软骨组织工程支架材料研究进展
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# $ 总量、凝胶化温度或降低藻酸盐溶液浓度可以加快凝胶 # $ 总量、藻酸盐溶液浓度
・# B 7・
软骨细胞复合物培养 % 中能保持活力。凝胶 S # 周后有透明软 骨样组织形成，显示 ’ J G ’ K K 3 接枝明胶可以作为软骨基质 材料。 蚕丝作为天然成品材料，具有良好的组织相容性，避免 了其它天然材料需要进一步加工的缺点，且来源丰富，价格 便宜。将蚕丝经胰蛋白酶消化和 ’ T K 包埋制成三维支架、接 种软骨细胞后进行体外培养的实验表明，蚕丝对软骨细胞具
［ ］ & * 中分布更为均匀，且不受材料厚度的影响 ；另外，以水凝
聚乙烯醇（; ? %）溶液浸泡处理，使支架内外表面为 ; ? %所
［ ］ + 包被，也可以达到改善亲水性的目的 。由于合成材料表面
没有天然材料所具有的特定的细胞识别信号，有学者想到用 细胞基质成份对其进行修饰。纤维结合素（ ， @ 2 A B : 7 C 9 D 2 7 E F） 是细胞基质中的一种粘附蛋白，精氨酸 ) 甘氨酸 ) 天冬氨酸 （% ，! B . < 3 . % I < K）三肽是多种粘附蛋白的功能区，两者 G H J 可与细胞表面的整合素受体结合，在细胞粘附、增殖等方面
［ ］ % B 中得到应用。王常勇等 以’ @ A 泡沫材料作为支架接种软
维打印（ ）技术制备双层支架，上层以 ’ ／ 7 Z ’ T * K ’ T K 复合 的软骨层支架具有高孔隙率（ F I R）和纵横交错的通道，有 利于软骨细胞均匀分布和物质交换；下层以 ’ ／ T * K U ! ’复合 的骨层支架呈四叶苜蓿形，具有抗扭曲应力的作用，而 N N R 的孔隙率兼顾了支架强度和组织长入。由于两层在组成结构 上不同，在造孔 剂 析 出 过 程 中 因 收 缩 程 度 不 同 会 出 现“分 层”现象。利用7 Z ’技术在两层之间设计出在材料组成和孔 隙率、孔径等方面逐渐移行的过渡区，则可以避免分层的发 生；用7 Z ’技术将纳米生物活性玻璃颗粒与胶原复合，模拟 骨基质三维结构特点制备的多孔支架也已在国内的骨组织工
［ ］ # % 有良好的吸附性，能维持软骨细胞正常的形态和功能 。
化过程；而减慢固化速度、提高 ! "
以及使用分子量较高或古罗糖醛酸比重较高的藻酸盐，则有
［ ］ % & 利于增强其力学性质 。对纤维蛋白水凝胶的研究表明，提
高胶化前纤维蛋白原的浓度，或者在水凝胶中加入一定量的 抑肽酶，可以减慢其降解速度；而降低水凝胶中凝血酶的浓 度则可延长固化时间以适应操作需要。 相对而言，合成水凝胶较易通过改变交联密度而获得强 度和降解速度不一的凝胶，因此具有较好的可控性。目前常 用的合成水凝胶有 ’ 、聚氧乙烯聚氧 ( )、聚乙二醇（’ ( *） 丙烯共聚物（’ ）等。2 + , . / 0 1 0 3 4等将软骨细胞混悬于 ’ ( ) 水凝胶中注入裸鼠皮下形成软骨组织，证实 ’ ( ) 具有良好的 生物相容性和可降解性。’ ( ) 粘附丙烯酸盐配体后，可转变 为光敏聚合物，容易控制其凝胶化过程，且凝胶的机械强度
［ ］ 相似的特点，L 5 2等 ( 用壳聚糖 对 ; = = % 膜 进 行 表 面 改 性，
文献标识码 %
关节软骨损伤是骨科常见疾病，现阶段在临床上比较有 效的治疗手段是移植治疗。由于异体软骨易被受体吸收或排 斥，而自体软骨取材受限，关节软骨的移植治疗受到很大限 制。因此，以生物材料作为细胞生长的三维支架，利用组织 工程技术生产用于移植治疗的软骨组织成为当前研究的重 点。组织工程研究内容主要有种子细胞、支架材料以及生长 因子。其中，理想的支架是组织工程成功的关键。 目前，常用于软骨组织工程的支架材料主要有两类，即 合成高分子材料，如聚羟基乙酸（; 、聚乳酸（; < %） = %）和 两者的共聚物（; = < %）以及聚氧化乙烯（; / >）等；天然高 分子材料，如胶原、壳聚糖、藻酸盐、透明质酸、纤维蛋白 以及琼脂糖等。它们按形态可分为预制成形的三维多孔支架 和水凝胶材料。当前软骨组织工程支架材料的研究内容主要 有以下几方面： & 材料的表面改性及复合材料的研究 天然高分子材料如胶原、透明质酸等 是 软 骨 的 基 质 成 份，壳聚糖则与软骨基质糖氨多糖（< % <）结构相似，因此 具有较好的亲水性和细胞粘附能力。与之相比，聚酯类材料 在这些方面不甚理想，众多研究通过表面改性的方法加以改 进。如采用等离子体处理，使材料表面带有正电荷及含氮基 团，其亲水性和表面能以及对细胞的粘附能力都有明显提
控制凝胶化过程，进而影响凝胶结构的一致性和力学强度。 利用 L 1 L > 1 L > 1 M > , 水 溶 性 小 的 特 点，以 L , 代替 L * 提供
+ N ，或者调整两者的比例，则可以减慢凝胶化过程，从而 L 1
、 ， ， 、 中国矫形外科杂志 # I I V年#月第% #卷第7 V期 ) > : . [! : 0 / \ . + L % # J . L 7 V6 ? = , " I I V 8 9# 获得结构均一和机械强度较好的藻酸盐凝胶；另外，提 高 ! "
［ ］ & 高，有利于细胞渗入支架内部 ；或者经亲水性的聚合物如
即在 ; = = % 发生溶胀和退溶胀的过程中将壳聚糖固定于膜表 面；或是将水解后形成羧基的 ; = = % 与含有氨基的壳聚糖进 行偶联。经这两种方法改性后，原本光滑的膜表面变 得 粗 糙，有皱褶或网眼产生，有利于软骨细胞粘附、增殖和基质 合成。 除了表面改性外，将合成或天然材料复合也是提高材料
［ ］ # N 程中得到应用 。X ’ 技术除了可以制备多孔支架外，还可 ［ ］ # & 以制备琼脂和纤维蛋白等水凝胶材料 ，因此在软骨组织工
骨细胞进行体外培养，细胞在材料上保持正常形态并分泌软 骨特有基质成份，植入兔背部皮下% #周，材料吸收明显并有 新生软骨形成。’ @ A 作为支架的一个不足是其脆性较大、力 学强度欠佳，以韧性和强度更好的聚（羟基丁酸 C 己酸酯） （’ @ A @ @ @ A 以不同比例复合可以提高后者的机械性 D）与 ’ 能，并能促进软骨细胞增殖及基质合成，当 ’ ／ @ A ’ @ A @ @ D
［ ］ ［ ］ ［ ］ 性能的重要方法。如 ; / >" 、; ? %$ 或胶原 # 、纤维蛋白凝 ［ ］ 等具有良好的亲水性和细胞相容性，与聚酯复合可以改 胶
善后者的亲水性、促进软骨细胞及基质的均匀分布以及 < % < 的合成，; = < % 也能增强胶原的机械强度，避免其形变。硫
［ ］ ［ ］ & ’ & & 酸软骨素与"型胶原 或壳聚糖 复合则能模拟软骨基质
［ ］ ［ ］ 起着重要作用。将 E F, 和 ! < K 三Baidu Nhomakorabea * 引入材料表面可以增
胶运载软骨细胞到多孔支架上也有利于细胞和基质的均匀分
［ ］ & ( 布，凝胶化后可以减少细胞从多孔支架的逸出 ，因此水凝
胶类材料在修复软骨缺损中具有独特的优势。 常用的天然水凝胶有藻酸盐、纤维蛋白、壳聚糖、透明 质酸等，这类材料具有较好的组织相容性和降解性，但凝胶 化过程的可控性和机械强度相对较差。如以 L 1 L 3 1 M > +或L *
富含 < % < 的环境，有利于软骨细胞保持表型以及增殖和基 质合成。另外，藻酸盐为非细胞基质成分，在藻酸盐水凝胶
［ ］ ［ ］ & + & , 中加入适量透明质酸 或纤维蛋白 可以提高藻酸盐的生
物相容性。 + 水凝胶在软骨组织工程中的应用 水凝胶是一类在水中溶涨并保持大量水份而又不溶解的 聚合物，通过改变温度、酸碱度、经紫外线照射或者加入交 联剂等方法，可使水凝胶由液态转变为固态并可任意塑形。 利用这一特点，以水凝胶负载软骨细胞通过关节镜注入软骨 缺损区并在原位凝胶化，可以最小限度的减少创伤，符合现 代微创手术的要求，且不受软骨缺损形状、大小和深度的限 制；与预制成形的多孔支架相比，软骨细胞和基质在水凝胶
［ ］ % 5 更好。翟喜成等 以
除上述合成或天然高分子材料外，近年来无机材料作为 软骨细胞支架 的 研 究 也 逐 步 展 开。如 ! 磷 酸 三 钙（! S S U ! ’） 多孔陶瓷具有较好的生物相容性和机械强度，体内完全降解 需V个月左右，以该材料作为支架接种软骨细胞后植入裸鼠 体内，培育出具有三维立体形态及组织学特征良好的软骨组
［V ］ 外形、孔径、孔隙率以及孔的分布。如 2 以三 : ? P . . ;等 #
’ + , . / 0 1 6 % # 5负载软骨细胞注入兔髌骨
关节面软骨缺损区，其降解速度与软骨再生速度基本一致， 且没有明显的免疫原性和抗原性， % #周后材料完全吸收并有 新生软骨形成，表明 ’ + , . / 0 16 % # 5 是一种较为理 想 的 水 凝 胶。 7 探索新的软骨组织工程支架材料 目前常用的聚酯材料对组织来说是种异物，植入体内可 能引起不同程度的炎症反应，且来源靠进口，价格昂贵，使 其应用受到了一定限制；天然材料在制备支架过程中的可控 性较差，易出现性能和结构的变化，因此有必要寻找性能更 优的支架材料。 聚羟基丁酸酯（8 ， . + : ; . < = , > " > ? ’ @ A）是原核微生 9 9 9 9 物在碳、氮营养失衡的情况下，作为碳源和能量储存而合成 的热塑性聚酯。与其它天然高分子比较，’ @ A 具有良好的机 械性能，与合成可降解聚酯相比，又有较好的组织相容性， 而且它由生物合成，不带有化工原料合成可能产生的对人体 有害的一些副产品，因此近年来作为一种新材料在组织工程
［ ］ ［7 ］ # # 织 ；W 则将软骨细胞接种到多磷酸钙多孔支 " + ; 3 " /等 #
架进行体外培养， B 周后有透明软骨样组织形成。但无机材 料尚存在着脆性大、精确塑型较为困难等问题，与韧性更好 的合成或天然聚合物复合有可能予以改进。 ， ）技术在支架制备中的应用 V 快速成形（ " 0 ; . > . > 0 / X ’ 8 8 9 8 O ， ）是 X ’或自由实体造型（ 4 . + 0 ; Y ? ? Y . 3Y " = 0 1 " > 0 . / 2 6 6 上世纪B I年代中期发展起来的一种造型新技术，已在机械制 造领域得到广泛应用，与材料加工技术结合后其应用领域扩 大到支架的制备。X ’ 技术基本成型原理为“分层制造、逐 层叠加” ，即将计算机辅助设计（! K Z）为基础设计出来的三 维实体模型数据分为层片模型数据，根据这些数据，利用特 定的材料一个薄层一个薄层地创建出实体，每一个薄层都贴 合粘结到前一个薄层上，直至完成整个实体的创建。目 前 X ’技术的成形方法主要有立体光刻、分层实体制造、选择 性激光烧结、溶融沉积成型、三维打印、立体喷墨印刷以及 三维绘图等。与传统制备支架的方法如溶剂浇铸 ／ 粒子析出 法、相分离法、气体发泡法和冷冻干燥法等相比，X ’ 技术 的优势在于可以根据要求和材料特点，精确控制支架的几何
・+ # +・
、 ， ， 、 中国矫形外科杂志 + ’ ’ *年+月第& +卷第, *期 > B D O : PL O 2 7 ? : 3 8 & + F : 8 , *E C A B 5 1 B ’ ’ * J H+
・ 综
述 ・
软骨组织工程支架材料研究进展
吴 中图分类号 ! " # $ 俊 综述 孙俊英 审校 文章编号 & （ ） 、 ’ ’ ( ) # * $ # + ’ ’ * ’ , ’ * ) ’ + # + ) ’ , 胞长入支架内部。利用壳聚糖与 < % < 在结构和生物活性上
+ N ，会因凝胶化速度太快而难以 提供藻酸盐凝胶化所需的 L 1
强对软骨细胞的粘附能力，并在类似“趋化”作用下促进细
作者单位： 苏州大学附属第一医院骨科， + & ( ’ ’ " 作者简介： 吴俊 （ ） ， 男， 江苏常州人， 住院医师， 医学硕士。研究 & $ ( . 方向： 骨与软骨组织工程。电话： （ ） ， ： ’ ( & + " ( + + , " , $ . # + * / . 0 1 2 3 4 5 5 7 + + , ! & " , 8 9 : 0 6
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软骨细胞复合物培养 % 中能保持活力。凝胶 S # 周后有透明软 骨样组织形成，显示 ’ J G ’ K K 3 接枝明胶可以作为软骨基质 材料。 蚕丝作为天然成品材料，具有良好的组织相容性，避免 了其它天然材料需要进一步加工的缺点，且来源丰富，价格 便宜。将蚕丝经胰蛋白酶消化和 ’ T K 包埋制成三维支架、接 种软骨细胞后进行体外培养的实验表明，蚕丝对软骨细胞具
［ ］ & * 中分布更为均匀，且不受材料厚度的影响 ；另外，以水凝
聚乙烯醇（; ? %）溶液浸泡处理，使支架内外表面为 ; ? %所
［ ］ + 包被，也可以达到改善亲水性的目的 。由于合成材料表面
没有天然材料所具有的特定的细胞识别信号，有学者想到用 细胞基质成份对其进行修饰。纤维结合素（ ， @ 2 A B : 7 C 9 D 2 7 E F） 是细胞基质中的一种粘附蛋白，精氨酸 ) 甘氨酸 ) 天冬氨酸 （% ，! B . < 3 . % I < K）三肽是多种粘附蛋白的功能区，两者 G H J 可与细胞表面的整合素受体结合，在细胞粘附、增殖等方面
［ ］ % B 中得到应用。王常勇等 以’ @ A 泡沫材料作为支架接种软
维打印（ ）技术制备双层支架，上层以 ’ ／ 7 Z ’ T * K ’ T K 复合 的软骨层支架具有高孔隙率（ F I R）和纵横交错的通道，有 利于软骨细胞均匀分布和物质交换；下层以 ’ ／ T * K U ! ’复合 的骨层支架呈四叶苜蓿形，具有抗扭曲应力的作用，而 N N R 的孔隙率兼顾了支架强度和组织长入。由于两层在组成结构 上不同，在造孔 剂 析 出 过 程 中 因 收 缩 程 度 不 同 会 出 现“分 层”现象。利用7 Z ’技术在两层之间设计出在材料组成和孔 隙率、孔径等方面逐渐移行的过渡区，则可以避免分层的发 生；用7 Z ’技术将纳米生物活性玻璃颗粒与胶原复合，模拟 骨基质三维结构特点制备的多孔支架也已在国内的骨组织工
［ ］ # % 有良好的吸附性，能维持软骨细胞正常的形态和功能 。
化过程；而减慢固化速度、提高 ! "
以及使用分子量较高或古罗糖醛酸比重较高的藻酸盐，则有
［ ］ % & 利于增强其力学性质 。对纤维蛋白水凝胶的研究表明，提
高胶化前纤维蛋白原的浓度，或者在水凝胶中加入一定量的 抑肽酶，可以减慢其降解速度；而降低水凝胶中凝血酶的浓 度则可延长固化时间以适应操作需要。 相对而言，合成水凝胶较易通过改变交联密度而获得强 度和降解速度不一的凝胶，因此具有较好的可控性。目前常 用的合成水凝胶有 ’ 、聚氧乙烯聚氧 ( )、聚乙二醇（’ ( *） 丙烯共聚物（’ ）等。2 + , . / 0 1 0 3 4等将软骨细胞混悬于 ’ ( ) 水凝胶中注入裸鼠皮下形成软骨组织，证实 ’ ( ) 具有良好的 生物相容性和可降解性。’ ( ) 粘附丙烯酸盐配体后，可转变 为光敏聚合物，容易控制其凝胶化过程，且凝胶的机械强度
［ ］ 相似的特点，L 5 2等 ( 用壳聚糖 对 ; = = % 膜 进 行 表 面 改 性，
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关节软骨损伤是骨科常见疾病，现阶段在临床上比较有 效的治疗手段是移植治疗。由于异体软骨易被受体吸收或排 斥，而自体软骨取材受限，关节软骨的移植治疗受到很大限 制。因此，以生物材料作为细胞生长的三维支架，利用组织 工程技术生产用于移植治疗的软骨组织成为当前研究的重 点。组织工程研究内容主要有种子细胞、支架材料以及生长 因子。其中，理想的支架是组织工程成功的关键。 目前，常用于软骨组织工程的支架材料主要有两类，即 合成高分子材料，如聚羟基乙酸（; 、聚乳酸（; < %） = %）和 两者的共聚物（; = < %）以及聚氧化乙烯（; / >）等；天然高 分子材料，如胶原、壳聚糖、藻酸盐、透明质酸、纤维蛋白 以及琼脂糖等。它们按形态可分为预制成形的三维多孔支架 和水凝胶材料。当前软骨组织工程支架材料的研究内容主要 有以下几方面： & 材料的表面改性及复合材料的研究 天然高分子材料如胶原、透明质酸等 是 软 骨 的 基 质 成 份，壳聚糖则与软骨基质糖氨多糖（< % <）结构相似，因此 具有较好的亲水性和细胞粘附能力。与之相比，聚酯类材料 在这些方面不甚理想，众多研究通过表面改性的方法加以改 进。如采用等离子体处理，使材料表面带有正电荷及含氮基 团，其亲水性和表面能以及对细胞的粘附能力都有明显提
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［ ］ # N 程中得到应用 。X ’ 技术除了可以制备多孔支架外，还可 ［ ］ # & 以制备琼脂和纤维蛋白等水凝胶材料 ，因此在软骨组织工
骨细胞进行体外培养，细胞在材料上保持正常形态并分泌软 骨特有基质成份，植入兔背部皮下% #周，材料吸收明显并有 新生软骨形成。’ @ A 作为支架的一个不足是其脆性较大、力 学强度欠佳，以韧性和强度更好的聚（羟基丁酸 C 己酸酯） （’ @ A @ @ @ A 以不同比例复合可以提高后者的机械性 D）与 ’ 能，并能促进软骨细胞增殖及基质合成，当 ’ ／ @ A ’ @ A @ @ D
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软骨组织工程支架材料研究进展
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作者单位： 苏州大学附属第一医院骨科， + & ( ’ ’ " 作者简介： 吴俊 （ ） ， 男， 江苏常州人， 住院医师， 医学硕士。研究 & $ ( . 方向： 骨与软骨组织工程。电话： （ ） ， ： ’ ( & + " ( + + , " , $ . # + * / . 0 1 2 3 4 5 5 7 + + , ! & " , 8 9 : 0 6