成所需的形状，其包含的水分可与细胞及生长因子均匀混合。水凝胶支架的主要缺点在于其力学性能不像合成聚合物那样易于操控，可通过增加水凝胶交联度来调控水凝胶的力学性能，但有些方法会影响细胞的生长和代谢。Baek等[43]通过将人体半月板细胞包埋在细胞外基质水凝胶中，构建出层状排列的聚乳酸静电纺支架，以诱导形成类似半月板样组织的肿瘤组织。试验表明，这种支架具有半月板的力学强度，可支持肿瘤组织的形成，在半月板再生策略中具有潜在的应用价值。

3.2 合成聚合物支架

合成聚合物支架主要通过化学合成的方法制备，其力学性能和可加工再利用性较强。可用于制备合成聚合物支架的聚合物有聚己内酯(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点在于其生物相容性较差，并且降解产物不可吸收，无法及时排出体外。Aufderheide等[44]通过非织造网状PGA制备组织工程膝关节半月板三维支架，试验表明，成纤维细胞和软骨细胞均可很容易地在支架上附着和增殖。Tienen等[45]使用聚氨酯(PU)制备出一种可生物降解的半月板替代物，其孔径大小为150～355 μm，孔洞之间的贯通性好，有利于组织的生长。支架植入犬体内3个月后，植入体完全充满了纤维血管组织；6个月后，植入体中央区域包含有软骨样细胞，基质中含有丰富的胶原和蛋白聚糖，证实该支架能促进组织浸润及表型分化成类似于天然半月板的组织。

3.3 细胞外基质支架

细胞外基质(extracellular matrix，ECM)支架主要由天然基质大分子组成。理论上，细胞外基质支架为种子细胞提供自然生长环境，比人工聚合物支架和水凝胶支架更具有仿生性能，生物活性更高。ECM支架的缺点在于可用的ECM组分很少，临床试验效果不佳。Yuan等[46]使用猪半月板的脱细胞半月板细胞外基质(AMECM)与牛骨的脱矿松质骨(DCB)构建出不同的半月板多孔支架。在纤维软骨细胞增殖、生物力学特性及胶原和GAG的分泌方面，AMECM/DCB构建物在半月板再生方面表示出良好的效果。

4 关键问题和未来发展方向

4.1 关键问题

为寻找最佳的半月板替代物，对半月板支架材料的研究在不断推进，但目前仍没有一种材料能够完全模拟出天然半月板的结构和生物特性。科研人员一直在探索“完美”的半月板组织工程支架，以找到更佳的治疗方法，使半月板替代物具备合适的力学性能、良好的生物学性能和耐久性。在这方面，天然材料较差的力学性能以及合成材料较差的生物相容性是问题的关键。

4.2 未来发展方向

由多种材料复合制备的复合支架能弥补各组分材料的缺陷，更好地满足半月板支架的制备要求，具有广阔的应用前景。新型仿生结构和功能化半月板复合支架是研究热点，静电纺丝、3 D打印等新技术的使用，有助于生产出具有内部分层结构的支架，同时增强材料的生物特性，为半月板修复和重建领域带来新的突破。另外，半月板支架材料中结构、特性和功能关系的细化，以及新型加工技术的使用，也为半月板的修复带来新的希望。

5 结语

半月板损伤是膝关节运动损伤中的常见病和多发病，中国平均每年的发生率为0.66%。迄今为止，半月板复杂的解剖结构和生理功能还不能完全被模拟出来。半月板再生仍然面临多方面的挑战，例如，如何选择和设计具有足够力学强度和长远耐久性的生物材料，以优化半月板的修复和重建。从长远来看，生物材料如何防止软骨的退化也是关键问题。随着组织工程中外科技术的日益成熟，相信会有更多适用于半月板损伤的修复与再生的生物支架新材料出现。

基金项目:1.国家重点研发计划(2021YFE0111100)；2.江苏省第十五批“六大人才高峰”高层次人才项目(GDZB-035)；3.国家先进功能纤维创新中心科研攻关项目(2021fx010104)；4.中国纺织工业联合会“纺织之光”项目(J202002)；5.江苏省先进纺织工程技术中心创新项目(XJFZ/2021/7)