引用本文： 馮子嫣, 樊逸菲, 郭玖思, 付維力. 組織工程半月板支架材料的研究進展. 中國修復重建外科雜志, 2019, 33(8): 1019-1028. doi: 10.7507/1002-1892.201810046 復制
半月板是一種新月形纖維軟骨組織，位于股骨髁和脛骨平臺之間，由內側和外側兩個部分組成，在膝關節中起重要作用，包括傳遞力、減震、關節潤滑，以及維持關節穩定性。半月板容易損傷，并且損傷發生率一直在提高[1]；由于半月板內部區域無血管，其損傷后難以康復，后期往往會引發關節炎。目前，組織工程學的發展為半月板損傷治療提供了新思路。組織工程學是利用生物工程學原理開發受損組織的功能性替代物，這種代替物通常是由細胞、支架材料和生長因子三者組合而成。從力學角度看，支架材料應具有以下功能[2]：① 植入后有一定的生物力學功能，可以保護細胞免受壓力或拉力的損傷；② 維持形狀完整，維持缺陷區域的強度和穩定性，直到有足夠的組織再生；③ 產生機械刺激以促進組織再生。從生物學角度看，半月板支架應具有以下功能[3]：① 具有生物相容性，無毒性；② 為細胞提供合適的生存環境，能促進細胞與細胞的接觸，細胞增殖、分化、遷移；③ 有足夠的孔隙率使細胞培養基和生長因子滲透，使細胞分布均勻，也有利于新生組織長入；④ 支架材料可生物降解，與特定的再生速率相匹配，可在組織再生完成后完全降解。本文就組織工程半月板支架材料的研究進展綜述如下。
1 半月板支架材料分類
目前常用的組織工程半月板支架材料可分為 4 類：人工合成聚合物、水凝膠、細胞外基質（extracellular matrix，ECM）組分或組織衍生材料。人工合成聚合物是通過聚合反應形成的具有重復單元的大分子有機物；水凝膠是自然來源或者人工合成的容納大量水的親水性膠體；ECM 組分支架主要由天然 ECM 的某種組分形成；組織衍生材料是指經過脫細胞等處理的天然組織。這 4 類支架各有特點（表 1）。此外，目前還有多種材料制備而成的復合支架。
表1
4 類組織工程半月板支架材料優缺點比較
Table1.
Comparison of advantages and disadvantages of four kinds of materials for tissue engineered meniscus scaffolds
1.1 ECM 組分支架材料
1.1.1 膠原
膠原基支架由酸溶解的Ⅰ型膠原制成，已廣泛用于細胞培養和組織工程支架制備。它具有良好的生物相容性，引起的免疫反應較弱[11]。目前膠原半月板種植體已投入臨床使用。Whitehouse 等[12]對使用人 MSCs/膠原支架修復的 5 例半月板無血管區撕裂患者進行 2 年隨訪，其中 3 例患者的癥狀有緩解，臨床評分改善且 MRI 異常信號減弱，提示了這種治療方法的可行性。雖然膠原支架易于制造，但往往密度較低，機械性能很弱。為了提高其生物力學性能，Zitnay 等[13]利用一種新型雙向塑性壓縮方法，制備有橫向和軸向的對稱同性和孔隙率可控的致密膠原支架，增加了膠原支架的剛度和彈性模量。另一種提高其生物力學性能的方法是采用膠原的復合支架，如膠原-透明質酸支架。Heo 等[14]發現通過核黃素和紫外光進行交聯制備膠原-透明質酸支架，可以提高膠原支架的力學性能，延遲其降解速率，包埋纖維軟骨細胞后 ECM 分泌增加。Zellner 等[15]對比了單純縫合、無細胞透明質酸-膠原支架、透明質酸-膠原填充富血小板血漿和透明質酸-膠原支架接種自體 MSCs 4 種方式修復半月板撕裂的效果，發現只有接種自體 MSCs 的透明質酸-膠原支架修復組中生成了軟骨樣修復組織，提示該透明質酸-膠原支架具有較好的生物整合和生物力學性能。
1.1.2 絲素蛋白
絲素蛋白來自不同的鱗翅目幼蟲，由于擁有廣泛的氫鍵、大量疏水性蛋白質和具有較大結晶度，絲素蛋白有較強的穩定性，較好的強度和韌度 [16]。絲素中的絲膠蛋白是產生生物相容性問題和過敏的主要原因，絲膠被去除后，絲素蛋白不會引起免疫反應。另一方面，絲素蛋白是一種蛋白質，在體內可被水解，具有較好的生物降解性。絲素蛋白還可被加工為多種形式，例如纖維網格、膜、水凝膠、三維多孔支架和微球等[17]。Gruchenberg 等[18]將絲素蛋白支架植入綿羊損傷的半月板，發現該支架能承受負荷，抗壓能力接近正常半月板；但該支架不能與缺損處貼合，導致植入物與宿主間出現間隙。絲素蛋白在干燥狀態下易碎，Pillai 等[19]發現絲素蛋白-聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）靜電紡絲納米纖維復合支架可以克服這一問題，并且發現 3∶1 的絲素蛋白-PVA 靜電紡絲納米纖維復合支架能最好地支持細胞附著和生長。后來，他們使用 3∶1 的絲素蛋白-PVA 靜電紡絲納米纖維構建復合支架，并用 1%～3%（W/V）蒸壓蛋殼膜（autoclaved eggshell membrane，AESM）粉末增強生物力學性能，發現 3%AESM-絲素蛋白-PVA 靜電紡絲納米纖維復合支架具有與人正常半月板相似的壓縮和動態力學性能，且能夠更好地支持原代人半月板細胞增殖和 ECM 分泌[20]。
1.1.3 透明質酸
透明質酸是一種天然存在的、高度保守的糖胺聚糖，廣泛分布于體內。由于其在軟骨穩態中具有較好的多功能活性，已被證明是參與軟骨組織工程修復的理想分子[9]。然而，純透明質酸具有水溶性大、易被吸收和在組織中停留時間短的缺點。其酯化衍生物透明質酸芐酯（hyaluronan benzyl ester，HYAFF-11）、透明質酸乙酯（HYAFF-7）解決了這些問題，在干燥狀態下具有較好的穩定性和機械力學性能[21]。目前一種在 HYAFF-11 支架上接種自體軟骨細胞組成的移植物 Hyalograft C（Albano Terme 公司，意大利）已經引入臨床，用于治療全層軟骨缺損，效果較好[22]。另一種增強透明質酸穩定性與力學性能的方式是使用復合支架。BF-1-CO-PET 是一種由快速降解透明質酸（30%）和較慢降解的聚己內酯（polycaprolactone，PCL）（70%）加上聚氯乙烯制成的生物材料[23]。最初加入聚氯乙烯是為了提高該支架的力學性能，而 Koller 等[24]發現加入聚氯乙烯還能刺激軟骨細胞分化，說明此方法有構成組織工程半月板的可行性。
1.2 人工合成聚合物
1.2.1 聚乙醇酸（polyglycolic acid，PGA）
PGA 由乙醇酸聚合得到，其多孔結構有利于細胞增殖和黏附，是常見的組織工程支架。為了增加 PGA 的生物力學強度，Murakami 等[25]制作了聚左乳酸（poly-l-lactic acid，PLLA）海綿（s-PLLA）支架、PGA 涂層 PLLA 海綿（p-PLLA）支架、PGA 疊層（l-PGA）支架和 ε-己內酯膜 PGA 疊層（f-PGA）支架并進行評估，發現 f-PGA 支架強度較大，植入損傷半月板后具有良好的再生能力。由于動態培養可以促進營養物與代謝物的運輸，Warnock 等[26]對比了在靜態和動態培養條件下培養的開孔聚乳酸（polylactic acid，PLA）海綿支架和 PGA 支架；為了增加 PGA 支架的維持時間，制作了涂覆 PLLA 的 PGA 支架。結果顯示動態條件有助于細胞增殖，但是會影響支架親水性與密度；PLLA 沒有預期效果，反而抑制細胞黏附。
1.2.2 PLA
PLA 又稱聚羥基丙酸或聚交酯，是由乳酸單體縮聚而成的可生物降解高分子材料，有良好的生物相容性。由于其半衰期較長，它在修復期間可以保持原有強度。靜電紡絲是常用的 PLA 加工技術，可以模擬半月板微觀結構的機械性能，并使其具有高細胞相容性。Baek 等[27]以 PLA 為原料，使用靜電紡絲技術模仿天然半月板結構，發現這些靜電紡絲 PLA 支架具有各向異性的力學性能，支持細胞生長，并支持 ECM 產生。Zhu 等[28]將表達人軟骨源性形態發生蛋白 2 的犬成肌細胞接種于 PLA/PGA 支架上，發現有半月板軟骨樣組織再生。
1.2.3 聚乙丙交酯［poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA］
PLGA 是 PGA 與 PLA 制備的復合支架。PGA 與種子細胞的生物相容性高，常用于錨定干細胞；為了制備具有特定解剖形狀的支架并提高機械穩定性，通常在 PGA 支架的加工過程中使用一定量 PLA，即制作 PLGA 支架[29]。Gu 等[30]將種植了細胞的 PLGA 支架植入切除半月板前角的比格犬中，發現有半月板樣纖維軟骨生成。后續有研究[31]將接種犬成肌細胞的 PLGA 支架植入小鼠皮下袋中，觀察到有 ECM 產生，其壓縮模量和糖胺聚糖含量與小鼠正常半月板相近。由于富血小板血漿能提供大量生長因子，Kwak 等[32]將 PLGA 網狀支架進行富血小板血漿預處理，發現其具有更強的細胞附著能力，促進了半月板愈合。
1.2.4 聚氨酯
聚氨酯半月板支架是一種常用的半月板組織工程無細胞支架。Shin 等[33]分析指出，與基線評分相比，用聚氨酯半月板支架治療的半月板缺損患者顯示出顯著的功能改善和疼痛緩解。因此，聚氨酯半月板支架具有治療部分半月板缺損患者的可能性，但需要進一步研究以確定惡化的關節軟骨評分（AC）和絕對半月板擠壓評分（AME）是否與使用聚氨酯半月板支架具有臨床相關性。Actifit（Orteq 公司，英國）是目前臨床使用的一種新型多孔可生物降解聚氨酯支架，被推薦用于治療無法修復的半月板缺損，已經獲得了較好早期結果[34]。針對慢性內側半月板部分缺損患者，關節鏡下植入 Actifit 不僅是一種安全的手術方式，并在術后 2 年隨訪中獲得良好的臨床效果[35-36]。Faivre 等[37]的臨床研究表明，接受 Actifit 半月板支架替代治療的患者術后 1、2 年平均國際膝關節文獻委員會（IKDC）評分明顯增加，膝關節損傷和骨關節炎評分（KOOS）的功能/運動/娛樂活動部分顯著改善。然而，復合細胞的聚氨酯半月板支架還缺乏進一步研究。Koch 等[38]研究載有 MSCs 的聚氨酯支架，發現在新西蘭白兔模型中，無細胞和復合細胞的兩種治療方法都能使修復組織具有良好的整合性和穩定性，而比起單純使用支架，MSCs 的應用促進了半月板損傷的愈合。
1.2.5 PCL
PCL 有優異的力學性能、生物活性和材料可加工性，它在體內降解速度慢，可以維持初始機械性能直到有足夠的新生半月板組織向內生長，是一種有發展前景的半月板組織工程支架材料。Zhang 等[39]采用 3D 打印 PCL 半月板支架復合 BMSCs，發現該復合支架可以支持纖維軟骨組織再生，增加其機械強度。然而，將 PCL 用于組織工程的主要局限性在于其表面缺乏足夠的細胞附著[40]。針對這一點，目前有許多關于 PCL 復合支架的研究。Ⅰ型膠原有利于軟骨細胞的增殖、黏附和分化，沈師等[41]在 PCL 中加入Ⅰ型膠原，3D 打印制備 PCL-Ⅰ型膠原半月板支架，發現與單純 PCL 半月板支架相比，該復合支架表面更粗糙，表面接觸角更小，更有利于細胞黏附。Gopinathan 等[42]制作填充了不同濃度的碳納米填料（碳納米管、納米石墨和脫落石墨）的 PCL 支架，發現碳納米填料的加入可以改善細胞黏附，增加支架導電性能，促使細胞遷移。
1.3 水凝膠
水凝膠是由天然或合成聚合物鏈網絡交聯構成的半液體親水膠體。它們可以很容易地澆鑄成所需形狀，力學性能較易控制，可以吸收并保持其結構間隙中的大量水分，均勻地與種子細胞和生長因子混合[43]。常用的水凝膠包括海藻酸、殼聚糖、明膠、細菌纖維素等。
1.3.1 海藻酸
海藻酸是一種天然線性多糖，具有強親水性。在組織工程中，海藻酸的組成、黏度、純度會影響所形成水凝膠的物理化學性質，從而影響其包裹的細胞[44]。針對這一點，Rey-Rico 等[45]通過對比不同海藻酸水凝膠，發現生物醫用級的、含高甘露糖酸的海藻酸能最好地促進和維持包裹在其中的纖維軟骨細胞產生蛋白聚糖，提示其作為組織工程半月板支架材料的可行性。然而，天然海藻酸水凝膠的缺陷在于其延展性和韌性較差。有研究[46]發現加入丙烯酰胺可以克服這一問題。為了進一步模仿天然半月板，考慮到天然半月板被認為是膠原纖維增強的蛋白聚糖凝膠，Bakarich 等[47]以纖維增強的海藻酸鹽/丙烯酰胺水凝膠作為原材料，并用 3D 打印技術模仿半月板的結構，結果顯示該支架有較好的機械性能，且受力分布與天然半月板類似。復合支架中，除了復合丙烯酰胺，有研究[48]考慮到有記憶性能的材料對于關節這樣的承重環境有優勢，通過海藻酸鹽共價交聯來使碳二亞胺支架擁有記憶性能，設計了具有記憶性能的組織工程半月板支架。
1.3.2 殼聚糖
殼聚糖是一種由 D-氨基葡萄糖與 N-乙酰-D-氨基葡萄糖組成的多糖，具有良好的生物相容性和生物降解性。有研究[49]發現殼聚糖能干擾血小板聚集和血小板介導的凝塊縮回，使得血小板活化，分泌顆粒，PDGF 和 EGF 的累積釋放量增多，因此在體內穩定性好，并能誘導細胞募集和肉芽組織合成。BST-CarGel（Piramal Healthcare 公司，加拿大）是一種可溶性殼聚糖支架，將其分散在血液中后植入軟骨損傷中的骨髓通路孔，可以穩定微裂縫的血凝塊。Shive 等[50]設計了一個隨機對照試驗研究該療法效果，結果顯示其軟骨修復效果較好，與微骨折療法相比，其新生軟骨更接近天然軟骨。由于殼聚糖是一種機械性能弱的材料，與明膠混合可以改善這一缺點，因此 Sarem 等[51]制備明膠/殼聚糖復合支架，發現除了能增加支架材料的壓縮模量，還有利于細胞增殖。同樣，為了增強殼聚糖支架的機械性能，Moradi 等[52]制備了 PVA /殼聚糖支架，并通過對比不同相對分子質量的殼聚糖的效果，發現 PVA 與殼聚糖摩爾比為 1∶4 的支架最有利于細胞分泌 ECM；該研究同時發現該支架接種關節軟骨細胞，在體內能有效促進損傷半月板再生，顯示其作為組織工程半月板支架材料的可行性。
1.3.3 明膠
明膠是一種在組織工程中常用的水凝膠。有研究[53]發現明膠水凝膠聯合 FGF-2 能顯著刺激半月板細胞增殖，抑制半月板細胞的死亡，從而促進半月板修復。甲基丙烯酸酐化明膠（methacrylated gelatin，GelMA）水凝膠由甲基丙烯酸酐與明膠復合制備獲得，可由紫外光或可見光激發固化反應，比明膠具有更好的成形性能，常用來代替明膠。Sasaki 等[54]將脂肪來源干細胞作為半月板再生的細胞來源，將其包埋于 GelMA 水凝膠中，并加入 TGF-β3，發現其能較好地促進半月板撕裂愈合。為了能創造更有利于細胞生長的環境，Rothrauff 等[55]將內半月板和外半月板區域提取的可溶性 ECM 加入到 GelMA 水凝膠中，制造出有助于細胞增殖和軟骨基質生成的支架。Grogan 等[56]以 GelMA 為原料，嘗試用立體投影光刻的新技術來模擬自然半月板組織，發現其有較好的生物相容性，與傳統方法如鑄模和靜電紡絲等比較，在速度、靈活性和可伸縮性方面具有明顯優勢。
1.3.4 細菌纖維素
細菌纖維素是一種胞外多糖，主要由木糖酸桿菌分泌，具有精細的網絡結構、較高的機械強度、較高的吸水和保水性能、良好的生物相容性和生物降解性等。在培養基中，這種微生物產生非常細的纖維，相互纏繞，形成具有納米纖維結構的膜（bacterial cellulose membrane，BCM），具有選擇性滲透性、細胞黏附性，并有助于培養基的擴散。Silva 等[57]分離培養兔 BMSCs 與 BCM 整合，證明該支架材料無毒性，與細胞結合較好，支持細胞增殖分化。由于細菌纖維素本質上不存在抗菌性能，為了減少感染，有研究[58]采用化學接枝方法制備氨基硅烷接枝 BCM，從而得到能抑制細菌黏附的功能化 BCM，并通過大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌和白色念珠菌證實該功能化 BCM 表現出優異的抗菌性能和良好的生物相容性。由于細菌纖維素在許多溶劑中的溶解性較差，Palaninathan 等[59]用細菌纖維素通過乙酰磺化與硫酸基官能化得到細菌硫酸纖維素，以增加其溶解性，又因細菌硫酸纖維素的可紡性差，加入 PVA 從而制作成納米支架，該支架的高度生物相容性證明其有作為組織工程半月板支架的潛力。
1.4 組織衍生材料
1.4.1 小腸黏膜下層（small intestinal submucosa，SIS）
SIS 是來自豬小腸的天然 ECM，由大量縱向排列的膠原纖維構成，具有縱向伸展性能；其含有不同的生長因子，如 FBF、VEGF 和 TGF-β 等，能刺激細胞生長分化，是一種常用的支架材料。已有研究證實在未接種細胞的情況下，SIS 可以修復半月板紅區、白區或紅白交界區的缺損[60-62]。Tan 等[63]將半月板細胞和滑膜干細胞接種至 SIS 后進行體外培養，結果顯示細胞附著良好，細胞存活數量增加，兩種細胞共培養與單獨培養相比，有更多細胞分化為軟骨細胞，產生更多 ECM。另一方面，有研究[64]將犬滑膜細胞接種于 SIS 上，1 個月后發現接種滑膜細胞可以提高 SIS 的最大拉伸負荷、彈性和韌性，提升 SIS 的生物力學性能；若再加入軟骨源性生長因子，則能顯著增加半月板基質的形成，證明接種細胞并加入生長因子的 SIS 有作為組織工程半月板的潛能。
1.4.2 脫細胞半月板支架
Abdelgaied 等[65]對比研究了豬脫細胞半月板與人天然半月板，發現豬脫細胞半月板的拉伸性能相似，拉伸初始彈性模量和壓縮彈性模量較低，滲透性較高。Yamasaki 等[66]將 BMSCs 接種到液氮凍融后的小鼠脫細胞半月板上，4 周后觀察到 ECM 增多，小鼠脫細胞半月板硬度也增加到類似于正常人類半月板的水平。后來，他們將 BMSCs 接種到 Sprague 大鼠脫細胞半月板后移植到半月板缺損處，發現接種細胞組的關節軟骨損傷較輕[67]。以上研究證明了脫細胞半月板作為組織工程半月板支架的可行性。
1.4.3 脫細胞基質（decellularized meniscal extracellular matrix，DMECM）
DMECM 為細胞的生長、增殖和遷移提供必要的環境，是一種常見的組織工程支架材料。Yuan 等[68]將半月板纖維軟骨細胞接種于單純 DMECM 支架，發現其能較好地促進細胞增殖、遷移、分化，但由于 DMECM 的生物力學性能較差，植入體內后無法承受壓力的負荷，而半月板支架對力學性能要求較高，因此 DMECM 難以直接作為半月板支架。為了解決這一問題，Gao 等[69]制作了 DMECM/PCL 復合支架，成功地增加了其機械性能，細胞增殖與 ECM 分泌也保持在較好水平，但是其低孔隙率限制了細胞遷移。后來，他們制作了多孔 DMECM 支架來促進細胞遷移與分布，同時使用 DMECM/PCL 靜電紡絲纖維進行加固，該支架中由 DMECM 提供的多孔結構可以促進半月板細胞增殖并分泌 ECM，同時其具有足夠的機械性能來承載負荷[70]。目前 DMECM 材料已用于臨床，但是具體機制不明[71]。
1.5 復合支架
由于不同材料各有優、缺點，目前有大量研究采用多種材料制作復合支架，結合各種材料優勢，使支架能滿足組織工程半月板的要求。這些材料往往承擔不同的功能，一部分材料提高支架的力學強度與機械性能，一部分材料模擬細胞生活環境，促使細胞增殖、遷移。為了滿足這些功能，需要選擇具有相應特征的材料。
Kremer 等[72]的研究將 SIS 復合Ⅰ型膠原制作支架，膠原能提供 SIS 所缺乏的力學強度，并維持一個三維環境，而 SIS 含有不同的生長因子，能刺激細胞生長分化。類似的，Wang 等[73]的研究中，支架由氧化細菌纖維素、羥賴氨酸和殼聚糖組成，其中氧化細菌纖維素提供類似于 ECM 的納米纖維結構，使支架有足夠的機械強度；羥賴氨酸和殼聚糖提供細胞生活環境。羥賴氨酸是膠原的重要成分，能促進細胞分化并促進軟骨形成[74]；殼聚糖與存在于關節軟骨中的糖胺多糖和透明質酸具有相似結構特征，而其力學性能差，成軟骨潛力低的缺點可被氧化細菌纖維素彌補。在加入聚[脫氨基酪氨酰酪氨酸十二烷基酯]［p（DTD DD）］纖維的膠原-透明質酸海綿支架[75]中，p（DTD DD）纖維具有較高機械性能和相對緩慢的降解曲線，而多孔的膠原-透明質酸海綿為細胞提供附著和浸潤的環境。Halili 等[76]用靜電紡絲纖維墊增加支架的機械性能與強度，用不同組成的膠原泡沫提供細胞附著增殖的環境，設計一個具有 5 層三維結構的支架，從而模擬半月板的結構。綜上，復合支架能通過搭配不同材料，在擁有足夠力學性能的同時有利于細胞黏附與活動。
2 半月板支架材料的加工方式
傳統的半月板支架材料制作方式包括溶劑澆鑄/顆粒浸出、氣體發泡、冷凍干燥和靜電紡絲等，每種技術各有特點。溶劑澆鑄/顆粒浸出是最簡單的制作方法之一，但該方法難以控制支架中孔的形狀與連通性，加工過程中可能用到有毒性和免疫原性的分散劑[77]，只能制作局限于厚度 500～2 000 μm 的二維薄膜[78]。氣體發泡不需要使用有毒的分散劑[79]，可以獲得高達 93% 的孔隙率[80]和直徑 100 mm 的大孔[81]；然而，通過氣體發泡也難以控制孔隙連通性和孔隙大小，能達到的最大壓縮模量遠低于硬組織或大多數軟組織[82]。冷凍干燥法可減少使用大部分有毒化學品，處理步驟也較少，能制作孔隙率>90% 的支架，然而支架孔徑較小[83]。靜電紡絲的優勢是除了可以生產直徑在微米范圍內的傳統纖維，還能生產直徑在納米范圍內的纖維，因此具有一些與傳統材料不同的特點[84]；另外，靜電紡絲制作的支架能達到 90% 以上的孔隙率，孔徑從幾微米到幾百微米不等[85]。靜電紡絲的缺點在于加工過程中可能會用到有毒性的化學物質。
但以上傳統的半月板支架加工方法存在以下缺點：① 難以控制支架孔徑、幾何形狀、孔隙互連性和空間分布，細胞在支架內的分布基本上是隨機的；② 復雜結構的器官通常由多種細胞類型和生物因子組成，然而在半月板支架中細胞和生物因子不能精確達到預計的空間位置，因此不利于它們相互作用；③ 傳統的組織工程方法很難在預成型的三維支架內構建血管系統。
針對傳統半月板支架加工方法所存在的不足，目前出現了一些新技術，例如增材制造技術、3D 打印和立體光刻技術等，這些技術有潛力提升半月板支架的各項性能。增材制造技術通過計算機輔助設計、三維掃描或層析成像所提供的信息來分層構建對象，而不需要傳統的模具或加工。它包括立體光刻、3D 打印以及熔融擠出（fused deposition modeling，FDM）[86]。FDM 是最常用的增材制造技術，Zhang 等[39]采用 FDM 技術制作 PCL 半月板支架并確定其能增加機械強度。
3D 打印所用材料通常為水凝膠，因為其有高含水量、良好的生物相容性等特點。利用水凝膠溫和的交聯/凝膠機制促進細胞封裝，可以對細胞活力的不利影響降至最小[87]。Ballyns 等[88]以海藻酸鈉水凝膠為原材料，采用 3D 打印技術制作了解剖學形狀的半月板結構，解決了半月板幾何結構不匹配導致的移植失敗問題[89]。目前已有 3D 打印關節假體進入臨床使用治療嚴重肱骨遠端骨缺損，并被證實修復效果較好[90]。
立體光刻技術需要光敏材料，與其他方法相比，數字微鏡裝置投影立體光刻（digital micromirror device，DMD）在速度、靈活性和可伸縮性方面具有明顯優勢。Grogan 等[56]以 GelMA 水凝膠為原材料，采用 DMD 技術制作半月板支架，證明該支架可以保持細胞活力，根據支架的微觀結構產生有序的細胞排列，促進半月板樣組織的形成。
3 半月板仿生設計
半月板的功能主要是承受和傳導載荷、吸收震蕩、穩定關節、協助關節潤滑和接受本體感覺等[91-94]，其功能得益于其本身的超微結構及解剖學上的特殊性。除外周 1/3 部位的Ⅰ型和Ⅱ型神經末梢以及前、后角的一些感受器賦予其本體感覺功能外，其他功能都與半月板的生物力學特性相關。因此，半月板的仿生設計應該從解剖結構與生物力學兩方面綜合考慮。
解剖結構方面，由于半月板表面是較軟的果凍樣結構，Halili 等[76]構建了一個多層支架，頂層由Ⅰ型膠原蛋白硫酸鹽-透明質酸膠原制成，這些原材料比例接近天然半月板，用于模擬其表面。另一方面，半月板組織有 3 個不同的區域，包括外側較細和中間較寬的網狀纖維結構，以及底部膠原束在層狀方向上排列的結構。為了模擬這一結構，Sarem 等[51]選擇不同孔隙率與力學性質的 3 個單層 Cs/G 材料，加工成類似上述天然半月板的 3 個單元，共同組成了具有修復半月板損傷潛力的完整支架。
生物力學方面，半月板的機械性能依賴于其中心層軸向排列的膠原纖維束結構，它們可以提供軸向抗拉強度。Baek 等[27]通過靜電紡絲技術，構建纖維排列類似天然半月板結構的靜電紡絲支架，來模擬半月板的力學性質。與纖維隨機排列的支架相比，前者的各向異性拉伸模量更接近于天然，擁有更好的力學性能。同樣，為了模仿半月板的力學性能，Halili 等[76]構建了多層支架，其中間層和底層為不同孔隙率的膠原泡沫，兩個間隔有靜電紡絲納米微纖維墊。經過測試，該三維結構壓縮模量大于天然半月板，拉伸模量接近于天然半月板，具有較好的機械性能；同時多孔結構有利于細胞增殖附著。綜上，結合半月板本身的解剖結構與力學性能來設計支架，有助于提高支架臨床應用的可行性。
4 展望
隨著對半月板結構與性質了解的深入，組織工程半月板支架的研究在不斷地進展，是一種有潛力的半月板損傷治療方式。單一材料制備的半月板支架受到材料本身特點的限制；復合支架由不同材料制備，取長補短，能更好地滿足半月板支架制備要求，是目前的大趨勢之一。部分單一材料支架已經進入臨床使用，對于已投入臨床使用的半月板支架，長期隨訪是必要的，如何改良其治療效果也是值得深思的問題。絕大多數半月板支架還未進入臨床使用，仍需進一步研究如何改善其機械性能，如何提高其生物相容性。隨著人們對半月板研究的不斷深入，仿生設計將是半月板支架的熱點領域，3D 打印、靜電紡絲纖維等新技術的使用，將有助于達到這一目標。
作者貢獻：馮子嫣參與提出綜述題目、查找并篩選參考文獻、撰寫文章及審查；樊逸菲參與查找并篩選參考文獻、撰寫文章；郭玖思參與篩選參考文獻、撰寫文章及審查；付維力負責論文選題與設計，對文章的知識性內容作批評性審閱、指導。
利益沖突聲明：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。所有作者對稿件署名排名沒有異議。經費支持沒有影響文章觀點。
半月板是一種新月形纖維軟骨組織，位于股骨髁和脛骨平臺之間，由內側和外側兩個部分組成，在膝關節中起重要作用，包括傳遞力、減震、關節潤滑，以及維持關節穩定性。半月板容易損傷，并且損傷發生率一直在提高[1]；由于半月板內部區域無血管，其損傷后難以康復，后期往往會引發關節炎。目前，組織工程學的發展為半月板損傷治療提供了新思路。組織工程學是利用生物工程學原理開發受損組織的功能性替代物，這種代替物通常是由細胞、支架材料和生長因子三者組合而成。從力學角度看，支架材料應具有以下功能[2]：① 植入后有一定的生物力學功能，可以保護細胞免受壓力或拉力的損傷；② 維持形狀完整，維持缺陷區域的強度和穩定性，直到有足夠的組織再生；③ 產生機械刺激以促進組織再生。從生物學角度看，半月板支架應具有以下功能[3]：① 具有生物相容性，無毒性；② 為細胞提供合適的生存環境，能促進細胞與細胞的接觸，細胞增殖、分化、遷移；③ 有足夠的孔隙率使細胞培養基和生長因子滲透，使細胞分布均勻，也有利于新生組織長入；④ 支架材料可生物降解，與特定的再生速率相匹配，可在組織再生完成后完全降解。本文就組織工程半月板支架材料的研究進展綜述如下。
1 半月板支架材料分類
目前常用的組織工程半月板支架材料可分為 4 類：人工合成聚合物、水凝膠、細胞外基質（extracellular matrix，ECM）組分或組織衍生材料。人工合成聚合物是通過聚合反應形成的具有重復單元的大分子有機物；水凝膠是自然來源或者人工合成的容納大量水的親水性膠體；ECM 組分支架主要由天然 ECM 的某種組分形成；組織衍生材料是指經過脫細胞等處理的天然組織。這 4 類支架各有特點（表 1）。此外，目前還有多種材料制備而成的復合支架。
表1
4 類組織工程半月板支架材料優缺點比較
Table1.
Comparison of advantages and disadvantages of four kinds of materials for tissue engineered meniscus scaffolds
1.1 ECM 組分支架材料
1.1.1 膠原
膠原基支架由酸溶解的Ⅰ型膠原制成，已廣泛用于細胞培養和組織工程支架制備。它具有良好的生物相容性，引起的免疫反應較弱[11]。目前膠原半月板種植體已投入臨床使用。Whitehouse 等[12]對使用人 MSCs/膠原支架修復的 5 例半月板無血管區撕裂患者進行 2 年隨訪，其中 3 例患者的癥狀有緩解，臨床評分改善且 MRI 異常信號減弱，提示了這種治療方法的可行性。雖然膠原支架易于制造，但往往密度較低，機械性能很弱。為了提高其生物力學性能，Zitnay 等[13]利用一種新型雙向塑性壓縮方法，制備有橫向和軸向的對稱同性和孔隙率可控的致密膠原支架，增加了膠原支架的剛度和彈性模量。另一種提高其生物力學性能的方法是采用膠原的復合支架，如膠原-透明質酸支架。Heo 等[14]發現通過核黃素和紫外光進行交聯制備膠原-透明質酸支架，可以提高膠原支架的力學性能，延遲其降解速率，包埋纖維軟骨細胞后 ECM 分泌增加。Zellner 等[15]對比了單純縫合、無細胞透明質酸-膠原支架、透明質酸-膠原填充富血小板血漿和透明質酸-膠原支架接種自體 MSCs 4 種方式修復半月板撕裂的效果，發現只有接種自體 MSCs 的透明質酸-膠原支架修復組中生成了軟骨樣修復組織，提示該透明質酸-膠原支架具有較好的生物整合和生物力學性能。
1.1.2 絲素蛋白
絲素蛋白來自不同的鱗翅目幼蟲，由于擁有廣泛的氫鍵、大量疏水性蛋白質和具有較大結晶度，絲素蛋白有較強的穩定性，較好的強度和韌度 [16]。絲素中的絲膠蛋白是產生生物相容性問題和過敏的主要原因，絲膠被去除后，絲素蛋白不會引起免疫反應。另一方面，絲素蛋白是一種蛋白質，在體內可被水解，具有較好的生物降解性。絲素蛋白還可被加工為多種形式，例如纖維網格、膜、水凝膠、三維多孔支架和微球等[17]。Gruchenberg 等[18]將絲素蛋白支架植入綿羊損傷的半月板，發現該支架能承受負荷，抗壓能力接近正常半月板；但該支架不能與缺損處貼合，導致植入物與宿主間出現間隙。絲素蛋白在干燥狀態下易碎，Pillai 等[19]發現絲素蛋白-聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）靜電紡絲納米纖維復合支架可以克服這一問題，并且發現 3∶1 的絲素蛋白-PVA 靜電紡絲納米纖維復合支架能最好地支持細胞附著和生長。后來，他們使用 3∶1 的絲素蛋白-PVA 靜電紡絲納米纖維構建復合支架，并用 1%～3%（W/V）蒸壓蛋殼膜（autoclaved eggshell membrane，AESM）粉末增強生物力學性能，發現 3%AESM-絲素蛋白-PVA 靜電紡絲納米纖維復合支架具有與人正常半月板相似的壓縮和動態力學性能，且能夠更好地支持原代人半月板細胞增殖和 ECM 分泌[20]。
1.1.3 透明質酸
透明質酸是一種天然存在的、高度保守的糖胺聚糖，廣泛分布于體內。由于其在軟骨穩態中具有較好的多功能活性，已被證明是參與軟骨組織工程修復的理想分子[9]。然而，純透明質酸具有水溶性大、易被吸收和在組織中停留時間短的缺點。其酯化衍生物透明質酸芐酯（hyaluronan benzyl ester，HYAFF-11）、透明質酸乙酯（HYAFF-7）解決了這些問題，在干燥狀態下具有較好的穩定性和機械力學性能[21]。目前一種在 HYAFF-11 支架上接種自體軟骨細胞組成的移植物 Hyalograft C（Albano Terme 公司，意大利）已經引入臨床，用于治療全層軟骨缺損，效果較好[22]。另一種增強透明質酸穩定性與力學性能的方式是使用復合支架。BF-1-CO-PET 是一種由快速降解透明質酸（30%）和較慢降解的聚己內酯（polycaprolactone，PCL）（70%）加上聚氯乙烯制成的生物材料[23]。最初加入聚氯乙烯是為了提高該支架的力學性能，而 Koller 等[24]發現加入聚氯乙烯還能刺激軟骨細胞分化，說明此方法有構成組織工程半月板的可行性。
1.2 人工合成聚合物
1.2.1 聚乙醇酸（polyglycolic acid，PGA）
PGA 由乙醇酸聚合得到，其多孔結構有利于細胞增殖和黏附，是常見的組織工程支架。為了增加 PGA 的生物力學強度，Murakami 等[25]制作了聚左乳酸（poly-l-lactic acid，PLLA）海綿（s-PLLA）支架、PGA 涂層 PLLA 海綿（p-PLLA）支架、PGA 疊層（l-PGA）支架和 ε-己內酯膜 PGA 疊層（f-PGA）支架并進行評估，發現 f-PGA 支架強度較大，植入損傷半月板后具有良好的再生能力。由于動態培養可以促進營養物與代謝物的運輸，Warnock 等[26]對比了在靜態和動態培養條件下培養的開孔聚乳酸（polylactic acid，PLA）海綿支架和 PGA 支架；為了增加 PGA 支架的維持時間，制作了涂覆 PLLA 的 PGA 支架。結果顯示動態條件有助于細胞增殖，但是會影響支架親水性與密度；PLLA 沒有預期效果，反而抑制細胞黏附。
1.2.2 PLA
PLA 又稱聚羥基丙酸或聚交酯，是由乳酸單體縮聚而成的可生物降解高分子材料，有良好的生物相容性。由于其半衰期較長，它在修復期間可以保持原有強度。靜電紡絲是常用的 PLA 加工技術，可以模擬半月板微觀結構的機械性能，并使其具有高細胞相容性。Baek 等[27]以 PLA 為原料，使用靜電紡絲技術模仿天然半月板結構，發現這些靜電紡絲 PLA 支架具有各向異性的力學性能，支持細胞生長，并支持 ECM 產生。Zhu 等[28]將表達人軟骨源性形態發生蛋白 2 的犬成肌細胞接種于 PLA/PGA 支架上，發現有半月板軟骨樣組織再生。
1.2.3 聚乙丙交酯［poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA］
PLGA 是 PGA 與 PLA 制備的復合支架。PGA 與種子細胞的生物相容性高，常用于錨定干細胞；為了制備具有特定解剖形狀的支架并提高機械穩定性，通常在 PGA 支架的加工過程中使用一定量 PLA，即制作 PLGA 支架[29]。Gu 等[30]將種植了細胞的 PLGA 支架植入切除半月板前角的比格犬中，發現有半月板樣纖維軟骨生成。后續有研究[31]將接種犬成肌細胞的 PLGA 支架植入小鼠皮下袋中，觀察到有 ECM 產生，其壓縮模量和糖胺聚糖含量與小鼠正常半月板相近。由于富血小板血漿能提供大量生長因子，Kwak 等[32]將 PLGA 網狀支架進行富血小板血漿預處理，發現其具有更強的細胞附著能力，促進了半月板愈合。
1.2.4 聚氨酯
聚氨酯半月板支架是一種常用的半月板組織工程無細胞支架。Shin 等[33]分析指出，與基線評分相比，用聚氨酯半月板支架治療的半月板缺損患者顯示出顯著的功能改善和疼痛緩解。因此，聚氨酯半月板支架具有治療部分半月板缺損患者的可能性，但需要進一步研究以確定惡化的關節軟骨評分（AC）和絕對半月板擠壓評分（AME）是否與使用聚氨酯半月板支架具有臨床相關性。Actifit（Orteq 公司，英國）是目前臨床使用的一種新型多孔可生物降解聚氨酯支架，被推薦用于治療無法修復的半月板缺損，已經獲得了較好早期結果[34]。針對慢性內側半月板部分缺損患者，關節鏡下植入 Actifit 不僅是一種安全的手術方式，并在術后 2 年隨訪中獲得良好的臨床效果[35-36]。Faivre 等[37]的臨床研究表明，接受 Actifit 半月板支架替代治療的患者術后 1、2 年平均國際膝關節文獻委員會（IKDC）評分明顯增加，膝關節損傷和骨關節炎評分（KOOS）的功能/運動/娛樂活動部分顯著改善。然而，復合細胞的聚氨酯半月板支架還缺乏進一步研究。Koch 等[38]研究載有 MSCs 的聚氨酯支架，發現在新西蘭白兔模型中，無細胞和復合細胞的兩種治療方法都能使修復組織具有良好的整合性和穩定性，而比起單純使用支架，MSCs 的應用促進了半月板損傷的愈合。
1.2.5 PCL
PCL 有優異的力學性能、生物活性和材料可加工性，它在體內降解速度慢，可以維持初始機械性能直到有足夠的新生半月板組織向內生長，是一種有發展前景的半月板組織工程支架材料。Zhang 等[39]采用 3D 打印 PCL 半月板支架復合 BMSCs，發現該復合支架可以支持纖維軟骨組織再生，增加其機械強度。然而，將 PCL 用于組織工程的主要局限性在于其表面缺乏足夠的細胞附著[40]。針對這一點，目前有許多關于 PCL 復合支架的研究。Ⅰ型膠原有利于軟骨細胞的增殖、黏附和分化，沈師等[41]在 PCL 中加入Ⅰ型膠原，3D 打印制備 PCL-Ⅰ型膠原半月板支架，發現與單純 PCL 半月板支架相比，該復合支架表面更粗糙，表面接觸角更小，更有利于細胞黏附。Gopinathan 等[42]制作填充了不同濃度的碳納米填料（碳納米管、納米石墨和脫落石墨）的 PCL 支架，發現碳納米填料的加入可以改善細胞黏附，增加支架導電性能，促使細胞遷移。
1.3 水凝膠
水凝膠是由天然或合成聚合物鏈網絡交聯構成的半液體親水膠體。它們可以很容易地澆鑄成所需形狀，力學性能較易控制，可以吸收并保持其結構間隙中的大量水分，均勻地與種子細胞和生長因子混合[43]。常用的水凝膠包括海藻酸、殼聚糖、明膠、細菌纖維素等。
1.3.1 海藻酸
海藻酸是一種天然線性多糖，具有強親水性。在組織工程中，海藻酸的組成、黏度、純度會影響所形成水凝膠的物理化學性質，從而影響其包裹的細胞[44]。針對這一點，Rey-Rico 等[45]通過對比不同海藻酸水凝膠，發現生物醫用級的、含高甘露糖酸的海藻酸能最好地促進和維持包裹在其中的纖維軟骨細胞產生蛋白聚糖，提示其作為組織工程半月板支架材料的可行性。然而，天然海藻酸水凝膠的缺陷在于其延展性和韌性較差。有研究[46]發現加入丙烯酰胺可以克服這一問題。為了進一步模仿天然半月板，考慮到天然半月板被認為是膠原纖維增強的蛋白聚糖凝膠，Bakarich 等[47]以纖維增強的海藻酸鹽/丙烯酰胺水凝膠作為原材料，并用 3D 打印技術模仿半月板的結構，結果顯示該支架有較好的機械性能，且受力分布與天然半月板類似。復合支架中，除了復合丙烯酰胺，有研究[48]考慮到有記憶性能的材料對于關節這樣的承重環境有優勢，通過海藻酸鹽共價交聯來使碳二亞胺支架擁有記憶性能，設計了具有記憶性能的組織工程半月板支架。
1.3.2 殼聚糖
殼聚糖是一種由 D-氨基葡萄糖與 N-乙酰-D-氨基葡萄糖組成的多糖，具有良好的生物相容性和生物降解性。有研究[49]發現殼聚糖能干擾血小板聚集和血小板介導的凝塊縮回，使得血小板活化，分泌顆粒，PDGF 和 EGF 的累積釋放量增多，因此在體內穩定性好，并能誘導細胞募集和肉芽組織合成。BST-CarGel（Piramal Healthcare 公司，加拿大）是一種可溶性殼聚糖支架，將其分散在血液中后植入軟骨損傷中的骨髓通路孔，可以穩定微裂縫的血凝塊。Shive 等[50]設計了一個隨機對照試驗研究該療法效果，結果顯示其軟骨修復效果較好，與微骨折療法相比，其新生軟骨更接近天然軟骨。由于殼聚糖是一種機械性能弱的材料，與明膠混合可以改善這一缺點，因此 Sarem 等[51]制備明膠/殼聚糖復合支架，發現除了能增加支架材料的壓縮模量，還有利于細胞增殖。同樣，為了增強殼聚糖支架的機械性能，Moradi 等[52]制備了 PVA /殼聚糖支架，并通過對比不同相對分子質量的殼聚糖的效果，發現 PVA 與殼聚糖摩爾比為 1∶4 的支架最有利于細胞分泌 ECM；該研究同時發現該支架接種關節軟骨細胞，在體內能有效促進損傷半月板再生，顯示其作為組織工程半月板支架材料的可行性。
1.3.3 明膠
明膠是一種在組織工程中常用的水凝膠。有研究[53]發現明膠水凝膠聯合 FGF-2 能顯著刺激半月板細胞增殖，抑制半月板細胞的死亡，從而促進半月板修復。甲基丙烯酸酐化明膠（methacrylated gelatin，GelMA）水凝膠由甲基丙烯酸酐與明膠復合制備獲得，可由紫外光或可見光激發固化反應，比明膠具有更好的成形性能，常用來代替明膠。Sasaki 等[54]將脂肪來源干細胞作為半月板再生的細胞來源，將其包埋于 GelMA 水凝膠中，并加入 TGF-β3，發現其能較好地促進半月板撕裂愈合。為了能創造更有利于細胞生長的環境，Rothrauff 等[55]將內半月板和外半月板區域提取的可溶性 ECM 加入到 GelMA 水凝膠中，制造出有助于細胞增殖和軟骨基質生成的支架。Grogan 等[56]以 GelMA 為原料，嘗試用立體投影光刻的新技術來模擬自然半月板組織，發現其有較好的生物相容性，與傳統方法如鑄模和靜電紡絲等比較，在速度、靈活性和可伸縮性方面具有明顯優勢。
1.3.4 細菌纖維素
細菌纖維素是一種胞外多糖，主要由木糖酸桿菌分泌，具有精細的網絡結構、較高的機械強度、較高的吸水和保水性能、良好的生物相容性和生物降解性等。在培養基中，這種微生物產生非常細的纖維，相互纏繞，形成具有納米纖維結構的膜（bacterial cellulose membrane，BCM），具有選擇性滲透性、細胞黏附性，并有助于培養基的擴散。Silva 等[57]分離培養兔 BMSCs 與 BCM 整合，證明該支架材料無毒性，與細胞結合較好，支持細胞增殖分化。由于細菌纖維素本質上不存在抗菌性能，為了減少感染，有研究[58]采用化學接枝方法制備氨基硅烷接枝 BCM，從而得到能抑制細菌黏附的功能化 BCM，并通過大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌和白色念珠菌證實該功能化 BCM 表現出優異的抗菌性能和良好的生物相容性。由于細菌纖維素在許多溶劑中的溶解性較差，Palaninathan 等[59]用細菌纖維素通過乙酰磺化與硫酸基官能化得到細菌硫酸纖維素，以增加其溶解性，又因細菌硫酸纖維素的可紡性差，加入 PVA 從而制作成納米支架，該支架的高度生物相容性證明其有作為組織工程半月板支架的潛力。
1.4 組織衍生材料
1.4.1 小腸黏膜下層（small intestinal submucosa，SIS）
SIS 是來自豬小腸的天然 ECM，由大量縱向排列的膠原纖維構成，具有縱向伸展性能；其含有不同的生長因子，如 FBF、VEGF 和 TGF-β 等，能刺激細胞生長分化，是一種常用的支架材料。已有研究證實在未接種細胞的情況下，SIS 可以修復半月板紅區、白區或紅白交界區的缺損[60-62]。Tan 等[63]將半月板細胞和滑膜干細胞接種至 SIS 后進行體外培養，結果顯示細胞附著良好，細胞存活數量增加，兩種細胞共培養與單獨培養相比，有更多細胞分化為軟骨細胞，產生更多 ECM。另一方面，有研究[64]將犬滑膜細胞接種于 SIS 上，1 個月后發現接種滑膜細胞可以提高 SIS 的最大拉伸負荷、彈性和韌性，提升 SIS 的生物力學性能；若再加入軟骨源性生長因子，則能顯著增加半月板基質的形成，證明接種細胞并加入生長因子的 SIS 有作為組織工程半月板的潛能。
1.4.2 脫細胞半月板支架
Abdelgaied 等[65]對比研究了豬脫細胞半月板與人天然半月板，發現豬脫細胞半月板的拉伸性能相似，拉伸初始彈性模量和壓縮彈性模量較低，滲透性較高。Yamasaki 等[66]將 BMSCs 接種到液氮凍融后的小鼠脫細胞半月板上，4 周后觀察到 ECM 增多，小鼠脫細胞半月板硬度也增加到類似于正常人類半月板的水平。后來，他們將 BMSCs 接種到 Sprague 大鼠脫細胞半月板后移植到半月板缺損處，發現接種細胞組的關節軟骨損傷較輕[67]。以上研究證明了脫細胞半月板作為組織工程半月板支架的可行性。
1.4.3 脫細胞基質（decellularized meniscal extracellular matrix，DMECM）
DMECM 為細胞的生長、增殖和遷移提供必要的環境，是一種常見的組織工程支架材料。Yuan 等[68]將半月板纖維軟骨細胞接種于單純 DMECM 支架，發現其能較好地促進細胞增殖、遷移、分化，但由于 DMECM 的生物力學性能較差，植入體內后無法承受壓力的負荷，而半月板支架對力學性能要求較高，因此 DMECM 難以直接作為半月板支架。為了解決這一問題，Gao 等[69]制作了 DMECM/PCL 復合支架，成功地增加了其機械性能，細胞增殖與 ECM 分泌也保持在較好水平，但是其低孔隙率限制了細胞遷移。后來，他們制作了多孔 DMECM 支架來促進細胞遷移與分布，同時使用 DMECM/PCL 靜電紡絲纖維進行加固，該支架中由 DMECM 提供的多孔結構可以促進半月板細胞增殖并分泌 ECM，同時其具有足夠的機械性能來承載負荷[70]。目前 DMECM 材料已用于臨床，但是具體機制不明[71]。
1.5 復合支架
由于不同材料各有優、缺點，目前有大量研究采用多種材料制作復合支架，結合各種材料優勢，使支架能滿足組織工程半月板的要求。這些材料往往承擔不同的功能，一部分材料提高支架的力學強度與機械性能，一部分材料模擬細胞生活環境，促使細胞增殖、遷移。為了滿足這些功能，需要選擇具有相應特征的材料。
Kremer 等[72]的研究將 SIS 復合Ⅰ型膠原制作支架，膠原能提供 SIS 所缺乏的力學強度，并維持一個三維環境，而 SIS 含有不同的生長因子，能刺激細胞生長分化。類似的，Wang 等[73]的研究中，支架由氧化細菌纖維素、羥賴氨酸和殼聚糖組成，其中氧化細菌纖維素提供類似于 ECM 的納米纖維結構，使支架有足夠的機械強度；羥賴氨酸和殼聚糖提供細胞生活環境。羥賴氨酸是膠原的重要成分，能促進細胞分化并促進軟骨形成[74]；殼聚糖與存在于關節軟骨中的糖胺多糖和透明質酸具有相似結構特征，而其力學性能差，成軟骨潛力低的缺點可被氧化細菌纖維素彌補。在加入聚[脫氨基酪氨酰酪氨酸十二烷基酯]［p（DTD DD）］纖維的膠原-透明質酸海綿支架[75]中，p（DTD DD）纖維具有較高機械性能和相對緩慢的降解曲線，而多孔的膠原-透明質酸海綿為細胞提供附著和浸潤的環境。Halili 等[76]用靜電紡絲纖維墊增加支架的機械性能與強度，用不同組成的膠原泡沫提供細胞附著增殖的環境，設計一個具有 5 層三維結構的支架，從而模擬半月板的結構。綜上，復合支架能通過搭配不同材料，在擁有足夠力學性能的同時有利于細胞黏附與活動。
2 半月板支架材料的加工方式
傳統的半月板支架材料制作方式包括溶劑澆鑄/顆粒浸出、氣體發泡、冷凍干燥和靜電紡絲等，每種技術各有特點。溶劑澆鑄/顆粒浸出是最簡單的制作方法之一，但該方法難以控制支架中孔的形狀與連通性，加工過程中可能用到有毒性和免疫原性的分散劑[77]，只能制作局限于厚度 500～2 000 μm 的二維薄膜[78]。氣體發泡不需要使用有毒的分散劑[79]，可以獲得高達 93% 的孔隙率[80]和直徑 100 mm 的大孔[81]；然而，通過氣體發泡也難以控制孔隙連通性和孔隙大小，能達到的最大壓縮模量遠低于硬組織或大多數軟組織[82]。冷凍干燥法可減少使用大部分有毒化學品，處理步驟也較少，能制作孔隙率>90% 的支架，然而支架孔徑較小[83]。靜電紡絲的優勢是除了可以生產直徑在微米范圍內的傳統纖維，還能生產直徑在納米范圍內的纖維，因此具有一些與傳統材料不同的特點[84]；另外，靜電紡絲制作的支架能達到 90% 以上的孔隙率，孔徑從幾微米到幾百微米不等[85]。靜電紡絲的缺點在于加工過程中可能會用到有毒性的化學物質。
但以上傳統的半月板支架加工方法存在以下缺點：① 難以控制支架孔徑、幾何形狀、孔隙互連性和空間分布，細胞在支架內的分布基本上是隨機的；② 復雜結構的器官通常由多種細胞類型和生物因子組成，然而在半月板支架中細胞和生物因子不能精確達到預計的空間位置，因此不利于它們相互作用；③ 傳統的組織工程方法很難在預成型的三維支架內構建血管系統。
針對傳統半月板支架加工方法所存在的不足，目前出現了一些新技術，例如增材制造技術、3D 打印和立體光刻技術等，這些技術有潛力提升半月板支架的各項性能。增材制造技術通過計算機輔助設計、三維掃描或層析成像所提供的信息來分層構建對象，而不需要傳統的模具或加工。它包括立體光刻、3D 打印以及熔融擠出（fused deposition modeling，FDM）[86]。FDM 是最常用的增材制造技術，Zhang 等[39]采用 FDM 技術制作 PCL 半月板支架并確定其能增加機械強度。
3D 打印所用材料通常為水凝膠，因為其有高含水量、良好的生物相容性等特點。利用水凝膠溫和的交聯/凝膠機制促進細胞封裝，可以對細胞活力的不利影響降至最小[87]。Ballyns 等[88]以海藻酸鈉水凝膠為原材料，采用 3D 打印技術制作了解剖學形狀的半月板結構，解決了半月板幾何結構不匹配導致的移植失敗問題[89]。目前已有 3D 打印關節假體進入臨床使用治療嚴重肱骨遠端骨缺損，并被證實修復效果較好[90]。
立體光刻技術需要光敏材料，與其他方法相比，數字微鏡裝置投影立體光刻（digital micromirror device，DMD）在速度、靈活性和可伸縮性方面具有明顯優勢。Grogan 等[56]以 GelMA 水凝膠為原材料，采用 DMD 技術制作半月板支架，證明該支架可以保持細胞活力，根據支架的微觀結構產生有序的細胞排列，促進半月板樣組織的形成。
3 半月板仿生設計
半月板的功能主要是承受和傳導載荷、吸收震蕩、穩定關節、協助關節潤滑和接受本體感覺等[91-94]，其功能得益于其本身的超微結構及解剖學上的特殊性。除外周 1/3 部位的Ⅰ型和Ⅱ型神經末梢以及前、后角的一些感受器賦予其本體感覺功能外，其他功能都與半月板的生物力學特性相關。因此，半月板的仿生設計應該從解剖結構與生物力學兩方面綜合考慮。
解剖結構方面，由于半月板表面是較軟的果凍樣結構，Halili 等[76]構建了一個多層支架，頂層由Ⅰ型膠原蛋白硫酸鹽-透明質酸膠原制成，這些原材料比例接近天然半月板，用于模擬其表面。另一方面，半月板組織有 3 個不同的區域，包括外側較細和中間較寬的網狀纖維結構，以及底部膠原束在層狀方向上排列的結構。為了模擬這一結構，Sarem 等[51]選擇不同孔隙率與力學性質的 3 個單層 Cs/G 材料，加工成類似上述天然半月板的 3 個單元，共同組成了具有修復半月板損傷潛力的完整支架。
生物力學方面，半月板的機械性能依賴于其中心層軸向排列的膠原纖維束結構，它們可以提供軸向抗拉強度。Baek 等[27]通過靜電紡絲技術，構建纖維排列類似天然半月板結構的靜電紡絲支架，來模擬半月板的力學性質。與纖維隨機排列的支架相比，前者的各向異性拉伸模量更接近于天然，擁有更好的力學性能。同樣，為了模仿半月板的力學性能，Halili 等[76]構建了多層支架，其中間層和底層為不同孔隙率的膠原泡沫，兩個間隔有靜電紡絲納米微纖維墊。經過測試，該三維結構壓縮模量大于天然半月板，拉伸模量接近于天然半月板，具有較好的機械性能；同時多孔結構有利于細胞增殖附著。綜上，結合半月板本身的解剖結構與力學性能來設計支架，有助于提高支架臨床應用的可行性。
4 展望
隨著對半月板結構與性質了解的深入，組織工程半月板支架的研究在不斷地進展，是一種有潛力的半月板損傷治療方式。單一材料制備的半月板支架受到材料本身特點的限制；復合支架由不同材料制備，取長補短，能更好地滿足半月板支架制備要求，是目前的大趨勢之一。部分單一材料支架已經進入臨床使用，對于已投入臨床使用的半月板支架，長期隨訪是必要的，如何改良其治療效果也是值得深思的問題。絕大多數半月板支架還未進入臨床使用，仍需進一步研究如何改善其機械性能，如何提高其生物相容性。隨著人們對半月板研究的不斷深入，仿生設計將是半月板支架的熱點領域，3D 打印、靜電紡絲纖維等新技術的使用，將有助于達到這一目標。
作者貢獻：馮子嫣參與提出綜述題目、查找并篩選參考文獻、撰寫文章及審查；樊逸菲參與查找并篩選參考文獻、撰寫文章；郭玖思參與篩選參考文獻、撰寫文章及審查；付維力負責論文選題與設計，對文章的知識性內容作批評性審閱、指導。
利益沖突聲明：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。所有作者對稿件署名排名沒有異議。經費支持沒有影響文章觀點。
