2022年构建组织工程软骨支架材料：现状及未来

1、构建组织工程软骨支架材料：现状及未来周 勇1，2，3，朱伟民2，3，彭亮权2，3，王大明3，刘 威3，徐 晓2，王大平1，2，3 (1广州医科大学，广东省广州市 510182；2深圳市第二人民医院运动医学科，广东省深圳市 518035；3深圳市组织工程重点实验室，广东省深圳市 518035)引用本文：周勇，朱伟民，彭亮权，王大明，刘威，徐晓，王大平. 构建组织工程软骨支架材料：现状及未来J.中国组织工程研究，2021，21(10):1604-1610.DOI:10.3969/j.i7.10.021 ORCID: 0000-0002-5214-5610(王大平)文章快速阅读：组织工程软骨中支架材

2、料的研究与进展临床应用的意义：通过模仿全层骨与软骨构造，来制备多层具有成骨和成软骨的支架，其显示出良好的物理性能及力学强度，以及原位骨与软骨组织的相互作用，并且这种支架显著增强细胞的黏附、增殖。由粗放到精细对软骨构造准确模拟，这也许是未来软骨组织工程支架研究的一个方向。文章增加的新信息：将不同来源的材料按照不同比例进展复合，扬长避短，能构成力学性能良好、高孔隙率、相容性好、降解性能佳的支架材料。但目前软骨组织工程支架材料的研究仍存在一些问题亟待解决，例如人工材料的毒性，怎样尽量微创的进展支架置入手术，怎样有效解决支架材料降解速率过快，怎样抑制细胞的过度生长等。此问题的信息：(1)组织工程支架的

3、作用是为种子细胞相互作用提供平台；(2)充当细胞外基质；(3)为新成立的组织提供构造支撑。目前研究报道的组织工程支架材料大致可分为天然高分子材料、人工合成的支架材料、复合支架材料、纳米支架材料等。支架材料来源种类繁多，制作工艺也不尽一样，目前为止尚未有学者研究出最理想的支架材料，总是存在一些缺乏。周勇，男，1988年生，江苏省泰州市人，汉族，广州医科大学在读硕士，主要从事运动医学、骨与软骨损伤修复研究。通讯 王大平，主任医师，博士生导师，深圳市第二人民医院运动医学科，广东省深圳市518035 中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:2095-4344(2021)10-01604-07稿件承

4、受：2016-11-23Zhou Yong, Studying for masters degree, Guangzhou Medical University, Guangzhou 510182, Guangdong Province, China; Department of Sports Medicine, the Second Peoples Hospital of Shenzhen, Shenzhen 518035, Guangdong Province, China; Shenzhen Key Laboratory of Tissue Engineering, Shenzhen 5

5、18035, Guangdong Province, ChinaCorresponding author: Wang Da-ping, Chief physician, Doctoral supervisor, Guangzhou Medical University, Guangzhou 510182, Guangdong Province, China; Department of Sports Medicine, the Second Peoples Hospital of Shenzhen, Shenzhen 518035, Guangdong Province, China; She

6、nzhen Key Laboratory of Tissue Engineering, Shenzhen 518035, Guangdong Province, China文题释义：软骨组织工程：主要分为3个方面：种子细胞、支架材料、细胞因子，其中支架材料扮演了重要角色。也有少数学者提出可不用支架材料，直接将细胞放置于软骨缺损处，但尚未被大家认可。组织工程支架的作用是为种子细胞相互作用提供平台，充当细胞外基质，并且为新成立的组织提供构造支撑。人工合成支架材料：是指应用物理化学等方法合成的可替代细胞外基质的高分子聚合物，主要优点为材料来源不受限制，可根据需要对其化学、物理及生物学性能进展调控。但

7、人工合成材料的组织相容性较天然支架材料差。摘要背景：众所周知，组织工程修复软骨损伤有种子细胞、支架材料、细胞因子3个要素，支架材料在软骨组织工程制备中发挥着重要作用。目的：检索近十年来国内外关于软骨组织工程支架材料的相关文献，并对其进展归纳总结，讨论支架材料开展遇到的问题及开展方向。方法：由第一作者检索2006至2021年PubMed数据库及CNKI数据库文献，英文检索词为“cartilage tissue engineering, natural scaffold materials，synthetic scaffold materials, composite scaffolds，nano

8、meter materials，中文检索词为“软骨组织工程，天然支架材料，人工合成支架材料，复合支架材料，纳米支架。结果与结论：软骨组织工程支架材料来源与种类不一，天然材料、人工材料及纳米材料有各自的优点及缺点，任何单一的材料难以满足临床上对软骨的要求，将不同来源的材料按照不同比例进展复合，扬长避短，能构成力学性能良好、高孔隙率、相容性好、降解性能佳的支架材料。但目前仍存在支架材料降解过快、细胞过度生长等问题，目前相关研究大都样本量较小，缺乏长期跟踪随访，并且人体试验相对较少。关键词：生物材料；软骨生物材料；天然高分子材料；人工合成材料；复合支架材料；纳米材料主题词：软骨；组织支架；组织工程基

9、金资助：深圳市科技方案工程().Tissue-engineered cartilage scaffold materials: present and future Zhou Yong1, 2, 3, Zhu Wei-min2, 3, Peng Liang-quan2, 3, Wang Da-ming3, Liu Wei3, Xu Xiao2, Wang Da-ping1, 2, 3 (1Guangzhou Medical University, Guangzhou 510182, Guangdong Province, China; 2Department of Sports Medicin

10、e, the Second Peoples Hospital of Shenzhen, Shenzhen 518035, Guangdong Province, China; 3Shenzhen Key Laboratory of Tissue Engineering, Shenzhen 518035, Guangdong Province, China)AbstractBACKGROUND: As is known to all, cartilage tissue engineering has three elements, seed cells, scaffold materials,

11、and cytokines. Scaffold materials play an important role in cartilage tissue engineering.OBJECTIVE: To search and review the literatures about tissue-engineered cartilage scaffold materials in the last decade, and to discuss problems and the development direction of the scaffolds.METHODS: A computer

12、-based search of relevant articles published from 2006 to 2021 was conducted in PubMed and CNKI using the key words of “cartilage tissue engineering, natural scaffold materials, synthetic scaffold materials, composite scaffolds, nanometer materials" in English and Chinese, respectively. RESULTS

13、 AND CONCLUSION: Scaffold materials in cartilage tissue engineering have different sources and kinds. Natural materials, synthetic materials and nanometer materials have their own advantages and disadvantages. Any single material is difficult to meet the clinical requirements of the cartilage. Mater

14、ial compounds with different proportions can be used to prepare scaffolds with good mechanical properties, high porosity, good compatibility and degradation. But there are still some problems, such as excessive speed of scaffold degradation and excessive cell growth. The current research is in in vi

15、tro experimental stage mostly, and the application in clinic has not been enforced yet due to small size and lack of a long-term follow up. Subject headings: Cartilage; Tissue Scaffolds; Tissue EngineeringFunding: the Scientific Plan Project of Shenzhen CityCite this article: Zhou Y, Zhu WM, Peng LQ

16、, Wang DM, Liu W, Xu X, Wang DP. Tissue-engineered cartilage scaffold materials: present and future. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2021;21(10):1604-1610.0 引言 Introduction 随着全民运动的普及，临床上关节软骨损伤越来越常见。中国每年有数百万的人遭受不同程度的软骨损伤。由于软骨自身特点，其修复能力较差。传统的治疗有微骨折手术、马赛克手术，但效果不佳1。现在，软骨组织工程技术的出现为软骨修复提供了新的治疗选择。软骨组织工程主要

17、分为3个方面2：种子细胞、支架材料、细胞因子，其中支架材料扮演了重要角色。也有少数学者提出可不用支架材料，直接将细胞放置于软骨缺损处3，但尚未被大家认可。组织工程支架的作用是为种子细胞相互作用提供平台，充当细胞外基质，并且为新成立的组织提供构造支撑。正因为如此，理想的支架材料应该具备以下特性：无免疫源性、无毒、生物相容性好、孔隙率高、可降解性、适宜的降解速度和容易制造等4。目前研究报道的组织工程支架材料大致可分为天然高分子材料、人工合成的支架材料、复合支架材料、纳米支架材料等5。支架材料来源种类繁多，制作工艺也不尽一样，目前为止尚未有学者研究出最理想的支架材料，总是存在一些缺乏。笔者通过阅读近

18、十年国内外有关组织工程支架材料研究的文献，对其进展归纳总结，旨在找出目前的研究趋势及相关进展，并提出自己的一些观点。1 资料和方法 Data and methods1.1 资料来源 由第一作者检索2006至2021年PubMed数据库及CNKI数据库文献，英文检索词为“cartilage tissue engineering, natural scaffold materials，synthetic scaffold materials, composite scaffolds，nanometer materials，中文检索词为“软骨组织工程，天然支架材料，人工合成支架材料，复合支架材料，纳

19、米支架。1.2 资料筛选及评价纳入标准：选择内容与软骨缺损、支架材料、软骨组织工程等相关的文章；发表在国内外核心期刊上的文章；以近3年文章为主。排除标准：重复性研究。1.3 质量评估 共检索到文献271篇，其中中文文献28篇，英文文献243篇，排除与研究目的相关性差及内容陈旧重复的文献，最终纳入42篇。2 结果 Results 2.1 天然高分子材料 目前许多天然高分子已被用于软骨修复。其中一些材料，如胶原、透明质酸及纤维蛋白等已用于临床。现用于软骨损伤修复研究的天然高分子材料有胶原、右旋糖苷、藻酸盐、壳聚糖、血纤蛋白、硫酸软骨素等。大多数天然高分子材料具有良好的生物相容性、可降解性和易溶解等

20、优点。但天然材料也有力学强度差、免疫原性及潜在的传递动物病原体风险等缺乏。胶原蛋白在哺乳动物组织中来源丰富，是一个有吸引力的材料，可分为、和型胶原。胶原蛋白是一种生物蛋白，甘氨酸和氨基酸含量较高。胶原蛋白易降解，免疫原性低且易与细胞结合。这些软骨组织工程的特性使其成为一个有价值的材料6。型胶原是软骨组织的主要成分，其降解产物可完全被机体吸收，并有保护细胞的作用。黄彰等7通过软骨细胞与型胶原复合，经过管帽构造构建成细胞-支架复合体，植入有直径4 mm软骨缺损兔的膝关节内，12周后可见组织工程软骨与周围正常软骨高度、颜色和质地均相近，外表光滑，覆盖整个缺损区，与正常软骨间界限几不可辨。然而基于胶原

21、的水凝胶也面临降解速率过快的问题，这会导致凝胶的力学性能不稳定8。透明质酸作为一种天然高分子聚合物，拥有良好的耐磨性及抗压缩性能，被广泛用于组织工程。其主要分布在人体关节部位，通常透明质酸被制成一种可注射水凝胶来填补缺陷或退化区域的软骨组织9。透明质酸凝胶较弱的机械性能、较高的膨胀性能、光滑外表构造及不抗酶解等也制约了其在组织工程学上的应用。因此，为提高其作为组织工程支架的可能性，需进展必要的化学改性来弥补其缺陷，选择其他生物材料与之复合是一种较好的方法10。Jaipaew等9构建不同比例的蚕丝/透明质酸复合水凝胶，并与人脐带间充质干细胞共培养，通过检测细胞活性、组织化学、免疫活性及对支架进展

22、电镜扫描与力学测试等，检测Cola、Agg及Sox9的表达量，得出蚕丝/透明质酸复合支架在软骨组织工程及骨科手术中是很有意义的。壳聚糖已被广泛应用于多种组织工程研究，其构造与天然黏多糖相似，是一种带有正电荷的生物可降解氨基多糖11。壳聚糖外表是亲水性的，因此它能够促进种子细胞的黏附、增殖和分化，病理性炎症反响率和诱发感染及内毒素率低，同时抗菌能力好，使其成为最重要的生物材料之一6。由于其与黏多糖构造相似，壳聚糖已被广泛用于支架的制作。杨萌等12将滑膜间充质干细胞与壳聚糖支架材料复合，于SD大鼠体内共培养，8周后细胞向材料中心生长，几乎布满整个支架材料且型胶原呈阳性表达。Rami等13研究证实，

23、壳聚糖浓度、乙酰化程度及凝胶化过程都对最后形成的凝胶理化性能、机械性能有至关重要的影响。由高度乙酰化的壳聚糖制备的凝胶是软的，力学性能差；而由低程度乙酰化的壳聚糖制备的凝胶拥有更好的弹性、细胞黏附及在恢复组织新生血管方面更好。藻酸盐已被广泛应用于医药行业，最常见的应用是细胞的包装及药物的控释14。藻酸盐易成胶、低毒性且易于获得，这是其被广泛应用的原因。藻酸盐水凝胶可在缺乏有机溶剂的情况下，通过低温交联的方法制成不同形状的水凝胶。一些研究显示，将藻酸盐与软骨细胞共培养并注射于研究区域，4周后软骨细胞存活良好，并且产生与软骨相一致的细胞外基质蛋白。Gonzalez- Fernandez等15研究证

24、实，海藻酸钠水凝胶可封装外表生长因子转化生长因子3和骨形态发生蛋白2，在封装的水凝胶内，转化生长因子3和骨形态发生蛋白2成功转染了骨髓间充质干细胞，并通过对型胶原及硫酸糖胺聚糖的检测证实骨髓间充质干细胞向软骨细胞分化。因天然高分子材料具有良好的生物相容性及可降解性而被广泛应用于软骨组织工程研究中。但是，单一或几种高分子材料复合制成的支架材料往往有力学性能差和降解速率不可控的缺乏。人体关节软骨在活动时会受到各个方向的压力及剪切力，并且软骨修复大概需要3-6个月，在这个过程中如果支架材料一旦发生坍塌或降解，将明显影响软骨修复效果。天然高分子材料往往有不同的异构体，不同异构体之间的性能也不尽一样，制

25、备过程中需对材料有足够的认识。2.2 人工合成材料 人工合成支架材料是指应用物理化学等方法合成的可替代细胞外基质的高分子聚合物，主要优点为材料来源不受限制，可根据需要对其化学、物理及生物学性能进展调控。但人工合成材料的组织相容性较天然支架材料差。人工合成材料主要分为无机材料和有机材料。常用于软骨组织工程研究的人工合成材料有聚己酸内酯、聚羟基乙酸、聚乳酸(PLA)、聚乳酸-聚羟基乙酸共聚及聚乙烯醇等。聚己酸内酯是由己酸内酯的均聚物和共聚物通过开环、加聚得到的半结晶性的线性聚合物，其特点是低降解率、高孔隙率并可调、无毒性及亲水性较低。Vikingsson等16将聚己酸内酯支架与软骨下骨锚定系统复合

26、植入山羊膝关节软骨缺损处，并与单纯的微骨折术比照。4.5个月后，75%的缺损都完全或大局部完全修复，并且聚己酸内酯支架复合软骨下骨锚定系统对组织的修复效果好于微骨折术，同时防止了行微骨折手术的必要。聚乳酸是一种可降解的被广泛研究的人工合成材料。聚乳酸以3种形式存在于大自然中，分别是左旋聚乳酸、右旋聚乳酸及外消旋混合物。Cohen等17制作聚羟基乙酸-聚乳酸支架并于内部填塞藻酸盐，发现其产生的蛋白多糖及型胶原的表达远远大于型胶原。薄冬营等18以左旋聚乳酸为原材料，与1，4-二氧六环/水均匀混合，制备了具有分级多孔构造的组织工程支架，后又与细胞复合，通过扫描电镜检测可明显看到细胞黏附在支架微孔上，

27、并且伸入大孔内部。Nava等19通过溶剂浇铸-颗粒浸泡的方式制备聚乳酸-三亚甲基碳酸酯复合支架材料，严格控制支架孔径大小及孔隙率。他分别制备3种不同孔径及孔隙率的支架材料，第1种孔径大小50-100 m，平均75 m；第2种孔径100-150 m，平均125 m；第3种孔径在150-200 m，平均175 m。将3种不同的支架材料分别与牛的软骨细胞复合培养 14 d，通过组织切片、PCR、western-blot及扫描电镜观察得出，在第1组中总DNA含量最高，糖胺聚糖蛋白含量最高，而在第3组中发现胶原含量最高。他还发现孔径大小与细胞密度呈正相关，与细胞代谢活性及细胞外基质的合成呈负相关。他还建

28、议在开场复合培养时，尽量选择圆形、较小孔径的支架材料。聚乳酸-聚羟基乙酸共聚为聚羟基乙酸与聚乳酸按照一定比例混合形成的共聚物，是一类典型的可完全生物降解合成材料。因其具有优良的生物相容性和可降解性，获得FDA批准应用于临床研究。然而，聚乳酸-聚羟基乙酸共聚的降解产物呈现弱酸性，有可能导致急性或者慢性的炎症反响6。Morille等1构建聚乳酸-聚羟基乙酸共聚微球，缓慢释放转化生长因子3，并与人间充质干细胞复合，在骨关节炎模型中测试软骨再生情况。得出这种模式可有效在关节炎环境中原位再生软骨，并且这种携带转化生长因子3的微球可让人间充质干细胞存活30 d，而这可保护软骨而足以让它再生。Pan等20分

29、别制造拥有一样或不同孔隙率的聚乳酸-聚羟基乙酸共聚支架，并且首次比拟不同孔隙率支架材料对体内骨软骨缺陷的修复效果。将支架和骨髓间充质干细胞复合体植入到新西兰白兔股骨髁软骨缺损处，12周后，宏观外观、断面图、苏木精和曙红染色、甲苯胺蓝染色、免疫组织化学染色和特性的基因的实时聚合酶链式反响结果显示，所有实验组均表现出良好的软骨修复效果，在骨层中77%孔隙率和软骨层中92%孔隙率的支架材料修复效果最正确，这是由于该种支架材料最大程度地模仿了天然软骨和软骨下骨的生物力学。研究举例说明软骨组织工程虽然允许支架有广泛的孔隙率，然而其中有一些孔隙组是最正确的。它也说明，在实际的生物材料设计中，应考虑到与自然

30、组织生物力学的匹配，这是说明孔隙率对支架材料来说特别重要。聚乙烯醇本质上是由聚醋酸乙烯酯水解得到的，在水中呈现可溶性晶体构造。聚乙烯醇的使用可追溯到上个世纪，在工业、商业、医学及食品行业，聚乙烯醇都作为一种终端产品，如油漆、树脂和食品的外包装。通常聚乙烯醇与其他一些高分子聚合物混合，如天然聚合物及具有亲水性的聚合物21。聚乙烯醇是一种力学性能好、降解快、无毒及亲水性好的高分子聚合物，并且已获得FDA批准可用于医疗、食品行业22。Vikingsson等23将聚己酸内酯支架浸泡在聚乙烯醇溶液里，冷冻-融化6个周期，制作成水凝胶-支架复合体，并测量它的理化及生物学性能。得出复合支架的力学性能良好，1

31、0 000周期的压缩实验后无明显形态学变化。聚乙烯醇提供了适合细胞生长的环境。这一研究说明支架能够维持负载，并且当软骨细胞长入支架内，也不改变其力学性能。Sheykhhasan等24通过制备不同来源的支架材料，如纤维蛋白支架、聚乳酸-聚羟基乙酸共聚支架及海藻酸盐支架，来评估天然支架材料与人工支架材料在充当细胞外基质方面有什么不同。将人脂肪间充质干细胞分别复合支架共培养2周，从细胞增殖、分化及细胞形态学，以及检测细胞向软骨分化的基因这几个方面来评估支架的性能。结果显示，纤维蛋白支架材料组细胞分布均匀，能够高表达软骨形成基因。根据此研究结果，Sheykhhasan认为天然高分子支架材料可提供适宜的

32、环境来促进干细胞向软骨细胞分化。人工合成材料具有天然材料所不具备的优势，如力学强度好、降解速率可控等，但其也有生物相容性差、降解产物易引起炎症反响等诸多缺点。目前研究者往往是通过物理或化学改性，或是降低其比重来减轻其降解产物对机体的刺激。笔者通过阅读文献发现，大多数研究者是通过寻找不同材料之间的组合，或者是研究不同材料的比例，往往无视了材料本身的作用，是为种子细胞提供黏附、增殖及分化的场所，充当细胞外基质。支架材料孔径大小对细胞的影响也是相当大的，但目前较少学者研究。2.3 复合材料 理想的、符合现代临床应用的支架材料应符合如上文所说的几个条件。目前尚无一种材料能同时具备以上条件，一种成分构成

33、的支架材料很难符合软骨组织工程及临床上对支架材料的要求。为解决单一的原材料的缺乏，现在往往将多种材料按不同的比例进展混合，互相弥补缺乏，尽可能满足临床及组织工程的要求25。如生物玻璃-壳聚糖-聚己酸内酯复合支架、壳聚糖-明胶/聚乳酸-聚羟基乙酸共聚复合支架、壳聚糖-聚磷酸钙复合支架、磷酸三钙-明胶复合支架等。付维力等26制作不同配比的壳聚糖-聚磷酸钙复合支架，并与新西兰大白兔第3代半月板细胞复合，通过体内实验、体外实验及MTT法得出，壳聚糖/聚磷酸钙三维多孔支架材料无毒性，具有良好的生物降解性及细胞相容性，并且有助于半月板细胞的生长。Arahira等27制作磷酸三钙-明胶复合支架并与兔骨髓间充

34、质干细胞复合，得出胶原与磷酸三钙复合提高了支架的孔隙率，并且单纯磷酸三钙支架浸泡在培养基里容易造成多孔构造的坍塌。复合支架比单纯的磷酸三钙支架更能作为成骨细胞的标记物。复合支架的抗压模量、力学强度及吸收能量受到细胞增殖及细胞外基质形成的影响。Fengxuan等28制备了壳聚糖-明胶/聚乳酸-聚羟基乙酸共聚水凝胶-支架圆锥形复合体，壳聚糖-明胶水凝胶装载转化生长因子1，聚乳酸-聚羟基乙酸共聚支架材料装载有骨形态发生蛋白2。体外细胞实验提示，复合支架可促进骨髓间充质干细胞向软骨细胞和成骨细胞分化；体内实验提示，壳聚糖-明胶/聚乳酸-聚羟基乙酸共聚分级支架多相组合物和空间双重生长因子递送有助于软骨-

35、骨界面组织缺损的修复。Tao等29通过结合热致相别离技术和淋盐技术将聚乳酸及脱乙酰壳聚糖构成拥有不同孔径的复合支架，该支架孔隙率94%，并拥有微孔及大孔，与聚乳酸单一材料组成的支架相比，前者在力学性能及蛋白吸附能力上有明显改善。体外实验也提示该复合支架支持细胞的增殖和渗透。Song等30利用组织工程技术将猪松质骨和脱乙酰壳聚糖-明胶凝胶支架复合，猪松质骨和凝胶支架分别模拟骨和软骨。随后与脂肪来源的干细胞复合培养，并且检测支架材料的孔隙率、降解率及溶胀率，以及进展红外光谱及扫描电镜扫描，通过死/活染色鉴定细胞活性及增殖。结果得出，这种双层构造的复合支架材料比单纯一种材料制备的支架更适合细胞的黏附

36、、增殖。Levingstone等31制备了一种多层构造的支架材料，这种材料最下面一层骨层，是由型胶原、胶原蛋白基质与羟基磷灰石混合冷冻枯燥而成；中间层是由型胶原与透明质酸钠混合，反复冷冻枯燥而成；最上面是软骨层，由型胶原、型胶原和透明质酸钠通过冷冻枯燥而成。制作山羊动物模型，在山羊横向滑车脊和内侧股骨髁造缺损区，缺损深度达软骨下骨。实验分为3组：空白组、多层支架组及人工合成支架材料组。植入后2周、3个月、6个月及12个月，制成膝关节标本，通过大致外观、CT及组织切片等来评价软骨及骨修复效果，在多层支架组可见构造良好的软骨下骨小梁和透明状软骨组织形成。Wang等32制备了不同比例的胶原蛋白-蚕丝

37、蛋白复合支架材料，通过评估支架材料的孔隙率、吸水率及细胞增殖等，确定了支架材料的最正确比例为胶原蛋白：蚕丝蛋白等于73。再用双乳化溶剂挥发法将转化生长因子1封装于聚乳酸-聚羟基乙酸共聚溶液中，洗涤、冷冻枯燥成聚乳酸-聚羟基乙酸共聚微球。将复合支架材料及聚乳酸-聚羟基乙酸共聚微球植入兔膝关节软骨缺损处，12周后，取兔膝关节标本做组织切片染色。结果显示，兔膝关节软骨修复良好，从组织学及细胞学可看出缺损处填满软骨，与周围组织界限不明显。比照显示，承载含有转化生长因子1的聚乳酸-聚羟基乙酸共聚微球的复合支架组修复效果更佳。Liao等33制备了一种多材料复合而成的新型支架材料，它是由甲基丙烯酸化硫酸软骨

38、素、聚(乙二醇)甲基醚-己内酯丙烯酰氯及石墨烯氧化物多种材料复合而成。通过检测复合支架材料的孔径、孔隙率、溶胀能力、压缩模量、电导率及体外细胞增殖实验，得到最正确比例的支架。动物实验行新西兰大白兔全层软骨移植，分别于术后6，12，18周取兔关节制作标本，并行CT及组织学切片染色。结果说明，实验组软骨细胞形态、分布最好且形成连续的软骨下骨，厚度适宜。实验说明，该复合多孔支架材料在软骨组织工程应用中潜力巨大，可应用于其他组织工程研究。目前最常见的复合支架通常是由天然材料和人工材料复合而成，人工材料在力学性能及降解速率可控性上有明显优势，但在生物相容性、细胞毒性等方面还有缺乏之处。现有学者提出不同孔

39、径及孔隙率对细胞的黏附及增殖有较明显影响19。将两者按照一定比例混合，取长补短，可制备不同孔径、孔隙率及匹配组织降解速率的复合材料。还有一些研究者模仿软骨的层次，制备多层支架填于缺损处。这也是目前研究的方向。2.4 纳米材料 纳米材料是指三维中有一维或多维处于纳米级尺度，具有优良组织相容性、机械性能的一种材料。纳米支架材料与天然细胞外基质的构造最为相似，具有优良的组织相容性及机械性能，在组织工程化支架构造的研究及运用中得到了重视34-35，其目前主要的制备方法有静电纺丝、自组装技术和相别离技术等。Kon等36构建骨软骨纳米仿生支架，它是一种多孔三维3层构造的复合支架，分为软骨层、中间层及骨层，

40、并进展了体内试验。包括1例多发软骨损伤合并前穿插韧带损伤患者的病例报道，并且支架未复合种子细胞应用于羊和马的体内37-38，结果显示缺损部位骨和软骨有良好的修复和再生，患者手术后半年MRI显示移植部位信号跟正常软骨信号类似，术后1年随访提示患者关节无明显疼痛，活动无明显受限。Kon等39-40对30例关节软骨缺损患者行上述纳米支架移植，并对其中29例跟踪随访，行IKDC及Tegner评分；其中的24例行MRI检查并行MOCART评分。IKDC主、客观评分均显示出良好的临床效果；MRI结果显示，70%的软骨缺损都能够完全填充，但软骨下骨及骨质层只有7%和47%的填充。这一研究说明骨软骨纳米仿生支

41、架在促使骨和软骨修复具有显著意义。 Xue等41制备聚乳酸-聚羟基乙酸共聚支架及聚乳酸-聚羟基乙酸共聚-纳米羟基磷灰石复合支架，体外实验提示，细胞在纳米支架材料上的活力及增殖明显优于单纯聚乳酸-聚羟基乙酸共聚支架。体内实验选取大鼠模型，将两种支架材料置入膝关节软骨缺损处，12周后行组织学检查，纳米支架组软骨缺损处填充了大量黏多糖及型胶原，证实这种新型纳米支架材料可能在临床上应用于软骨修复。为了模仿软骨的天然纳米构造，Bhardwaj等42引入一种新的支架，叫做XanoMatrix，这种支架材料来源于非生物的细胞基质。将其与聚对苯二甲酸乙酯和醋酸纤维素混合，这种支架材料拥有良好的机械性能及与细胞

42、外基质类似的纳米构造。XanoMatrix支架材料提供软骨细胞生长和增殖理想的外表构造。研究证实，这种支架材料拥有较大的细胞疏水性、立体外表构造及足够的抗张强度。这些特性使得这种新型纳米支架材料成为治疗软骨缺损的理想材料。纳米支架材料负载有羟基磷灰石、磷酸钙等，可控制细胞的黏附、增殖及调节细胞外基质的形成。纳米材料也可控制支架的降解，以促进组织再生。纳米材料也存在两个问题亟需解决，第一，缺少临床转化，为了减少手术创伤，纳米支架材料需要从很小的创口递送至创面，目前尚无良好的方法去实现；第二，纳米材料另一个挑战时缺乏短期及长期毒性评价，特别是新开发的纳米材料。总的来说，纳米支架材料已经成为软骨组织

43、工程的重要组成局部，但必须进展进一步的研究以评价其临床可用性。3 讨论 Discussion 软骨组织工程开展迅速，其原理是将种子细胞在体外进展培养、扩增，并黏附到性能好的支架材料上，再将细胞-支架复合体移植至软骨缺损处，随着支架材料的降解，种子细胞形成具有类似软骨功能的组织，到达修复软骨的作用。目前而言，复合支架材料具有不同原材料的优点，可根据需要对不同材料进展组合、搭配，构成力学性能良好、孔隙率高、相容性好、降解性能佳的支架材料，这也许是未来支架材料研究的方向之一。但目前软骨组织工程支架材料的研究仍存在一些问题亟待解决，例如人工材料的毒性，怎样尽量微创的进展支架置入手术，怎样有效解决支架材

44、料降解速率过快，怎样抑制细胞的过度生长等。目前相关研究样本量较小，缺乏长期跟踪随访，并且人体试验相对较少。以往研究的热点是寻找新型材料及不同材料的混合，寻找高孔隙率及大孔径的材料，往往无视了材料比例及制作工艺对材料本身理化性能的影响，无视了高孔隙率及大孔径对细胞黏附与增殖的影响19。纳米支架因其与细胞外基质相似，在软骨组织工程中占据重要地位，当然也存在缺乏之处：支架孔径过小，不利于种子细胞长入；外表活性强，容易团聚成块等。因此，纳米材料需要与其他材料复合，以取长补短。此外，有一些研究者通过模仿全层骨与软骨构造，来制备多层具有成骨和成软骨的支架，其显示出良好的物理性能及力学强度，以及原位骨与软骨

45、组织的相互作用，并且这种支架显著增强细胞的黏附、增殖。由粗放到精细对软骨构造准确模拟，这也许是未来软骨组织工程支架研究的一个方向。 作者奉献：第一作者构思并设计本综述，第一作者对文章负责。通讯作者审校。利益冲突：所有作者共同认可文章无相关利益冲突。伦理问题：文章的撰写与编辑修改后文章遵守了?系统综述和荟萃分析报告标准?(PRISMA指南)。文章查重：文章出版前已经过CNKI反剽窃文献检测系统进展3次查重。文章外审：文章经国内小同行外审专家双盲外审，符合本刊发稿宗旨。作者声明：文章第一作者对研究和撰写的论文中出现的不端行为承当责任。论文中涉及的原始图片、数据(包括计算机数据库)记录及样本已按照有

46、关规定保存、分享和销毁，可承受核查。文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。开放获取声明：这是一篇开放获取文章，文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。根据?知识共享许可协议?“署名-非商业性使用-一样方式共享3.0”条款，在合理引用的情况下，允许他人以非商业性目的基于原文内容编辑、调整和扩展，同时允许任何用户阅读、下载、拷贝、传递、打印、检索、超级链接该文献，并为之建立索引，用作软件的输入数据或其它任何合法用途。4 参考文献 References 1 Morille M,Toupet K,Montero-Menei CN,et al.PLGA-based m

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