组织工程人工合成支架在脊髓损伤中的应用

张清政 石 博 庄新明 付长峰

(吉林大学第一医院脊柱外二科，吉林 长春 130021)

脊髓损伤是指一类由外伤或疾病所致的严重中枢神经损害，常表现为损伤支配区域的运动、感觉丧失。近年来，随着交通工具数量的上升、人口老龄化加剧和社会的快速发展等因素，脊髓损伤因其发生率高、致残率高、死亡率高、治疗费用高和发病率正逐年上升等特点已成为世界性的医疗难题〔1〕。相比于周围神经损伤，脊髓损伤的修复更加困难〔2〕：第一，脊髓不能充分提供损伤轴突再生所需的营养物质和微环境〔3〕；第二，在脊髓损伤后，会形成由炎症细胞、星形胶质细胞、髓磷脂、小胶质细胞和坏死细胞碎片等物质构成的神经疤痕，阻碍断裂的轴突两端接触再生〔4〕；第三，不同于外周神经，脊髓没有神经外膜和神经束膜，这也限制了神经的再生。这些因素共同使得脊髓损伤所致的功能丧失往往是持久性的，乃至伴随终生。

目前对于脊髓损伤治疗的研究主要集中在机制研究、生物干细胞治疗、组织工程、基因治疗、药物筛选等方面。其中，组织工程对于脊髓损伤的治疗有着不可替代的优势〔5，6〕。植入的组织工程支架可以起到桥接损伤缺损、阻止胶质疤痕的形成并为从损伤处到远端组织的轴突再生提供接触性引导的作用。同时，理想的支架也可以起到最小化局部炎症反应、抑制细胞凋亡或坏死、变更局部神经化学或呈递神经营养药物到损伤部位的功能〔7〕。无疑，组织工程在神经再生领域大有可为。作为组织工程支架的基础，对支架材料的探索无疑一直是研究热点之一〔8〕。组织工程支架材料大致可分为天然组织工程支架材料和人工合成组织工程支架材料两类〔9〕。相比于天然组织工程支架，人工合成组织工程支架具有机械性质和降解速率可调、原料来源更广泛、更容易根据需要调整空间结构等特点，在神经再生，尤其是脊髓损伤再生方面的研究中有着广泛应用。本综述将总结理想的组织工程人工合成神经支架应具备的性质和在脊髓损伤领域中的主要人工合成支架。

1 组织工程人工合成支架应具备的性质

通常而言，理想的神经支架需具备以下性质：

生物相容性。因支架与周围组织直接接触，支架需具有卓越的生物相容性才能满足神经再生需要。生物相容性低会引起毒性反应和人体的免疫应答，这对于神经再生会导致灾难性的后果。而适宜的生物相容性则可通过调节局部神经化学缩短周围损伤组织的再生时间，以提升神经损伤的修复效果。

可降解性。理想的生物支架应在机体中降解为无害产物，为损伤后的神经再生提供空间，并避免取出支架的二次手术所带来的伤害。生物可降解支架的降解速率应该基于神经再生速率进行谨慎调节，支架的过快降解不能为神经损伤起到足够的支持效果，同时，过低的降解速率也会阻碍损伤的再生重构〔10～12〕。

适宜的机械性质。支架的机械性质，例如强度、拉伸性和柔韧性等应与缺损神经和宿主组织接近。组织工程产物需承受周围组织所带来的重复压缩力作用而不产生明显形变，另一方面，支架应具备适宜的柔韧度以适应人体的移动，避免位置不正带来的物理损伤。目前，诸如化学交联、复合材料混合或电纺丝技术等多种方法已被应用于组织工程领域，以提升支架的机械性质〔13〕。

立体三维结构。理想化的神经支架也应该具有三维空间架构来促进伤口愈合，并为细胞在组织工程支架表面的吸附提供空间。此外，三维多孔结构可模拟神经细胞外基质的作用，促进细胞连通，这对细胞的存活和生长意义重大〔14〕。

可充当药物载体。理想的神经支架可起到药物呈递的作用。生物活性分子，例如抗炎性药物、抑制剂和神经营养因子等，可由支架的呈递取得最佳治疗效果。同时，组织工程支架可实现被呈递药物的长期和可控释放，以满足神经再生的需要。

2 人工合成支架在脊髓损伤治疗方面的应用

2.1可降解组织工程支架 生物可降解高分子材料因其生物降解性和可调节的机械性质在神经再生领域中扮演者重要角色。目前在神经再生领域，对于生物可降解支架的研究主要集中于聚己内酯(PCL)、聚乳酸-聚羟基乙酸(PLGA)、聚乳酸(PLA)和聚乙二醇(PEG)。

PCL是一种理想的脂肪族高分子材料，具有良好的生物相容性、生物降解性、温度稳定性、化学稳定性和优秀的机械性能，现应用于许多医学和生物学研究中〔15〕。研究表明，PCL有着促进轴突再生的髓鞘化过程的作用，这对于神经再生有着重要意义〔16〕。例如，Silva等人制备了基于PCL和淀粉的3D神经支架，将其应用于T8-T9半切脊髓损伤Wistar大鼠模型的治疗〔17〕。相比于对照组，移植了神经支架的大鼠在运动功能评估、平衡能力检测和组织学评估等方面均表现出明显提升。这证实了PCL支架对于脊髓损伤大鼠的运动功能具有显著改善作用。

PLGA是乳酸和乙醇酸单体通过共聚作用形成的聚合产物。PLGA的降解速率可以通过改变聚乳酸和乙醇酸的比例得到精确调节。通过调节这一比例，也可以实现对其物理和化学性质的调整，例如形变、弯曲度、膨胀性和渗透性等，这一特点使得PLGA成为了组织工程支架的理想材料〔18，19〕。同时，PLGA支架亦可作为药物和细胞载体，广泛应用于医药领域〔20～23〕。在脊髓损伤治疗领域，PLGA有着诸多应用〔24〕。例如，Kim等〔25〕人将神经干细胞种植在PLGA支架中，并将其移植到犬类脊髓损伤模型损伤处。结果显示，这一复合PLGA支架可起到桥接组织缺损、提升神经元功能并最终改善其运动功能的作用。史廷春等人通过低温快速成形工艺制得了多孔PLGA支架，并在其上种植雪旺细胞，以制得PLGA-SC复合支架。将该支架应用于脊髓损伤大鼠的治疗后，BBB评分和形态学观察均证实了其对于脊髓损伤治疗的促进效果〔23〕。

PLA是在机体中有着广泛分布的乳酸聚合产物，可以从生物来源简便获得。在医药领域中，PLA有着独到优势，例如降解产物无毒性、无刺激性、良好的可塑性和卓越的生物相容性等，这使得PLA成为组织工程支架的理想材料〔26～29〕。同时，细胞实验和动物实验也证实PLA及其代谢产物对雪旺细胞、神经元和脊髓组织有着良好的生物适性。因此，PLA是充当神经再生中细胞载体的理想材料〔30〕。例如，Andres等人制备了种植有NSCs的PLA复合支架，并在动物实验中证实该支架可有效促进轴突再生和功能康复〔31，32〕。这一研究充分证实了PLA在脊髓损伤治疗领域的独到作用。

PEG是一种有着抗脂质过氧化作用的水溶性高分子，可抑制神经组损伤组织中的活性氧自由基增多。这使得PEG成为神经组织工程的绝佳材料〔33〕。此外，PEG可以作为诱导剂诱导其他大分子进行聚合反应，为组织工程的材料选择增添更多可能〔34〕。Papastefanaki等人制备了功能化的PEG与40nm金纳米粒子的复合支架，并证实在脊髓损伤的早期阶段植入该支架可有效促进脊髓损伤的治疗〔35〕。

2.2不可降解组织工程支架材料 如前所述，非降解性高分子材料并不是组织工程支架的理想材料，在完成神经再生结束后需要进行手术取出，同时也有阻碍轴突从损伤近端长入远端的风险。但非降解性高分子材料亦有着机械强度高、可稳固桥接损伤组织、无毒性降解产物等优势。丙烯酸高分子是非降解性高分子材料的代表，包括聚甲基丙烯酸-2-羟乙酯(PHEMA)、聚羟丙甲丙烯酸甲酯(PHPMA)和聚丙烯腈/聚氯乙烯(PAN/PVC)等〔36，37〕。近来，Kubinova等〔38〕制备了氨基酸重构的PHEMA水凝胶。该水凝胶具有多孔结构，并具有脊髓损伤修复所需的机械性质，有望成为未来临床脊髓损伤治疗的方案之一。

2.3电导性材料 电导性材料(CPs)是一类电活性高分子的总称，可将电机械信号或电化学信号传导到细胞或组织中。在这一领域，聚吡咯(PPy)、聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)和聚苯胺(PANi)是其典型代表〔39，40〕。CPs可将电刺激集中到高分子材料周围组织中，以之精确调控神经相关细胞的再生。同时，CPs的机械性能可以通过混入不同的离子来改变，以满足神经再生的需要。例如，丁建勋等人制备了基于PEG诱发的氨基酸聚合物和苯胺四聚体构成的复合支架，并搭载有神经营养因子等药物〔41〕。该支架可显著促进脊髓损伤半切大鼠模型的神经再生和功能恢复。虽然对于CPs的研究尚处于初级阶段，但电活性神经支架和电刺激的协同治疗或可为神经再生治疗带来光明前景。

3 总结与展望

脊髓损伤是一种严重的中枢神经损害，因其发病率逐年上升、修复困难等特点而受到越来越多的关注。组织工程支架对于脊髓损伤的治疗有着不可替代的作用，而人工合成支架因其独到优势而备受瞩目。合格的人工合成支架应具备生物相容性、可降解性、适宜的三维结构、可充当药物载体等性质。生物可降解高分子材料因其生物降解性和可调节的机械性质在神经再生领域中扮演者重要角色；不可降解高分子材料虽缺点明显，但亦有特点；电导性材料方兴未艾，或成为未来人工合成支架的发展方向。

未来，人工合成支架在脊髓损伤方面的研究将集中于以下三个方面。一是对材料方面的探索，发掘更多可用于人工合成支架的材料；二是对现有材料进行工艺上的更新，如电纺丝化、赋予更多的3D构型等；三是将现有材料与药物治疗、干细胞治疗、电刺激治疗等治疗结合起来，以人工合成支架为核心进行复合治疗，以提升对脊髓损伤治疗的效果。

人工合成支架的研究尚处于探索阶段，还存在着诸多问题，如材料组织相容性及可降解性尚需进一步加强、支架三维结构尚无法满足脊髓灰白质等组织结构再生需要等〔42〕。但相信，随着对人工合成支架的不断探索和进步，必将为临床脊髓损伤的治疗开辟新的篇章。

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