本文關(guān)鍵詞：制備軟骨組織工程支架的材料和方法，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

中國(guó)組織工程研究

第 17 卷 第 3 期 2013–01–15 出版


Chinese Journal of Tissue Engineering Research January 15, 2013 Vol.17, No.3

doi:10.3969/j.issn.2095-43

44.2013.03.021 [] 貴浩然，李澎，張衛(wèi)國(guó). 制備軟骨組織工程支架的材料和方法[J].中國(guó)組織工程研究，2013，17(3): 509-516.

制備軟骨組織工程支架的材料和方法★
貴浩然1，李 澎1，張衛(wèi)國(guó)2

1 大連醫(yī)科大學(xué)附屬二院骨外科，遼寧省大連市 116027 2 大連醫(yī)科大學(xué)附屬一院骨外科，遼寧省大連市 116023

文章亮點(diǎn)： 1 此問(wèn)題的已知信息：組織工程化軟骨的研究為修復(fù)軟骨損傷提供新的治療措施，組織工程支架材料要 有組織相容性、可降解性，所以首選天然生物材料，又因?yàn)橹Ъ芤幸欢ǖ臋C(jī)械力學(xué)性質(zhì)，通過(guò)復(fù)合人 工合成高分子材料來(lái)滿足這個(gè)條件。而支架制備方法的選擇是為了更好地仿生細(xì)胞外基質(zhì)表征。 2 本綜述增加的新信息： 利用靜電紡絲方法制備的人工合成高分子材料復(fù)合支架可以保證支架的力學(xué)強(qiáng) 度、塑形要求、孔隙率、可降解性等，將天然材料利用包埋技術(shù)和表面修飾技術(shù)復(fù)合于電紡的高分子復(fù) 合材料支架上將更有利于支架性能的發(fā)揮。 3 臨床應(yīng)用的意義：進(jìn)一步探索適合軟骨組織工程支架的材料和制備方法，對(duì)于提高支架的整體的穩(wěn)定 性和生物相容性有著重要的意義，尋求組織工程化軟骨從實(shí)驗(yàn)室研究走向臨床應(yīng)用，為軟骨損傷修復(fù)提 供新的治療措施。 關(guān)鍵詞： 生物材料；生物材料綜述；軟骨組織工程；支架材料；制備方法；天然生物材料；人工合成高分子材料
中圖分類號(hào):R318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):2095-4344 (2013)03-00509-08 收稿日期：2012-05-28 修回日期：2012-07-11 (20120510006/GW·W)

貴浩然★， 男， 1988 年生， 山東省煙臺(tái)市人，漢族， 大連醫(yī)科大學(xué)在讀碩士， 主要從事膝關(guān)節(jié)半月板損 傷的修復(fù)、 組織工程研究。 bigbigmice@qq.com 通訊作者：李澎，博士， 主任醫(yī)師，碩士生導(dǎo)師， 大連醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī) 院骨外科，遼寧省大連市 116027

摘要
背景：軟骨組織工程的研究為修復(fù)軟骨缺損提供了新的思路和方法，其中如何獲得理想的組織工程支架 是這一研究的核心和難點(diǎn)。 目的：回顧性分析軟骨組織工程支架的材料選擇和制備方法。 方法： 由第一作者檢索 2000 至 2012 年 PubMed 數(shù)據(jù)庫(kù)、 ELSEVIER SCIENCEDIRECT、 萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)、 中國(guó)知網(wǎng)庫(kù)有關(guān)制備軟骨組織工程支架的材料選擇和方法等方面的文獻(xiàn)。 結(jié)果與結(jié)論：軟骨支架材料分為天然生物材料、人工合成高分子材料和復(fù)合材料�？刹捎孟喾蛛x法、溶 劑澆鑄/粒子瀝濾技術(shù)、氣體發(fā)泡技術(shù)、快速成型技術(shù)及靜電紡絲法制備支架材料。由于膠原、瓊脂糖和 藻酸鹽等水凝膠類天然材料可提供足夠的生物相容性、增殖和黏附能力及親水性，電紡的人工合成高分 子材料復(fù)合支架又可以保證支架的力學(xué)強(qiáng)度、塑形要求、孔隙率、可降解性等，將天然材料利用包埋技 術(shù)和表面修飾技術(shù)復(fù)合于電紡的高分子復(fù)合材料支架上將更有利于支架性能的發(fā)揮。

Materials and methods for preparation of tissue-engineered cartilage scaffolds
Gui Hao-ran1, Li Peng1, Zhang Wei-guo2

1 Department of Orthopedic Surgery, the Second Affiliated Hospital of Dalian Medical University, Dalian 113027, Liaoning Province, China 2 Department of Orthopedic Surgery, the First Affiliated Hospital of Dalian Medical University, Dalian 116023, Liaoning Province, China

Abstract
BACKGROUND: Cartilage tissue engineering provides new ideas and approaches for repair of cartilage defects, and how to obtain the ideal scaffolds for tissue engineering is the core and difficulty.

ISSN 2095-4344

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Gui Hao-ran★, Studying for master’s degree, Department of Orthopedic Surgery, the Second Affiliated Hospital of Dalian Medical University, Dalian 113027, Liaoning Province, China bigbigmice@qq.com Corresponding author: Li Peng, Doctor, Chief physician, Master’s supervisor, Department of Orthopedic Surgery, the Second Affiliated Hospital of Dalian Medical University, Dalian 113027, Liaoning Province, China Received: 2012-05-28 Accepted: 2012-07-11

OBJECTIVE: To retrospectively analyze the material choice and preparation methods of tissue-engineered cartilage scaffolds. METHODS: The first author searched PubMed, ELSEVIER SCIENCEDIRECT, Wanfang and CNKI databases (2000/2012) to retrieve relevant articles about materials and methods to prepare tissue-engineered cartilage scaffolds. RESULTS AND CONCLUSION: Cartilage scaffold materials consist of natural biological material, synthetic polymer material and composite material. The following methods can be used to prepare scaffolds materials such as phase separation, solvent casting/particulate leaching, gas foaming technology, rapid prototyping technology and electrospinning. The collagen, agarose, alginate as hydrogel natural materials can provide adequate biocompatibility, proliferation, adhesion and hydrophilicity. Meanwhile, synthetic polymer composite scaffolds prepared by electrospinning can guarantee the mechanical strength, shaping requirements, porosity, and biodegradation of the scaffolds. Therefore, it will be more conducive to display the performance of the scaffolds if the natural materials are combined with synthetic polymer composite scaffolds using the embedded technology and surface modification technology. Key Words: biomaterials; biomaterial review; cartilage tissue engineering; scaffold materials; preparation method; natural biomaterials; synthetic polymer materials Gui HR, Li P, Zhang WG. Materials and methods for preparation of tissue-engineered cartilage scaffolds. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2013;17(3): 509-516.

0 引言

先天畸形、燒傷及外傷等引起的各類軟骨缺損或損傷在臨床上十分常見[1]，由于關(guān) 節(jié)軟骨無(wú)血液供應(yīng)、神經(jīng)支配和淋巴循環(huán)，其自身修復(fù)能力較差，軟骨缺損大于5 mm 時(shí)就不能自我愈合，只能在創(chuàng)傷周圍產(chǎn)生短暫的軟骨細(xì)胞復(fù)制并合成少量基質(zhì)，且逐漸 引起關(guān)節(jié)表面退變[2]。軟骨損傷修復(fù)一直是關(guān)節(jié)外科的一個(gè)難題，以往的各種解決辦法 都有一定的局限性，20世紀(jì)80年代以來(lái)，組織工程技術(shù)的迅速發(fā)展，為這一難題的解決 提供了一種可行的方法[3]，為軟骨缺損的治療帶來(lái)了新思路。 組織工程的3大要素是種子細(xì)胞、支架和生長(zhǎng)因子。其中支架的材料選擇及其制備 是關(guān)鍵步驟，理想的支架應(yīng)該具有以下10個(gè)特征：①良好的生物相容性。②可降解性。 ③足夠的孔隙結(jié)構(gòu)。④促進(jìn)細(xì)胞黏附與增殖。⑤具備承載生長(zhǎng)因子的能力。⑥支架的容 積應(yīng)能保持不變。⑦支架能與周圍組織融為一體。⑧不易從缺損區(qū)脫落。⑨具有一定的 彈性。⑩具有關(guān)節(jié)軟骨的分層結(jié)構(gòu)[4]。本文從支架材料和制備方法入手，綜述軟骨組織 工程的研究進(jìn)展。
1 資料和方法

1.1

資料來(lái)源

由第一作者檢索 2000 至 2012 年 PubMed 數(shù)據(jù)庫(kù)、 ELSEVIER

SCIENCEDIRECT 、萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)。英文檢索詞為 “Cartilage tissue engineering; scaffolds; Preparation”，中文檢索詞為“軟骨組織工程；支架材料；制備方 法”。檢索文獻(xiàn)量總計(jì) 101 篇。 1.2
納入與排除標(biāo)準(zhǔn) 納入標(biāo)準(zhǔn)：①文章所述內(nèi)容需與軟骨組織工程支架的材料選擇和制備方法的研究密

切相關(guān)。②同一領(lǐng)域選擇近期發(fā)表或在權(quán)威雜志上發(fā)表的文章。
排除標(biāo)準(zhǔn)：重復(fù)性研究。

1.3

數(shù)據(jù)的提取

共檢索到文獻(xiàn) 101 篇，其中中文文獻(xiàn) 60 篇，英文文獻(xiàn) 41 篇，排除與

研究目的相關(guān)性差及內(nèi)容陳舊、 重復(fù)的文獻(xiàn) 55 篇， 納入 46 篇符合標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)進(jìn)行綜述。
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1.4

質(zhì)量評(píng)價(jià)

符合納入標(biāo)準(zhǔn)的 46篇文獻(xiàn)中，文獻(xiàn)

性和可降解性， 無(wú)刺激性、 無(wú)免疫原性、 無(wú)熱源反應(yīng)， 并具有促進(jìn)創(chuàng)面愈合的功能。 Cao 等[11]將殼聚糖明膠 網(wǎng)絡(luò)與豬軟骨細(xì)胞構(gòu)建成的細(xì)胞支架復(fù)合物植入豬 腹部皮下，術(shù)后 16 周觀察到新軟骨形成，其糖胺多 糖分泌量達(dá)到正常軟骨的 78.6%， 這說(shuō)明殼聚糖是一 種較好的軟骨組織工程支架材料。 但與其他的天然材 料相比，殼聚糖比較難于電紡。殼聚糖支架在質(zhì)地、

[1-4]探討了軟骨損傷修復(fù)的研究現(xiàn)狀，文獻(xiàn)[5-27]探 討了軟骨組織工程支架材料的種類， 文獻(xiàn)[28-46]探討 了軟骨組織工程支架材料的制備方法。
2 結(jié)果
支架材料

2.1

軟骨支架材料分為天然生物材料、 人
[5]

強(qiáng)度上要優(yōu)于膠原支架，但其質(zhì)地還是相對(duì)較軟。
海藻酸鹽：海藻酸鹽是另外一種常見的生物材料，

工合成高分子材料和復(fù)合材料 3 種 。 2.1.1 天然生物材料 主要從海藻中提取，其酶解產(chǎn)物對(duì)人體無(wú)毒害作用， 具有很好的親水性，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)易于滲透擴(kuò)散。Paige 等 [12]首先采用藻酸鈣水凝膠復(fù)合軟骨細(xì)胞移植于小 鼠皮下，產(chǎn)生新生軟骨獲得成功。但是還有學(xué)者利用 藻酸鈣復(fù)合軟骨細(xì)胞修復(fù)兔關(guān)節(jié)缺損時(shí)， 發(fā)現(xiàn)有 20% 的植入體被纖維組織取代， 這說(shuō)明細(xì)胞外支架材料的 機(jī)械強(qiáng)度不足[13]。 單純的天然生物材料來(lái)源于動(dòng)物或人體， 其網(wǎng)狀 結(jié)構(gòu)、成分、生物力學(xué)環(huán)境等適合種子細(xì)胞的生長(zhǎng)、 發(fā)育及新陳代謝，，而且材料可降解。但是它們?cè)谶\(yùn)用 中均存在不足：膠原缺乏柔韌性、抗拉強(qiáng)度低，初始 強(qiáng)度差，降解速度過(guò)快；透明質(zhì)酸和海藻酸鹽體內(nèi)植 入后由于抗壓力不足[13]，不能適應(yīng)重力的變化，難以 維持外形而失去支撐力；殼聚糖較難于電紡，且質(zhì)地 較軟等。另外生物材料還存在著大量制備困難，而且 由于批次不同而產(chǎn)生質(zhì)量變化等劣勢(shì)， 這就促使人們 繼續(xù)發(fā)現(xiàn)和研究新的材料。
透明質(zhì)酸： 透明質(zhì)酸是葡糖醛酸-N-乙酰氨基葡糖

膠原：軟骨組織工程支架應(yīng)從結(jié)構(gòu)和成分上模擬

軟骨細(xì)胞外基質(zhì)， 以期為種子細(xì)胞增殖和分化提供理 想的微環(huán)境。 而膠原則是最主要的軟骨組織細(xì)胞外基 質(zhì)成分，具有很好的仿生性，來(lái)源廣泛，具有水溶性 好、免疫原性低、組織相容性及親和性好、能促進(jìn)細(xì) 胞增殖等優(yōu)點(diǎn)。 Kuroda 等[6]對(duì)膠原凝膠的臨床應(yīng)用進(jìn)行了報(bào)道： 將自體骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞復(fù)合膠原凝膠植入患者內(nèi) 側(cè)股骨髁并用自體骨膜覆蓋，7 個(gè)月后檢查缺損處由 新生組織平滑覆蓋，并且番紅 O 染色陽(yáng)性。1 年后， 患者臨床癥狀顯著緩解， 并且恢復(fù)了受傷之前運(yùn)動(dòng)水 平， 因此將Ⅰ型膠原作為骨組織工程基質(zhì)材料已經(jīng)引 起了研究者的重視[7-8]。Ⅰ型膠原由于含有特別的識(shí) 別信號(hào)，有利于軟骨細(xì)胞黏附、增殖、分化，可作為 良好的材料包埋添加劑。

為雙糖單位組成的直鏈高分子多糖， 廣泛存在于組織 細(xì)胞基質(zhì)中， 在體內(nèi)可被降解為氨基葡萄糖而被人體 吸收。 透明質(zhì)酸具有優(yōu)良的生物相容性和生物可降解 性。 Grigolo 等 將苯甲醇與透明質(zhì)酸反應(yīng)得到透明質(zhì) 酸苯酯，應(yīng)用到軟骨組織培養(yǎng)中得到了預(yù)期效果。實(shí) 驗(yàn)表明人類軟骨細(xì)胞產(chǎn)生 Ⅱ 型膠原而向下調(diào)節(jié) Ⅰ 型 膠原， 說(shuō)明透明質(zhì)酸苯酯能夠促進(jìn)人類軟骨細(xì)胞生長(zhǎng) 及保持其原顯性。 利用場(chǎng)發(fā)散透鏡掃描顯微鏡方法能 夠發(fā)現(xiàn)細(xì)胞與生物材料的交纏， 表明透明質(zhì)酸苯酯能 很好地黏附細(xì)胞。
殼聚糖：殼聚糖雖然不是人體中細(xì)胞外基質(zhì)的構(gòu)
[9]

2.1.2

人工合成材料

由于天然生物材料不能夠直

接滿足軟骨組織工程的要求， 于是研究者便把目光投 向人工合成材料。 人工合成材料是一類有機(jī)高分子聚 合物，具有良好的物理機(jī)械性能，可以通過(guò)調(diào)節(jié)分子 量及其分布以適應(yīng)不同組織的需要， 作為軟骨組織工 程支架材料能較好誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞黏附、增殖和分化。
聚羥基乙酸： 聚羥基乙酸是一種高度結(jié)晶親水性

的線性聚脂體，因此水溶性較佳。劉彥春等[14]將兔耳 郭軟骨細(xì)胞種于聚羥基乙酸支架上， 回植到免體內(nèi)后 形成了軟骨組織。但聚羥基乙酸的降解半衰期約為 2 周，由于降解速度過(guò)快，在工程化軟骨尚未形成之前 不能提供足夠的支撐強(qiáng)度， 故限制了其單獨(dú)作為支架 材料的運(yùn)用。
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成物， 但其結(jié)構(gòu)和一些性質(zhì)與細(xì)胞外基質(zhì)的主要成分 氨基葡聚糖非常類似
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[10]

。 殼聚糖具有良好的生物相容
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聚乳酸：聚乳酸的降解半衰期為 6-8 周，可以提

吸附力較弱，其酸性降解產(chǎn)物易引起無(wú)菌性炎癥發(fā) 生，聚合物中殘留的有機(jī)溶劑可引起細(xì)胞毒副作用， 以及可能引起周圍組織的免疫反應(yīng)和纖維化。 該類材 料的研究指向材料的改性、 表面修飾和復(fù)合不同材料 以克服上述缺陷。 將兩種或兩種以上具有互補(bǔ)特性的 生物相容性可降解材料按一定比例和方式組合， 并選 擇適宜的制備工藝， 可以設(shè)計(jì)構(gòu)造出能夠滿足軟骨組 織工程所需的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化的三維支架復(fù)合材料。
膠原-殼聚糖復(fù)合支架：膠原是人體結(jié)締組織的主

供足夠時(shí)長(zhǎng)的支架作用。Puclacher 等

[15]

將牛關(guān)節(jié)軟

骨細(xì)胞接種到用聚乳酸纖維制成的支架上， 獲得了透 明軟骨組織，并發(fā)現(xiàn)支架對(duì)軟骨細(xì)胞生長(zhǎng)有引導(dǎo)作 用。 Cao 等
[16]

利用聚乳酸溶液處理聚羥基乙酸， 也取

得了相同的結(jié)果。但作為組織工程的細(xì)胞載體，合成 聚合物需要發(fā)揮其降解特性使表面不斷更新， 為組織 細(xì)胞提供不斷變化的黏附和生長(zhǎng)界面。 天然軟骨的應(yīng) 力屈服強(qiáng)度非常大，通常壓縮形變?cè)?60%以上，仍 可恢復(fù)原狀， 而以聚乳酸制備的聚合物多孔支架材料 多在 10%形變下就已經(jīng)產(chǎn)生應(yīng)力屈服現(xiàn)象，這是由 于支架的多孔結(jié)構(gòu)和聚乳酸材料本體性質(zhì)決定的。
聚羥基乙酸-聚乳酸復(fù)合物：聚羥基乙酸-聚乳酸復(fù)

要成分，來(lái)源廣泛，具有水溶性、免疫原性低、組織 相容性和親和性好、促進(jìn)細(xì)胞增殖的優(yōu)點(diǎn)[19]，但機(jī)械 性能差。殼聚糖是惟一帶正電荷的堿性多糖，無(wú)毒、 無(wú)刺激，具有生物相容性和可降解性等優(yōu)點(diǎn)，其大分 子鏈?zhǔn)抢w維剛性結(jié)構(gòu)， 含有大量帶正電荷的氨基和羥 基， 與膠原結(jié)合形成大分子聚電介質(zhì)復(fù)合材料可以提 高膠原的機(jī)械強(qiáng)度，其組織相容性、透明性和力學(xué)性 能都很好，具有可控的降解吸收率。Shi 等[20]將兩者 混合制備多孔支架材料，其機(jī)械強(qiáng)度會(huì)有所增強(qiáng)。
復(fù)合左旋聚乳酸支架：復(fù)合左旋聚乳酸支架具有一

合物為聚乳酸和聚羥基乙酸按一定比例形成的共聚 物，可以結(jié)合二者各自的特性，既能提供足夠強(qiáng)度的 支撐，又利于細(xì)胞貼附生長(zhǎng)。Uematsu 等
[17]

運(yùn)用間

充質(zhì)干細(xì)胞 - 聚羥基乙酸 - 聚乳酸復(fù)合物支架復(fù)合物 修復(fù)兔軟骨缺損，移植 12 周后，肉眼可見缺損處覆 蓋平整并具有光澤的白色組織， 組織學(xué)上為透明樣軟 骨。聚羥基乙酸-聚乳酸復(fù)合物支架可以支持祖細(xì)胞 分化并在體內(nèi)成功誘導(dǎo)其成軟骨細(xì)胞。 但是聚羥基乙酸-聚乳酸復(fù)合物的降解過(guò)程呈現(xiàn) 先慢后快，總體較快，使得其力學(xué)特征減弱，支撐作 用減弱，另外其細(xì)胞吸附力較弱，不利于軟骨細(xì)胞的 增殖，也成為需要改進(jìn)的不足。雖然聚乳酸和聚羥基 乙酸已被美國(guó)食品和藥物管理局批準(zhǔn)在人體內(nèi)使用， 但其親水性差和對(duì)細(xì)胞吸附力弱等問(wèn)題仍然一直困 擾著組織工程學(xué)家。
聚羥基丁酸酯及其共聚物：聚羥基丁酸酯是一種高

定的機(jī)械強(qiáng)度，它能維持工程組織預(yù)定的形狀，有利 于細(xì)胞接種和分布， 可為細(xì)胞增殖分化創(chuàng)造良好的微 環(huán)境，是一種有前途的軟骨組織工程支架 [21] 。 Ma 等[22]借助石蠟球制作高孔隙率復(fù)合左旋聚乳酸支架， 在減壓情況下加Ⅰ型膠原， 以未經(jīng)膠原修飾過(guò)的左旋 聚乳酸支架為對(duì)照組， 將體外細(xì)胞懸液分別注入實(shí)驗(yàn) 組和對(duì)照組，結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞分布均勻，更快地 擴(kuò)散于支架， 說(shuō)明以Ⅰ型膠原修飾的復(fù)合左旋聚乳酸 支架能提高其細(xì)胞相容性。 與在裸鼠皮下種植的單純 左旋聚乳酸支架相比， 復(fù)合支架有更多更均勻的軟骨 組織形成，且軟骨組織保持原有的支架形態(tài)。利用表 面修飾技術(shù)， 經(jīng)膠原包埋的復(fù)合左旋聚乳酸支架培養(yǎng) 軟骨細(xì)胞，才能保持兩者的優(yōu)點(diǎn)，并促進(jìn)其增殖生 長(zhǎng)[23]。
殼聚糖/藻酸鹽/透明質(zhì)酸鈉復(fù)合支架： Hsu 等
[24]

分子聚合物，由其人工合成的共聚物具有生物相容 性、生物可降解性、光學(xué)活性、無(wú)刺激性和無(wú)免疫原 性等特殊性質(zhì)。 王常勇等
[18]

采用聚羥基丁酸酯泡沫材

料作為軟骨細(xì)胞支架在體內(nèi)(兔背部皮下)培育出組織 工程化軟骨。但由于單純聚羥基丁酸酯易碎、熱不穩(wěn) 定、降解時(shí)間長(zhǎng)、可塑性和機(jī)械性能差等缺點(diǎn)限制了 它的廣泛應(yīng)用。 2.1.3 復(fù)合材料 盡管人工合成高分子材料有著良 將軟 骨細(xì)胞植入精氨酰 - 甘氨酰 - 天冬氨酸肽表面噴涂修 飾的殼聚糖/藻酸鹽/透明質(zhì)酸鈉復(fù)合支架，發(fā)現(xiàn)軟骨 細(xì)胞能良好地在支架上黏附生長(zhǎng)和繁殖， 并分泌豐富 的糖胺聚糖和Ⅱ型膠原。 將細(xì)胞支架復(fù)合物植入兔關(guān) 節(jié)軟骨缺損處，8 周后缺損區(qū)完全修復(fù)。但其力學(xué)性 能較差，不能滿足膝關(guān)節(jié)軟骨組織工程的要求。研究
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好的可降解性、可吸收性、材料的吸收率可以通過(guò)共 聚單位的相關(guān)比例來(lái)控制等優(yōu)點(diǎn)，但親水性差，細(xì)胞
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表明殼聚糖和海藻酸對(duì)于增加支架的生物相容性、 親 水性、黏附力和細(xì)胞增殖有促進(jìn)作用，可以考慮添加 支架表面修飾材料的做法。
納米羥基磷灰石/膠原支架： 陳鵬等
[25]

2.2.1

相分離法

應(yīng)用相分離原理開發(fā)的最常用的

制備三維支架技術(shù)就是冷凍干燥技術(shù)。 其原理是將聚 合物溶液、 乳液或水凝膠在低溫下冷凍， 誘發(fā)相分離， 體系穩(wěn)定后會(huì)形成富溶劑相和富聚合物相， 然后經(jīng)真

將其負(fù)載骨髓

空冷凍干燥除去溶劑而形成多孔泡沫結(jié)構(gòu)支架， 泡沫 的形態(tài)受冷卻時(shí)相轉(zhuǎn)變的控制。支架的孔形態(tài)、機(jī)械 性能、 生物活性和降解性能可由溶液中不同的聚合物 濃度，第二相的體積分?jǐn)?shù)，淬火溫度及不同的聚合物 和溶劑控制[28]。Guo 等[29]用此法制備的膠原-殼聚糖 多孔支架材料孔隙大小較均一， 平均孔徑為 200 μm， 材料表面有一定的皺折，孔隙間能夠相通，用于修復(fù) 關(guān)節(jié)軟骨缺損取得良好效果。 用該方法行支架的制備 不涉及毒性大的有機(jī)溶劑， 還可結(jié)合釋放生物活性物 質(zhì)。 但該方法的缺點(diǎn)是其產(chǎn)生的微孔大小難以控制且 不規(guī)則。 2.2.2 溶劑澆鑄/粒子瀝濾技術(shù) 該方法先將高分子

間充質(zhì)干細(xì)胞修復(fù)兔顱骨 15 mm 缺損，結(jié)果表明修 復(fù)區(qū)無(wú)炎癥和排異反應(yīng)，具有良好的組織相容性，8 周后有較好的新骨組織形成并修復(fù)顱骨缺損區(qū)。 納米 纖維材料的優(yōu)點(diǎn)在于高孔隙率、可調(diào)節(jié)的孔徑分布、 高表面積體積比、 天然細(xì)胞外基質(zhì)相似的形態(tài)結(jié)構(gòu)以 及間充質(zhì)干細(xì)胞的骨誘導(dǎo)性。此支架目前被廣泛關(guān) 注，并應(yīng)用于骨的組織工程中，而在軟骨組織工程的 研究較少，不甚成熟。
左旋聚乳酸 - 聚已內(nèi)酯復(fù)合支架材料： 半月板組織

工程支架材料需要有良好的初始力學(xué)強(qiáng)度及黏彈 性，由于左旋聚乳酸脆性太高及聚已內(nèi)酯體外完全 降解需要二三年等缺點(diǎn)，限制了其在半月板組織工 程中的應(yīng)用。既往研究證實(shí)通過(guò)對(duì)左旋聚乳酸與聚 已內(nèi)酯的組成比、分子量、分子量分布等控制合成 其共聚物，可調(diào)整其生物降解速度和力學(xué)強(qiáng)度，能 夠獲得符合需要的支架材料
[26]

材料制成液態(tài)，可以是溶解或熔化,然后在液體中加 入不溶(或不熔)的粒徑范圍一定的致孔劑，將該液體 混合物固化 (溶劑揮發(fā)或降溫凝固)， 最后用高分子材 料不溶而微粒溶解的溶劑將微粒浸泡瀝出， 制成不含 粒子的多孔隙高分子支架。 Lee 等[30]通過(guò)該技術(shù)制備 的聚乙二醇水凝膠支架，其孔隙率為 87%-90%，孔 徑大小在 115.5-220.9 μm 之間。種植軟骨細(xì)胞后， 軟骨細(xì)胞在微孔內(nèi)伸展生長(zhǎng)， 并產(chǎn)生大量的細(xì)胞外基 質(zhì)和葡萄糖胺聚糖。 能用該法致孔的聚合物有聚羥基 乙酸、聚乳酸及其共聚物等[31]。粒子致孔法簡(jiǎn)單、適 用性廣，孔隙率和孔尺寸易獨(dú)立調(diào)節(jié)，是一個(gè)較為通 用的方法。 但該方法的缺點(diǎn)是致孔時(shí)往往需用到有機(jī) 溶劑， 制備的支架有厚度限制， 易形成致密表面皮層， 難以形成通透孔結(jié)構(gòu)[32]。 2.2.3 氣體發(fā)泡技術(shù) 該技術(shù)利用了不同壓力下氣

。其另一優(yōu)勢(shì)在于制

備的多樣性可以使用傳統(tǒng)的凍干技術(shù)，也可以用于 靜電紡絲工程，制作納米級(jí)纖維，使得支架有更好 的孔隙率和塑形。 劉斌等
[27]

實(shí)驗(yàn)采用的支架材料以聚已內(nèi)酯為軟

段，左旋聚乳酸為硬段，利用聚已內(nèi)酯很好的柔韌 性和可加工性及左旋聚乳酸的高強(qiáng)度特性，按組成 比 1∶2 開環(huán)共聚合成二嵌段共聚物左旋聚乳酸-聚 已內(nèi)酯。掃描支架表面為多孔狀，孔隙分布均勻， 孔隙間相互連通，孔壁為纖維網(wǎng)狀連接，纖維直徑 150-350 nm，孔隙率為 93%，證明具有良好的力學(xué) 強(qiáng)度及孔隙率。 2.2
支架的制備方法

體在固體中溶解度不同的原理， 通過(guò)壓力的改變?cè)诰?合物中形成氣腔，并最終形成三維多孔支架。氣體發(fā) 軟骨組織工程支架作為軟骨細(xì) 泡法主要有物理發(fā)泡法和化學(xué)發(fā)泡法兩種， 前者可以 避免有機(jī)溶劑的使用， 且常常與粒子瀝濾法相結(jié)合使 用，制備出了性能較好的支架。后者主要是將聚合物 溶液和碳酸鹽類化合物混合后澆鑄成型， 待有機(jī)溶劑 揮發(fā)后再進(jìn)行加熱處理 , 最后經(jīng)冷凍干燥而制得支 Lee 等[34]利用熱致碳酸氫銨分解出 CO2 和 NH3, 架[33]。 采用氣體發(fā)泡法并結(jié)合其他方法曾經(jīng)制備了左旋聚 乳酸納米-微米雙重孔結(jié)構(gòu)的多孔支架。但同冷凍干
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胞外基質(zhì)的替代物， 其外形和孔結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)現(xiàn)其作用和 功能具有非常重要的意義。 可降解性、 多孔支架孔徑、 孔隙率、連通孔徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)決定著支架的力學(xué)性 能，支架的結(jié)構(gòu)特征直接影響著種子細(xì)胞的遷移、分 化和增殖。目前已研究出多種制備支架的方法, 因而 需要根據(jù)不同的支架的材料及要達(dá)到的修復(fù)目的選 擇不同的制備工藝。
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燥法相似， 此法的缺點(diǎn)在于不能很好的控制支架的孔 徑和孔隙率。 2.2.4 快速成型技術(shù) 用于組織工程支架制備的主

由于電紡技術(shù)的良好應(yīng)用范圍， 科學(xué)家進(jìn)一步研 究出同軸共紡技術(shù)，在電紡材料中加入功能性物質(zhì)， 如酶、生長(zhǎng)因子、藥物、DNA、多肽及一些其它的具 有生物活性的分子， 使其在組織工程支架的應(yīng)用中具 有特異性釋放功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示具有殼-芯結(jié)構(gòu)的 纖維可以達(dá)到這一要求， 其中芯結(jié)構(gòu)部分控制功能性 物質(zhì)的儲(chǔ)藏，殼結(jié)構(gòu)部分控制釋放動(dòng)力學(xué)[40]。 Jiang 等[41]通過(guò)同軸共紡技術(shù)制備以聚己內(nèi)酯為 殼、牛血清白蛋白為芯的纖維，用于控制蛋白釋放， 結(jié)果表明， 牛血清白蛋白的裝載比例和釋放速度可通 過(guò)電紡時(shí)的給料速度來(lái)控制。 將聚乙二醇添加到殼內(nèi) 進(jìn)一步改善牛血清白蛋白的釋放行為： 隨著聚乙二醇 含量的增加，牛血清白蛋白釋放速度也增加；大部分 牛血清白蛋白都可以在 1 周到 1 個(gè)多月內(nèi)從殼-芯式 纖維中釋放出來(lái)。 以上研究表明同軸共紡技術(shù)能夠?qū)?天然材料和合成材料有效融合在一起， 既能發(fā)揮天然 材料良好的生物相容性作用， 又可利用合成材料良好 的機(jī)械性能和可加工性， 同時(shí)還能保證活性因子的緩 慢釋放。 靜電紡絲法技術(shù)是現(xiàn)階段惟一能夠直接、 連續(xù)制

要有 3 種。
三維打印技術(shù)： 三維打印技術(shù)是在計(jì)算機(jī)的控制下

“打印噴頭”依次“打印”出聚合物粉末和黏結(jié)劑(通 常為溶劑)，黏結(jié)劑將粉末黏合成一層，經(jīng)逐層打印， 即可形成三維支架[35]。Schek 等[36]用該方法制造聚 乳酸/羥基磷灰石雙層軟骨與骨復(fù)合支架，動(dòng)物實(shí)驗(yàn) 發(fā)現(xiàn)可在異位同時(shí)促進(jìn)骨和軟骨生長(zhǎng)。
熔融沉積成型：該方法采用絲狀材料為原料，用熱熔

噴頭使半流動(dòng)狀態(tài)的材料流體按 CAD/CAM 分層數(shù)據(jù) 控制的路徑擠出來(lái)，并在指定的位置沉積凝固成型、逐 層沉積，凝固后形成多孔支架，該技術(shù)可以作為制造具 有模擬人體器官生理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的人造器官模型的方法， 適合于人工骨的制造。Cao 和他的同事們利用此方法 制備了聚已酸內(nèi)酯多孔支架，用于體外培養(yǎng)成骨細(xì)胞與 軟骨細(xì)胞，兩種細(xì)胞都增殖、遷移并與支架表面整合為 一體，表明此支架用于骨缺損修復(fù)具有發(fā)展?jié)摿Α?br />選區(qū)激光燒結(jié)： 該方法利用激光束來(lái)選擇性地?zé)Y(jié)
[37]

備聚合物納米纖維的方法，并且具有較好的前景，該 技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為制備生物支架材料的最有效的方 軟骨組織工程中較為理想的支架材料是左 法之一[42]。 旋聚乳酸-聚已內(nèi)酯復(fù)合三維支架，而且可以應(yīng)用靜 經(jīng)張建松等[43]實(shí)驗(yàn)后通過(guò)各 電紡絲法制備此支架[43]。 項(xiàng) 性 能 的 綜 合 評(píng) 價(jià) ， 紡 絲 液 質(zhì) 量 分 數(shù) 6% 的 P(LLA-CL)(50/50) 制得納米纖維的各項(xiàng)性能都有著 充分的優(yōu)勢(shì)，且具有良好的生物相容性。
3 總結(jié)與展望

聚合物或者混合物(聚合物/陶瓷，多相金屬)粉末，從 而形成材料層。由于粉末在成形時(shí)被壓縮得不緊密， 所以用選區(qū)激光燒結(jié)的制品常常是多孔的， 并且通過(guò) 調(diào)節(jié)成形過(guò)程的參數(shù)，孔率可以得到控制。 2.2.5 靜電紡絲法 1934 年 Formalas 發(fā)明了用靜

電力制備聚合物纖維的實(shí)驗(yàn)裝置并申請(qǐng)了專利， 靜電 紡絲技術(shù)是聚合物溶液或熔體在靜電作用下進(jìn)行噴 射拉伸而獲得納米級(jí)纖維的紡絲方法， 能簡(jiǎn)單而可控 的使有機(jī)大分子形成納米纖維， 通過(guò)電紡制作的材料 具有較大的面積-體積比和孔隙率，這對(duì)于其降解速 度、蛋白吸附和細(xì)胞黏附等特性將非常重要。將天然 材料與高分子材料混合電紡， 能使電紡材料模擬天然 生物組織的微觀結(jié)構(gòu)， 并且使其應(yīng)用為細(xì)胞外基質(zhì)成 為可能。 具有納米結(jié)構(gòu)的多孔高分子材料和生物材料 可以作為臨時(shí)細(xì)胞外基質(zhì)用作組織工程支架， 為細(xì)胞 的黏附提供位點(diǎn)并可指導(dǎo)細(xì)胞與支架的相互作用
[38]

由于膠原、 瓊脂糖和藻酸鹽等水凝膠類天然材料 可以提供足夠的生物相容性、 增殖和黏附能力及親水 性； 電紡的人工合成高分子材料復(fù)合支架又可以保證 支架的力學(xué)強(qiáng)度、塑形要求、孔隙率、可降解性等， 將天然材料利用上述的包埋技術(shù)和表面修飾技術(shù)復(fù) 合于電紡的高分子復(fù)合材料支架上， 將更有利于支架 性能的發(fā)揮[23]。 李忠等 [44] 實(shí)驗(yàn)將軟骨細(xì)胞與膠原溶液充分混合 后再接種于左旋聚乳酸-聚磷酸鈣纖維三維支架，既
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。

Li 等[39]將聚己內(nèi)酯用靜電紡絲技術(shù)制成一種納米纖 維支架與骨髓干細(xì)胞復(fù)合并在不同的培養(yǎng)環(huán)境中分 別誘導(dǎo)形成了脂肪組織、軟骨組織、骨組織。
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能發(fā)揮三維支架力學(xué)強(qiáng)度好及易于塑形等優(yōu)點(diǎn)， 又能 發(fā)揮膠原凝膠對(duì)細(xì)胞的均勻包埋和黏附作用， 利用靜 電紡方法構(gòu)建的細(xì)胞支架復(fù)合物能在體外培養(yǎng)條件 下較快成熟。 章偉平
[45]

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磷灰石涂覆處理后， 不僅能提高聚乳酸多孔支架的力 學(xué)性能，還能有效地提高多孔支架的親水性。 張歆[46]研究發(fā)現(xiàn)在材料表面涂覆一層膠原材料， 可改善支架材料整體的穩(wěn)定性和生物相容性， 同時(shí)也 可明顯改善其降解及礦化特性。 由此推斷， 被修飾過(guò)的電紡復(fù)合高分子材料在軟 骨組織工程中具有一定的優(yōu)勢(shì)， 研究人員也正不斷地 在這方面進(jìn)行探索， 以期軟骨組織工程能盡快應(yīng)用于 臨床。
作者貢獻(xiàn)：第一作者和通訊作者構(gòu)思并設(shè)計(jì)本綜述，
分析并解析數(shù)據(jù)，所有作者共同起草，經(jīng)通訊作者及第三 作者審校，第一作者對(duì)本文負(fù)責(zé)。

利益沖突：課題未涉及任何廠家及相關(guān)雇主或其他經(jīng)
濟(jì)組織直接或間接的經(jīng)濟(jì)或利益的贊助。

倫理要求：無(wú)涉及倫理沖突的內(nèi)容。 作者聲明：文章為原創(chuàng)作品，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，內(nèi)容不涉及
泄密，無(wú)一稿兩投，無(wú)抄襲，無(wú)內(nèi)容剽竊，無(wú)作者署名爭(zhēng) 議，無(wú)與他人課題以及專利技術(shù)的爭(zhēng)執(zhí)，內(nèi)容真實(shí)，文責(zé) 自負(fù)。

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