组织工程支架修复人工肌腱的研究进展

组织工程支架修复人工肌腱的研究进展                 山西省第二人民医院骨科辛亮

（山西省第二人民医院太原030012）          

【摘要】支架为种子细胞提供生长、繁殖、新陈代谢、物质交换的场所，可有效控制移植细胞的生长位置:支架可引导组织的再生，其尺寸和形貌对组织的结构和功能都有重要影响;支架可为新生组织提供机械支撑作用，抵抗外来压力，维持组织原有的形状和组织的完整性;此外，支架还可以作为活性因子的载体，对一些生物活性物质如生长因子等进行缓释，而促进细胞的生长、增殖和分化。支架材料的研究和开发是组织工程的关键所在.本文对目前组织工程肌腱的研究成果做一综述，以细胞支架为主、介绍理想支架的特征，支架材料的发展及支架的制造工艺的发展，并通过支架与种子细胞、生子因子等方面的综合考虑，来供给肌腱细胞最适合的生存环境，使组织工程化肌腱将成为修复肌腱缺损的一种理想而可靠的方法。

【关键词】组织工程 肌腱细胞 支架

肌腱缺损是临床常见疾病之一。肌腱损伤后，若未予以及时修复，常会导致肢体功能障碍，重者甚至残废。因而肌腱损伤或缺失后，手术的修复和功能的重建是手术外科十分重要的研究课题之一。  

肌腱损伤可分为无缺损损伤和有缺损损伤两大类对于有缺损损伤的肌腱，则有以下几种治疗方法:1）自体肌腱移植修复肌腱缺损;2)同种异体肌腱移植;3)异种肌腱移植;4)人工肌腱替代物。前者由于供体肌腱缺乏或免疫排斥反应等因素，使肌腱移植受限，随着细胞培养技术和移植技术的发展以及生物材料科学的发展，一种全新的理想肌腱替代物?组织工程化人工肌腱，将最终解决缺损肌腱的修复问题。  

1组织工程肌腱细胞支架的特征

 一种理想的体内移植物，应满足以下几点：(1)细胞支架材料必须无毒、具有良好的生物相容性;(2)材料必须具有生物可降解性，能随着细胞的增殖而在体内逐渐降解、代谢，而后被吸收;(3)材料的降解产物必须无毒、并具有良好的生物相容性，不会对组织和机体产生不良的影响;(4)材料必须具有良好的加工性能，能被加工成所需要的形状和结构;(5)支架必须具有开放性的孔结构，其孔隙大小必须符合一定的要求;(6)支架必须与所需要再生、修复的组织或器官具有相同的形状和大小;(7)支架必须具有良好的细胞亲和性，适合细胞粘附、增殖，并分泌基质;(8)支架必须具有一定的力学性能，包括强度、柔韧性等;(9)支架必须能够耐受消毒，在常规消毒条件下不发生物理、化学和生物学力方面的变化;(10)支架不仅应在细胞培养操作过程中保持形状，而且应能经受植入体内的手术操作，保证在手术过程中不会破碎，能与机体贴合，并不会对机体组织形成机械损伤。

2.支架的材料

2.1胶原

胶原是细胞外基质(ecm)的主要成分; 可由动物骨骼、筋膜中经浸煮、水解等多道工序提炼得来。在进化的过程中，胶原保留了原始的氨基酸序列，以此制作的支架材料具有无抗原性、体内生物相容性好、可渗透性; 而且由于肌腱的组织成分主要是由胶原纤维组成的粗大纤维束，平行排列，其方向与所承受的牵引力一致。胶原纤维具有韧性，抗牵引力强；此外它本身所含的细胞粘附信号序列也可以引导细胞对支架材料的特定识别;胶原纤维具有韧性，抗牵引力强其制备方法经过多年发展，已相当成熟，可通过市售获得，已通过美国fda认证^[1]，可成功用于组织工程化肌腱的细胞外基质支架. bellincampi等^[2]用自体肌腱细胞接种于胶原支架后植入兔的膝关节及皮下，该复合物8周后仍可见. ，young等^[3]利用自体骨髓基质干细胞（msc）吸附于胶原凝胶上并将此复合物种植在肌腱的接缝上，发现用骨髓基质干细胞（msc）处理的肌腱较对照组更粗大，胶原纤维的装配、接缝的特性和负载性能均较对照组好。award^[4]以i型胶原作为支架，回植入自体肌腱缺损处，而对照组单纯以i型胶原回植，4周后检测发现实验组比对照组的生物力学效应有显著提高，但组织学检测与对照组无明显区别。

2.2纤维蛋白（ fibronectin , fn)

它主要存在于细胞外基质中(即细胞型)，也存在于血液中(称为血浆型)，属于糖蛋白类。作为细胞外基质的主要成分，fn对许多生物学过程，如细胞粘附、细胞增殖分化、细胞骨架形成及凋亡起重要作用，同时也参与机体众多的病理过程，包括伤口愈合、炎症等。

纤维蛋白凝胶是纤维蛋白单体在凝血酶作用下聚合成的具有可塑形、可粘附性、可降解性及生物相容性的立体网状结构凝胶，它可通过减慢凝血酶的聚集，因而减慢它从液态转变为凝胶的过程，为凝胶的塑形提供充分的时间。纤维蛋白凝胶聚合时能释放血小板衍生生长因子(pdg f )和转化生长因子β( tg f-β，有趋化性和致有丝分裂作用，能进一步促进细胞增殖、粘附和基质分泌。但它不能提高足够的机械强度，这也是天然生物材料的共同缺点，再者它来自血液:获取困难，因而应用受限。

2.3聚磷酸钙纤维(cpff)

 cpff 是以磷酸二氢钙或偏磷酸钙为主要原料.经高溶拉丝制成纤维状无机材料.具有与碳纤维相似的纤维状外观及机械性能，但其组织相容性和降解性明显优于碳纤维，将来有可能成为一种较理想的构建肌腱组织工程复合型支架的新型材料。常青等^[5]实验证明.在体外水溶液中可降解.降解过程为水解.而非酶解。实验结果^[6]表明.cppf在体内约16-20周完全降解. 而且有较好的降解性能和组织相容性;纤维还可通过调节合成原料组分的比例达到可控制性降解。

2.4多聚α-羟基酸

多聚α-羟基酸包括聚乳酸(pla),聚羟基乙酸(pga)及它们的共聚物plga， pdla, plla, pdlla,其主要结构形式有3种(纤维支架、多孔泡沫、管状结构)。pla, pga的降解产物分别为乳酸和羟基乙酸，都是三梭酸循环的中间代谢产物.具有良好的生物降解性与相容性，不会引起炎症反应、免疫反应和细胞毒性反应，是迄今为止应用最广泛的可降解的生物材料，已广泛用于骨、软骨、血管、神经、皮肤等组织工程。cao等^[7]将从小牛肩和膝部的肌腱组织中获取的肌腱细胞，接种于索条状pga网状支架上，体外培养一周后植入裸鼠皮下发现在12周时，就可形成与正常肌腱结构相似的肌腱组织，且具有一定程度的生物力学性能.之后，c ao等^[7]又采用自体肌腱细胞+pga+生物膜包裹的方法，用于修复leghorn肌体内4cm的肌腱缺损，发现植入的组织工程肌腱小仅在大体形态及组织学上与正常肌腱相似，且其生物力学性能也达到正常肌腱的83%.

pla与pga的共聚物plga不仅具有良好的生物相容性、可诱导某些基因的上调转录，其降解速率还可通过改变pla与pga的比例而得到控制，并且综合了pga的高降解速度及pla的高强度，因此plga亦可作为人工肌腱的细胞支架. ouyang^[8]和goh等^[9]又以聚羟基乙酸和聚乳酸复合物[poly(lactic-co-glycolicacid), plga]作为支架，回植入自体肌腱10 mm大小的缺损处，对照组则单纯以plga回植，4周后检发现细胞含量均较2周时明显减少，有i , ?型胶原纤维形成，且实验组比对照组明显;8周时材料基本降解;12周时缺损修复良好，未见淋巴细胞浸润，实验组比对照组的生物力学强度明显提高，接近正常肌腱。这与此前rodkey等^[10]以及sato等^[11]以pga/dacron作为支架的研究结果相统一。

3展望

组织工程细胞支架材料是组织工程司研究中一个重点及难点。没有合适的支架，种子细胞就会流失死亡。组织工程支架材料应具有良好的生物相容性、生物降解性、三维立体结构及可塑性与相当的力学强度外，还要具有良好的表面活性，以利于种子细胞的粘附，并为细胞在其表面生长繁殖、分泌基质提供良好的微环境。对于肌腱，组织工程支架材料，目前研究较多的是天然材料、人工合成材料及复合材料。天然材料如胶原具有良好的生物相容性，但存在力学性质较差、降解太快及加工成型性能差等缺陷;合成材料如生物陶瓷、高分子材料存在降解速率低、酸性降解产物引起炎症反应及力学性能小等缺陷;这些问题可通过复合材料的原理和方法加以解决，即将两种或两种以上具有互补特性的生物材料，按一定比例与方式组合，以期构造出能够符合要求的新型复合材料。

肌腱组织工程对支架材料的要求很高，复合材料的开发研究将继续成为今后研究的热点，在材料制备工艺、设计及性能优化组合方面将有待于进一步研究，这也是今后组织工程材料研究发展的主要方向之一。

               参考文献

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2．bellincampi ld, closkey, rf, prasad r, el al. viability of fibroblast-seeded ligament analogs after autogenous implantation[j]. j orthopres, 1998. 16: 414-419.

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4．award ha. butler dl, boivin cp,el al use of mesenchymal stem cell-mediate repair of tendon[j] 1999, 5 (3) 267-277

5  .常青，石宗利，李币庵，等.聚磷酸钙可降解纤维研究.环境科学 1997; 18( 1):52

6. zhao lin,sun zheng-yi experiment of histocompatibility and degradation in vivo of artificial material calcium polyphosphate fiber 2002,vol(5) 16-17

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8. ouyanghw,gohjc,knittedploy-lactide-glycolide scaffold loaded with bone marrow stroml cell in repair and regeneration of rabbit achills tendon[j].tissue eng.2003,9(3):431-439

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作者简介:  辛亮，男，汉族，住院医师，大学本科，骨科  

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