关节软骨组织工程支架材料的研究进展

【作 者】邵鸿，戴刚，李玉吉

1 甘肃中医药大学，兰州市，730000

2 甘肃省中医院，兰州市，730050

关节软骨组织工程支架材料的研究进展

【作 者】邵鸿2，戴刚2，李玉吉2

1 甘肃中医药大学，兰州市，730000

2 甘肃省中医院，兰州市，730050

近年来因创伤或骨病等所致关节软骨损伤在临床上十分常见。当前针对关节软骨损伤治疗方法很多，然而各自都有其局限性。随着纳米技术和仿生技术的发展，应用组织工程技术在关节软骨损伤治疗中的支架材料具有举足轻重的作用，其中复合材料的研究和开发是热点，充分应用纳米技术和仿生技术前景广阔。

关节软骨；组织工程；支架材料；纳米技术；仿生技术

近年来因创伤或骨病等所致关节软骨损伤在临床上十分常见，因为没有血管、神经支配和淋巴回流，所以软骨磨损退变或缺损超过2 mm直径后恢复到原来的结构和状态非常困难，修复能力有限[1]。以前采用微骨折术等方法治疗关节软骨损伤，但是大部分均使用纤维软骨，并没有形成透明软骨[2]。随着组织工程技术研究的深入，治疗关节软骨损伤的方法有了很大发展。

目前组织工程技术主要从支架材料、有软骨分化能力的种子细胞和细胞调节生长因子[3]三个方面深入研究，支架材料不仅为种子细胞提供了新陈代谢的场所，同时也为细胞调节生长因子提供暂时的接合点，是二者修复损伤软骨的载体。支架材料要求有优良的孔隙率，力学性能佳，生物相容性好，机械支撑好，具有一定的弹性，不易脱落，不引起排斥反应等特点，支架材料在关节软骨组织工程技术中具有至关重要的作用。

1 天然支架研究进展

天然支架有胶原、壳聚糖、透明质酸、藻酸盐、纤维蛋白、脱细胞软骨基质、硫酸软骨素等[4]，具有生物相容性好，毒副作用小，易降解，并且降解产物易吸收等优势[5]。其中胶原支架对细胞黏附具有突出作用，壳聚糖支架生物相容性和降解性好，且其降解产物体内不蓄积[6]。但天然支架有力学性能差、来源有限、降解速度快等缺点。

目前对胶原、壳聚糖、藻酸盐、透明质酸等及其衍生物的研究是热点。国外Crawford DC等[7]通过临床试验证实采用软骨细胞胶原复合物治疗关节软骨损伤疗效满意。Correia CR等[8]采用壳聚糖/透明质酸支架材料显示透明质酸的加入可有效提高壳聚糖的力学强度，软骨细胞在复合支架材料上的黏附、增殖和分化能力得到明显增强，同时促进了软骨细胞外基质的形成。此外有研究发现在藻酸盐凝胶辅助下种子细胞能持续释放生长因子，促进细胞增殖[9]。虽然有关天然支架材料研究很热，但是其抗原性消除不确定、机械强度较差等问题依然是影响其研究的瓶颈。近年来人们开始逐渐将天然支架材料的优点归并，其中MintzBR等[10]提出混合透明质酸水凝胶/聚(ε-caprolactone)支架促进了细胞外基质的形成，提供了机械良好的软骨组织工程研究的材料。许多专家倾向于天然支架材料复合物的研究，将天然支架材料的缺点消弭，同时通过耦合将它们优点发挥到极致。

2 人工合成支架研究进展

人工合成支架材料有聚乳酸（polylactic acid，PLA）、聚羟基乙酸（polyglycolic acid，PGA）、PLA-PGA复合物[poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA]、聚氧化乙烯、聚乙烯醇、聚环氧乙烯、聚已内酯等，主要包括有机高分子材料和无机高分子材料两类。人工合成支架具有降解时间可调控，来源不受限制，物理机械性能好等优点，国外有人提出一种创新和简易的聚乙烯醇(PVA)/细胞外基质(ECM)支架可以促进软骨再生，Qi Y等[11]认为在兔模型上利用间充质干细胞和聚乳酸-聚羟基乙酸(PLGA)支架能修复软骨缺损。尽管经过诸多研究使得人工合成支架材料生物相容性改善，如使用聚乙烯醇-聚乳酸水凝胶，由于其含水量高适合关节软骨修复，生物相容性相对较好。但其生物相容性终究不如天然支架材料，降解速度难以控制，易引起炎症反应，引起免疫排斥反应后又破坏支架结构等缺陷[12]，因此在人工合成支架材料研究方面，目前研究者大都致力于改善和提高人工合成支架材料的生物相容性研究。

3 复合材料支架

复合材料支架兼有上述二者的优点，虽然复合材料支架不同材料的制取及配比难以把握，但复合材料支架依然是研究热点。国外Almeida HV等[13]提出cartilage-ECM-derived支架能促进软骨形成，收缩率小，可以保留许多合成硫酸黏多糖，这一支架可作为生长因子输送系统用于关节软骨的再生。Lin H等[14]提出VL-photocrosslinked mGL支架是一个有前途的关节软骨细胞修复方法，其中甲基丙烯酸酯胶(mGL)具有可注射性和生物可降解性。有的专家[15]提出使用胶原蛋白/聚乳酸（PLA）复合支架来修复关节软骨的缺损，为软骨组织工程微观结构的分析提供了条件。由此可见复合材料支架均不同程度地改善和提高了支架机械强度、生物可降解性等，其中天然支架材料和人工合成支架材料的选择也多样化，研究者通过不同配比比例，企图实现二者结合后的最优化。甚至出现三者结合的复合材料支架，如Zhu Y等[16]提出胶原蛋白/chitosan-polycaprolactone（CH-PCL）/硫酸软骨素(CS)复合材料支架适用于关节软骨修复。

水凝胶材料可以提供细胞代谢的微环境，尤其双极性类似软骨材料成为又一研究的热点。其中Hong HJ等[17]在兔模型上利用同种异体软骨细胞、纤维蛋白/透明质酸(HA)水凝胶和可降解多孔聚乳酸-聚羟基乙酸(PLGA)支架进行部分气管重建试验，术后6～10周兔子显示无任何呼吸窘迫的迹象。同时，研究者逐渐重视复合材料支架的孔隙，在控制孔隙率、孔隙的形状、孔隙的尺寸等方面研究较多，希望能够制备孔隙完全连通的多孔结构支架。

4 纳米技术支架

纳米技术支架在软骨组织工程上有独特的潜力，尤其碳纳米管表现出内在独特的物理和化学性质，其刺激软骨细胞生长和修复。有的专家[18]提出碳纳米复合材料可以为软骨组织工程支架提供一种改进的刺激软骨细胞生长的基质，可以使支架的结构有良好的力学性能。纳米技术支架虽然支架纤维孔径小，不利于细胞生长，但是可以构造出类细胞外基质的结构和功能[19]，具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等特性。Valiani A等[20]提出一种新型的纳米复合凝胶水溶性碳纳米管和海藻酸，利用三维支架在促进软骨形成的基因表达方面效果明显。

5 仿生材料支架

仿生材料支架结构类似于天然正常人体的关节软骨结构[21]，可以很好地促进损伤软骨修复，保持软骨细胞表型，在软骨组织仿生分层设计、制备工艺以及最优化其生物性能的方面成为了新的研究热点。有学者提出根据需要或者通过利用能够负载活性细胞和治疗药物的可注射凝胶支架材料，构造纳米纤维结构仿生支架等[22]，其具有类细胞外基质结构和功能。Zhu Y等[23]提出分层制造胶原蛋白/Chitosanpolycaprolactone(CH-PCL)支架仿生微体系结构。该支架部分类似于关节软骨细胞外基质成分，多孔微体系结构、含水量和压缩力学性能表明它们在关节软骨修复方面有很大的应用潜力。

6 3D打印技术支架

3D打印技术根据计算机辅助设计利用细胞、生物粘合剂、细胞因子构架复杂组织[24]。

Chen C等[25]提出基于三维印刷技术的软骨修复，使用三维打印技术制造仿生的软骨复合支架。近年来有研究者认为3D打印技术与静电纺丝法结合可以提高复合材料支架的机械性能，加速复合材料支架的降解。因此3D打印技术为寻求理想便捷的复合材料支架提供了新的选择。

7 其他

随着组织工程和其他学科的联系日益密切，在实验和临床上出现了多学科交叉现象，在新的支架材料的开发研究上开辟了新天地。Sharma等[26]提出结合微骨折术，利用具有光反应性的水凝胶材料，来修复损伤的透明软骨。有报道认为损伤软骨下钻孔使用富含血小板plasma-immersed聚合物，植入后有再生软骨形成，明显改善了病人的情况[27]。许多研究者通过不懈努力，旨在提高支架材料的生物性能，有人[28]提出在未来大孔可调支架对软骨缺损修复很有潜力，其可促进软骨细胞播种和扩散。而Filardo G等[29]建议在手术过程中使用纤维蛋白胶用于改善术后早期C-HA支架的稳定性和完整性。由此可见，在治疗关节软骨损伤方面表现出了多元化，相关技术的应用还需不断努力探索。

8 小结与展望

关节软骨支架材料都有各自的优点和缺点，通过利用细胞外基质材料、人工合成材料、仿生材料等构造修复软骨支架材料是当前较热的研究内容之一。随着材料增多和制备工艺发展，需要开发新技术和优化当前的技术，取长补短，更多的为临床服务。随着现代医学技术的发展，在治疗关节软骨损伤方面已取得巨大成就，临床上应根据患者年龄、软骨组织受伤的起源、症状持续时间、病变部位、病灶大小、损伤程度等具体情况，采用最优个体化治疗方案，针对性地选择最有利于病情康复的软骨修复支架材料。复合材料特别是在材料制备的工艺和优化性能组合方面有待进一步深入研究，纳米技术和仿生技术等在关节软骨支架材料的开发应用上前景广阔。

[1] Jin GZ, Kim HW. Porous microcarrier-enabled three-dimensional culture of chondrocytes for cartilage engineering: a feasibility study[J].Tissue Eng Regen Med, 2016, 13(3): 235-241.

[2] Hubka KM, Dahlin RL, Meretoja VV, et al. Enhancing chondrogenic phenotype for cartilage tissue engineering: monoculture and coculture of articular chondrocytes and mesenchyma stem cells[J]. Tissue Eng Part B Rev, 2014, 20(6): 641-654.

[3] Kontturi LS, Jarvinen E, Muhonen V, et al. An injectable, in situ forming type II collagen/ hyaluronic acid hydrogel vehicle for chondrocyte delivery in cartilage tissue engineering[J]. Drug Deliv Trans Res, 2014,4(2):149-158.

[4] Rodrigues MN, Oliveira MB, Costa RR,et al. Chitosan/chondroitin sulfate membranes produced by polyelectrolyte complexation for cartilage engineering[J]. Biomacromolecules, 2016, 7(6): 2178-2188.

[5] Liao J, Shi K, Ding Q, et al. Recent developments in scaffold-guided cartilage tissue regeneration[J]. J Biomed Nanotechnol, 2014, 10(10): 3085-3104.

[6] Rodríguez-Vázquez M,Vega-Ruiz B, Ramos-Zúniga R,et al. Chitosan and its potential use as a scaffold for tissue engineering in regenerative medicine[J]. Biomed Res Int, 2015, 2015(3): 1-15.

[7] Crawford DC, Heveran CM, Cannon WD, et al. An autologous cartilage tissue implant neocart for treatment of grade Ⅲ chondral injury to the distal femur: prospective safety trial at 2 years[J]. Am J Sports Med, 2009, 37(7): 1334-1343.

[8] Correia CR, Moreira-teixeirals, Moroni L, et al. Chitosan scaffolds containing hyaluronic acid for cartilage tissue engineering[J]. Tissue Eng Part C Meth, 2011, 17(7): 717-730.

[9] Florczyk SJ, Leung M, Jana S, et al. Enhanced bone tissue formation by alginate gel-assisted cell seeding in porous ceramic scaffolds and sustained release of growth factor[J]. J Biomed Mater Res A, 2012, 100(12): 3408-3415.

[10] Mintz BR, Cooper JA. Hybrid hyaluronic acid hydrogel/poly(εcaprolactone) scaffold provides mechanically favorable platform for cartilage tissue engineering studies[J]. J Biomed Mater Res A, 2014, 102 (9): 2918-2926.

[11] Qi Y, Du Y, Li W, et al. Cartilage repair using mesenchymal stem cell (MSC) sheet and MSCs-loaded bilayer PLGA scaffold in a rabbit model[J]. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 2014, 22(6): 1424-1433.

[12] Naranda J,Susec M,Maver U, et al. Polyester type PolyHIPE scaffolds with an interconnected porous structure for cartilage regeneration[J]. Sci Rep, 2016, 24(6): 1-11.

[13] Almeida HV, Liu Y, Cunniffe GM, et al. Controlled release of transforming growth factor-β3 from cartilage-extra-cellularmatrix-derived scaffolds to promote chondrogenesis of humanjoint-tissue-derived stem cells[J]. Acta Biomater, 2014, 10 (10): 4400-4409.

[14] Lin H, Cheng AW,Alexander PG,et al. Cartilage tissue engineering application of injectable gelatin hydrogel with in situ visible-lightactivated gelation capability in both air and aqueous solution[J]. Tissue Eng Part A, 2014, 20 (17-18): 2402-2411.

[15] Haaparanta AM, Jarvinen E, Cengiz IF, et al. Preparation and characterization of collagen/PLA, chitosan/PLA, and collagen/ chitosan/PLA hybrid scaffolds for cartilage tissue engineering[J]. J Mater Sci Mater Med, 2014, 25 (4): 1129-1136.

[16] Zhu Y,Wan Y, Zhang J,et al. Manufacture of layered collagen/ chitosan-polycaprolactone scaffolds with biomimetic microarchitecture[J]. Colloids Surf B Biointerfaces, 2014, 11(33): 352-360.

[17] Hong HJ, Chang JW, Park JK, et al. Tracheal reconstruction usingchondrocytes seeded on a poly(L-Lactic-Co-Glycolic Acid)-fbrin/ hyaluronan[J]. J Biomed Mater Res A, 2014,102(11): 4142-4150.

[18] Chahine NO, Collette NM,Thomas CB, et al. Nanocomposite scaffold for chondrocyte growth and cartilage tissue engineering: effects of carbon nanotube surface functionalization[J].Tissue Eng Part A, 2014, 20(17-18): 2305-2315.

[19] Uchida N,Sivaraman S, Amoroso NJ, et al. Nanometer-sized extracellular matrix coating on polymer-based scaffold for tissue engineering applications[J]. J Biomed Mater Res A, 2016, 104(1): 94-103.

[20] Valiani A, Hashemibeni B, Esfandiary E, et al. Study of carbon nano-tubes effects on the chondrogenesis of human adipose derived stem cells in alginate scaffold[J]. Int J Prev Med, 2014, 5(7): 825-834.

[21]Levingstone TJ, Matsiko A, Dickson GR, et al. A biomimetic multilayered collagen-based scaffold?for osteochondral repair[J]. Acta Biomater, 2014, 10(5): 1996-2004.

[22] Shao W, He J, Han Q, et al. A biomimetic multilayer nanofiber fabric fabricated by electrospinning and textile technology from polylactic acid and tussah silk fbroin as a scaffold for bone tissue engineering[J]. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl, 2016, 67(1): 599-610.

[23] Zhu Y,Wu H, Sun S, et al. Designed composites for mimicking compressive mechanical properties of articular cartilage matrix[J]. J Mech Behav Biomed Mater, 2014, 36(8): 32-46.

[24] Wu GH, Hsu SH. Review: polymeric-based 3D printing for tissue engineering[J]. J Med Biol Eng, 2015, 35(3): 285-292.

[25] Chen C, Bang S, Cho Y, et al. Research trends in biomimetic medical materials for tissue engineering: 3D bioprinting, surface modifcation, nano/micro-technology and clinical aspects in tissue engineering of cartilage and bone[J]. Biomater Res, 2016, 20(10): 1-7.

[26] Sharma B, Fermanian S, Gibson M, et al. Human cartilage repair with a photoreactive adhesive-hydrogel composite[J]. Sci Trans Med, 2013, 5(167): 166-167.

[27] Siclari A, Mascaro G, Gentili C, et al. Cartilage repair in the knee with subchondral drilling augmented with a platelet-rich plasmaimmersed polymer-based implant[J]. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc, 2014, 22(6): 1225-1234.

[28] Ng KW, Torzilli PA,Warren RF,et al. Characterization of a macroporous polyvinyl alcohol scaffold for the repair of focal articular cartilage defects[J]. J Tissue Eng Regen Med, 2014, 8(2): 164-168.

[29] Filardo G, Kon E, Perdisa F, et al. Osteochondral scaffold reconstruction for complex knee lesions:a comparative evaluation[J]. Knee, 2013, 20(6): 570-576.

Research Progress of Articular Cartilage Scaffold Materials for Tissue Engineering

【 Writers 】SHAO Hong1, DAI Gang2, LI Yuji2
1 Gansu University of Traditional Chinese Medicine, Lanzhou, 730000
2 Gansu Province of Traditional Chinese Medicine, Lanzhou, 730050

Articular cartilage injury is common in clinical in recent years, due to the trauma or bone disease. There are many methods for the repair of articular cartilage injury currently, but each has its limitations. With the development of nanotechnology and bionic-technology, the scaffold plays an important role with tissue engineering technique in the repair of articular cartilage injury, in which the composite materials are the hot direction of the research and development, the full application of nanotechnology and bionic-technology prospect in the future.

articular cartilage, tissue engineering, scaffold material, nanotechnology, bionic technology

R318.08

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.06.009

1671-7104(2016)06-0425-03

2016-04-11

国家自然科学基金地区项目(31360230)；甘肃省科技重大专项(1203FKDA036)

邵鸿，E-mail: 1871569165@qq.com

戴刚，E-mail: Daigang60@163.com