组织工程韧带/肌腱支架材料的研究进展

杨亚冬 张文元 房国坚

(浙江省医学院科学院,浙江 杭州 310013)

理想的组织工程韧带和肌腱的支架材料需具备耐受持续的高强度张力、耐磨损性好、无免疫原性、良好的生物相容性及降解性。目前应用于组织工程韧带及肌腱的支架材料主要可分为两大类,天然高分子材料与合成高分子材料。选择合适的支架材料非常关键,它必须具有一定的机械强度及合适的降解速度,才能在完成支架的使命后为正常组织的生长留出空间。本文对这两种材料制备的韧带和肌腱的研究进展作如下综述。

1 天然高分子材料制备的组织工程韧带和肌腱

天然生物材料就是经生物过程形成的材料[1]。目前用于韧带或肌腱的天然生物材料大致可分为两类[2]:天然衍生材料,如胶原纤维、丝素、壳聚糖等;生物衍生材料,如小肠黏膜下层和膀胱黏膜下层等。下面就这些材料的特点及应用进行详述。

1.1 胶原纤维 胶原种类较多,其中I型胶原在动物中含量最多,研究也最多,已被广泛用于生物材料及生化试剂。胶原纤维是韧带/肌腱的主要成分,其独特性能是形成高强度的不溶性纤维。方跃等[3]研究用各种材料修复裸鼠跟腱缺损,结果发现复合胶原的材料早期力学强度高于对照组,表明胶原在肌腱修复的早期能增强组织工程肌腱的力学强度。Henshaw等[4]用周期的拉伸刺激种植有成纤维细胞的三维胶原凝胶支架,可促进韧带修复,使新生组织中细胞呈线性排列,胶原纤维呈平行排列,与体内韧带的细胞及胶原排列相似,而对照组(无外加的周期拉力刺激)的细胞分布及胶原蛋白排列杂乱无序。此结果提示细胞能在胶原材料上粘附增殖,且胶原凝胶能产生细胞外基质,这些特点使胶原成为韧带/肌腱支架的首选,但是由于韧带/肌腱的强度需求特殊性,如果没有周期性拉力刺激,很难使新形成的组织具有韧带/肌腱的功能特点及组织学特点[5]。

1.2 丝素 蚕丝丝素,又称丝心蛋白,其成分几乎是纯蛋白,它构象的主要特征是β片层二级结构,这个构象使之有优异的力学性能,蚕丝沿纤维轴方向上既有较高的强度,又有较大的延伸率。田旭等[6]用蚕丝丝素与肌腱细胞联合培养构建组织工程肌腱,发现蚕丝材料有利于肌腱细胞粘附生长,降解缓慢,抗拉性优越。Altman等[7]通过对蚕丝材料的研究得出结论:合适的蚕丝基质,除了提供独特的机械力学特性以及生物相容性和缓慢降解速度以外,还能提供合适的生物材料基质为成体干细胞向韧带细胞分化提供支持。这个结果表明这种基质可用于修复前交叉韧带来解决目前合成和其它降解材料的局限性。为增加细胞在支架上的粘附、增殖,Chen等[8]用精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)修饰蚕丝纤维,发现RGD耦合的蚕丝基质促进骨髓间充质干细胞的粘附、增殖,并促进胶原基质产生,连同机械力学,耐疲劳度和蚕丝蛋白基质的生物相容性都提高,提示经RGD修饰的蚕丝材料具有用于组织工程韧带的潜能。丝素独特的机械特性及侧链化学过程多样性,使该材料在组织工程中应用越来越广泛,不过也有报道其生物相容性的一些问题,可能原因是蚕丝脱胶不够彻底,剩余的丝胶(胶样蛋白)污染导致生物相容性差[9]。

1.3 壳聚糖 壳聚糖(chitosan)是由自然界广泛存在的几丁质(chitin)经过脱乙酰作用得到的多聚糖。它具有良好的生物相容性及可降解性,已被各行各业广泛关注,在医药、食品、化工、化妆品、水处理、金属提取及回收、生化和生物医学工程等诸多领域都有应用研究。Funakoshi等[10]在壳聚糖为基础的透明质酸混合纤维支架上种植成纤维细胞,用来治疗兔肩袖(又叫旋转袖,是包绕在肱骨头周围的一组肌腱复合体)损伤,结果发现支架材料促进支架上细胞产生I型胶原并提高肩袖再生组织的机械强度,提示采用该材料可作为组织工程肌腱的支架。Majima等[11]用不同比例混合制成藻酸盐和壳聚糖聚离子复合物纤维支架,证实成纤维细胞在藻酸盐壳聚糖混合支架上比仅用藻酸盐制成的支架上显示更好的粘附能力,以及能产生更多的I型胶原纤维。由此推断藻酸盐的壳聚糖混合聚合物纤维成为韧带和肌腱组织工程的生物材料支架具有相当大的潜能。

1.4 猪小肠黏膜下层 猪小肠黏膜下层(SIS)作为支架已用于修复各种组织,如血管、泌尿生殖系统及肌肉骨骼系统。这种天然细胞外基质的组成成分和结构与结缔组织的细胞外基质相似,所以它更接近于天然结缔组织复杂的结构,利于细胞的粘附,更具相容性[12]。Musahl等[13]用SIS治疗兔内侧副韧带,结果发现SIS治疗组细胞生成较多,有较多的胶原沉淀,胶原纤维排列明显改善,表明SIS能促进断裂的内侧副韧带损伤愈合,且发现用SIS治疗后韧带的机械力学和组织学都明显好于对照组。SIS虽然是一种异体材料,但由于进行了脱细胞处理,材料内异体细胞少,主要由胶原构成,故免疫原性小,很少出现明显的排异反应。

2 人工合成高分子材料

由于高分子材料独特的结构和易改性、易加工特点,使其具有其他材料不可比拟、不可取代的优异性能,从而在各个领域,成为一种应用极为广泛的材料。

2.1 聚乳酸(PLA) 聚乳酸全名为poly lactic acid(PLA),是一种丙交酯聚酯,以乳酸为主要原料聚合得到,原料来源充分而且可以再生。聚乳酸的生产过程无污染,而且产品可以生物降解,是理想的绿色高分子材料。其机械性能及物理性能良好,在医疗领域有广泛的应用。它在组织工程中一般都采用涂层的方式来发挥作用,很少单独使用。王万明等[14]将聚乳酸涂布在编织好的碳纤维材料上以改善其力学性能、用游离浅筋膜包裹该编织带来治疗狗前交叉韧带,术后形成了类似正常前交叉韧带的碳纤维-生物组织复合体。单纯用聚乳酸涂层的编织带在关节内不能形成具有力学意义的新生韧带,原因是涂层直接暴露在滑膜腔内,表面形成纤维性覆盖物,细胞成分及血管少,使组织透明变性,丧失了继续生长的能力。李成民[15]将聚乳酸凝胶涂布在断裂的肌腱上以防组织粘连,结果发现其防粘连作用理想,且可促进肌腱的内源性愈合。韩可瑜等[16]采用聚乙烯纤维-聚乳酸复合材料修复兔跟腱,拉伸实验测得该复合材料具有良好的生物功能和生物力学特性,术后炎性反应和囊璧形成均很少,术后6周形成类腱组织。

2.2 聚乳酸羟基乙酸(PLGA) 聚乳酸羟基乙酸(polylactic-co-glycolic acid PLGA)是聚乳酸(PLA)与聚羟基乙酸(PGA)的共聚物,与PLA及PGA相比,PLGA组织相容性更优异,且降解性、机械性能调节范围更大,因此成为目前应用最广泛的人工合成高分子材料。但PLGA缺乏细胞外基质中生物信号和功能基团,与细胞粘附性差,于是很多研究者通过对其表面进行修饰以改善其粘附性差的缺憾[17]。Lu等[18]比较研究 PLA、PGA 、PLGA 这三个编织材料修复前交叉韧带的情况,发现PGA支架抗张强度最高,体内降解快,导致基质破坏和细胞死亡。PLA及PLGA支架降解慢,能维持组织结构的完整性且有优秀的机械性能。用纤维连接蛋白(Fn)修饰后的PLA及PLGA支架利于前交叉韧带细胞粘附生长及分泌基质。发现在PLA支架上细胞粘附生长最多。综合细胞生长情况、机械性能和降解特性,研究者得出结论用Fn修饰后的PLA编织支架是最合适的前交叉韧带组织工程支架,但用Fn修饰后的PLGA也不失为一种优良的候选支架。

近年来,组织工程韧带/肌腱的研究取得了长足进展,已经有初步的临床应用及获得了一定的疗效[19]。但作为一门多学科交叉学科,组织工程韧带/肌腱在临床上的广泛应用还有一段很长的路要走,需要生命科学、材料科学、工程力学等各个学科不断发展和协同配合研究。

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