医用生物材料在肌腱损伤后粘连防治中的应用

Abstract

目的

对用于肌腱损伤后粘连防治的医用生物材料研究进展进行综述，为临床治疗提供参考。

方法

查阅近年国内外有关医用生物材料在肌腱损伤后粘连防治中应用的文献，总结肌腱粘连的生物学过程、治疗方法及现状。

结果

肌腱粘连作为肌腱愈合过程的一部分，是肌腱对损伤的生物学反应，同时也是导致关节功能障碍的常见并发症。医用生物材料可以在尽量避免对肌腱愈合产生不利影响的前提下，通过减少腱周组织粘连，实现术后肌腱更好的生物学功能。

结论

医用生物材料有利于减少肌腱术后粘连，应根据患者情况及手术需要选择合适的防粘连材料。

肌腱损伤后的粘连防治一直是困扰骨科医生的棘手问题。肌腱粘连作为肌腱愈合过程的一部分，是肌腱对损伤的生物学反应，同时也是导致关节功能障碍的常见并发症。在尽量避免对肌腱愈合过程产生不利影响的前提下，通过减少腱周组织粘连而实现术后肌腱的更好滑动能力，骨科医生进行了大量研究，包括改进手术和术后康复方法，采用控制炎症反应和促进肌腱愈合的内植物、细胞因子或基因调控物质，以及超声和电磁疗法等。本文对医用生物材料在肌腱粘连防治方面的应用及进展作一综述。

1. 肌腱损伤后愈合及粘连形成的生物学过程

1.1. 肌腱损伤后愈合的生物学过程

肌腱属致密结缔组织，由胶原纤维及梭形腱细胞构成，被动传导肌肉收缩产生的力量。肌腱的愈合包括内源性和外源性愈合两方面：内源性愈合主要表现为肌腱细胞的自我增殖和细胞外基质的形成；外源性愈合则表现为成纤维细胞从周围腱鞘和滑膜中侵入并包裹肌腱结构，通过生成肉芽形成瘢痕愈合^[1]。肌腱损伤后内源性愈合的生物学过程更有利于避免肌腱粘连的发生，但由于内源性愈合的肌腱细胞密度低，生长因子活性差，愈合能力较弱。当肌腱或腱鞘损伤严重时，外源性愈合常常干扰内源性愈合并占主导地位。此时成纤维细胞从周围组织长入肌腱断端，同时肌腱断端出现炎症反应并机化，是造成肌腱粘连的主要原因；而粘连也参与肌腱的愈合过程^[2]，但过多的粘连会影响肌腱的滑动，造成关节活动范围减小或机体功能丧失，特别是涉及手部 Ⅱ 区的屈指深、浅肌腱损伤，粘连尤为严重。据统计，美国每年由于屈肌腱损伤导致的急诊有近 150 万次^[3]，其中高达 30%～40% 患者术后出现肌腱与周围组织的粘连^[4]。

肌腱的内源性和外源性愈合发生顺序和阶段有所重合，主要可划分为炎症、增殖和重塑 3 个阶段^[5]。第 1 阶段，肌腱损伤后，首先引起损伤局部的急性炎症反应，炎症细胞募集，主要包括巨噬细胞、单核细胞和中性粒细胞募集。此阶段从肌腱损伤即刻开始，伤后 2～3 d 达到最高峰，1 周后逐渐下降。第 2 阶段，来自腱周软组织的外源细胞以及来自腱细胞的内源细胞在肌腱损伤区域中迁移和增殖，合成分泌含 Ⅲ 型胶原为主的各种细胞外基质，形成增殖期的肉芽组织^[6]。此阶段从损伤后 4～5 d 开始，至伤后 6 周左右结束。第 3 阶段，约从第 4 周开始，至伤后数月，肌腱修复进入重塑期，肌腱组织内细胞数量逐渐减少，Ⅲ 型胶原向 Ⅰ 型胶原逐渐转化，恢复其正常比例，肌腱强度持续增加，并在功能康复训练中逐渐恢复滑动功能。

1.2. 肌腱损伤后粘连形成的生物学过程

肌腱粘连是肌腱损伤后机体产生的一种纤维增生性炎症反应。尽管肌腱修复与重建技术日趋成熟，但这些方法都受到外源性成纤维细胞前体细胞趋化引起的肌腱与周围组织之间的术后粘连限制^[7]。因此，抑制外源性愈合，促进内源性愈合，减轻炎症，控制成纤维细胞过度增殖，以及有效恢复肌腱的滑动功能，是预防肌腱粘连的关键。但目前尚无一种方法能完全有效地防治肌腱粘连。自 Lundborg^[8]通过一系列体外模拟实验证实肌腱有自身愈合能力以来，学者们尝试应用各种生物材料和非生物材料作为物理屏障，把肌腱与周围组织隔离开，抑制腱周组织细胞的增生、长入，阻断外源性愈合，并取得了一定成效。

1.3. 肌腱损伤后粘连的预防措施

非生物材料虽然可以通过机械隔离作用防止术后肌腱粘连，但影响了肌腱愈合过程中营养物质的渗透，增加了肌腱坏死率。为克服非生物材料的缺陷，人们尝试应用肌腱、动静脉和周围筋膜、阔筋膜等自体组织防止肌腱粘连。但自体组织来源有限并会造成新的供区损伤，临床应用明显受限。随后出现了天然生物材料［如羊膜、胶原蛋白、丝素蛋白、纤维蛋白和壳聚糖（chitosan，CS）］及人工合成生物材料（如聚乳酸、聚乙烯醇和聚己内酯等聚合物）。由于生物材料具有机械屏障、良好的生物相容性和生物可吸收性，有利于减少术后粘连形成^[9]，来源广泛，可避免新的供区损伤，并且适用于不规则缺损，在修复的肌腱周围形成生物学屏障，近年来应用广泛。而在某些特别手术，如内窥镜手术，还可应用可注射生物材料来预防粘连。

2. 天然生物材料

天然生物材料直接来源于生物组织或生物组织的二次加工，主要包括自体动静脉、脂肪及肌腱旁组织，同种异体羊膜、腱鞘等生物膜组织，胶原蛋白等蛋白类材料，以及羟基磷灰石（hyaluronic acid，HA）等多糖类材料。自体组织排斥反应小，但会引起供区组织损伤；同种异体组织来源广泛，但存在免疫排斥反应，通常需要二次加工。胶原蛋白、丝素蛋白、纤维蛋白和 CS 等生物大分子同样来源广泛，并且学者们根据其结构和功能的关系，利用分子设计或静电纺织等手段，加工出具有特定结构和功能的屏障材料，进一步研究其理化改性的新方案，具有更为广阔的开发及应用前景。目前临床常用的天然生物材料主要包括羊膜、同种异体腱鞘及心包膜等，其中羊膜的使用较为广泛。

2.1. 羊膜

羊膜是预防肌腱粘连最常用的天然生物材料。羊膜是来自生物的天然高分子半透膜，具有光滑，无血管、神经和淋巴，富含基质、细胞因子、酶及其他活性成分的特点，是较为理想的生物材料^[10]。但新鲜羊膜不适合储存和运输，并具有一定免疫原性，限制了其临床应用^[11]。脱细胞羊膜去除了上皮细胞层，仅保留基底膜，主要成分包括多种胶原蛋白、糖蛋白和蛋白多糖，具有良好的组织相容性、低抗原性和强渗透性，并且可在体内完全降解，是良好的天然生物材料。羊膜可以通过表达 IL-1 受体拮抗剂，以减少由 IL-1 引起的炎症反应，上调 IL-4、IL-10、基质金属蛋白酶抑制剂和其他活性物质的释放，起到减轻炎症反应、促进受损区域组织细胞修复和抗瘢痕的作用^[12-15]。

Liu 等^[16]应用羊膜形成的“鞘”包裹鸡屈趾深肌腱损伤后缝合的区域，发现羊膜能有效地隔离周围组织，增加术后第 2 周和第 4 周肌腱滑动功能。羊膜组肌腱损伤区单核细胞和中性粒细胞浸润少、黏附程度低，肌腱的滑动距离、足趾的总屈曲度和最大拉伸断裂强度均明显优于对照组。实验结果表明，脱细胞羊膜具有抗炎和抗粘连作用，肌腱修复后早期机械强度可以满足身体的生理功能需求。肌腱中的胶原蛋白主要是 Ⅰ 型胶原蛋白，其与肌腱的生物力学特性有关。肌腱必须通过胶原纤维沉积、成型和成熟直至达到完全愈合^[17]。羊膜修复肌腱时，受损组织顺支架方向成型，肌腱细胞中胶原纤维的排列和重塑得到改善^[18]。此外，脱细胞羊膜因去除了细胞成分，可与多种细胞联合培养，是组织工程理想支架^[19-20]。在一项包含 89 例Ⅱ 区屈肌腱损伤患者的临床试验中，根据肌腱治疗的要求不同，将患者分为对照组、聚 DL-乳酸（高分子量外消旋聚乳酸）组和羊膜组，聚 DL-乳酸组和羊膜组在指间关节总有效活动范围方面明显优于对照组，且羊膜组的并发症发生率明显低于聚 DL-乳酸组及对照组^[21]。作为一种天然的生物替代品，羊膜在构建肌腱鞘、抑制肌腱的外源性愈合、促进内源性愈合、防止肌腱粘连方面具有独特优势。随着生物学和组织工程学的发展，羊膜的免疫、抗炎、抗菌、抗粘连性将在临床应用中进一步完善。

2.2. 同种异体腱鞘、心包膜等其他天然生物膜

除羊膜外，同种异体腱鞘、心包膜等天然生物膜及其衍生物也可应用于预防肌腱粘连。Oei 等^[22]研究了兔腱鞘在屈肌腱愈合中的作用，结果显示使用同基因腹膜或非鞣制加工的猪胶原膜重建肌腱鞘，可以促进肌腱鞘的修复而未形成粘连，同时皮下植入的加工猪胶原膜在 3 个月内可完全吸收。脱水牛心包是经溶剂脱水并保留胶原基质原始强度和弹性的天然生物膜衍生物，在 Sungur 等^[23]的鸡屈肌腱损伤模型中，脱水牛心包重建肌腱鞘可以显著减少术后 3 周和 12 周的腱周粘连。Irkören 等^[24]研究提示应用软骨膜移植物作为外科肌腱修复辅助手段，可以减少愈合期间的腱周瘢痕形成和粘连。与羊膜相比，其他天然生物膜结构在肌腱防粘连方面应用较少，有待进一步开发和研究。

2.3. HA

HA 是一种具有良好生物相容性、生物可降解性和非免疫原性的生物材料，存在于人体关节滑液和皮肤的细胞外基质中，是具有线性结构的非特异性亲水性多糖^[25]。HA 的生物活性受其聚合物相对分子质量的影响，其中，相对分子质量为 6×10⁶ 的透明质酸钠具有更强的抗粘连功效^[26]。Chou 等^[27]将亲水性生物聚合物 CS 和 HA 与聚 N-异丙基丙烯酰胺［poly（N-isopropylacrylamide），PNIPAM］结合形成的热响应水凝胶 HA-CS-PNIPAM（HACPN），具有良好的生物相容性，并可以减少成纤维细胞的渗透。在兔深屈肌腱修复实验中，经 HACPN 处理的肌腱和自发愈合的肌腱相比，粘连程度明显下降，且断裂强度无显著差异，表明 HACPN 水凝胶在抗粘连同时不会干扰肌腱的正常愈合。HA 也可作为承载其他有效成分的载体，Shalumon 等^[28]使用 HA 与聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）、布洛芬及银纳米颗粒制作的电纺抗粘连屏障膜，可以减少成纤维细胞的附着和渗透，抑制炎症细胞的募集，并在兔屈肌腱断裂模型中表现出优良的预防粘连和抗炎功能。因此，HA 的多种性质使其作为制造抗粘连的屏障材料，具有较广的应用前景。

2.4. CS

CS 是由甲壳类动物外骨骼中的几丁质部分脱乙酰化产生的葡萄糖胺，具有一定的生物相容性和生物活性。Chen 等^[29]研究表明，CS 可抑制 IL-1β 诱导的肌腱细胞凋亡，通过 SIRT1（sirtuin1）信号通路抑制成纤维细胞生长，从而促进肌腱修复，减少粘连的形成。CS 不仅能单独应用，还可以通过不同的加工技术形成不同复合材料。Shen 等^[30]开发了具有酸中和能力的 CS/聚丙交酯-乙交酯共聚物的单向壳核结构纤维，能改善聚丙交酯-乙交酯等共聚物植入后的酸性降解产物引起的无菌性炎症。体内皮下植入实验表明，CS/聚丙交酯-乙交酯共聚物纤维显著减少了炎症细胞的募集和异物巨细胞的形成。CS 作为一种具有止血和抗炎特性的生物材料，已被证明可以预防粘连，但其抗粘连作用的具体机制尚未完全阐明。

2.5. 胶原蛋白

胶原蛋白是动物结缔组织中的主要成分，也是人体内含量最多、分布最广的蛋白质，广泛存在于肌腱结构中，具有独特的三螺旋稳定结构，是参与创伤修复的主要结构蛋白^[31]。胶原蛋白生物膜通常可在肌腱愈合早期形成腱鞘样结构，以减少粘连的发生。Zhao 等^[32]的研究显示，大鼠跟腱切断缝合后，包裹胶原蛋白膜治疗组与不包裹胶原蛋白膜对照组比较，术后 8 周粘连明显减少并且具有更强的拉伸强度。明胶是胶原蛋白的降解产物，不仅具有良好的机械性能，而且具有优异的生物相容性。在伤口表面，明胶海绵可发挥较强的黏合、止血效果，并对不同细胞选择性促进或抑制，也常被用作抗粘连材料。Tian 等^[33]研究表明，应用地塞米松浸泡的明胶海绵可预防硬膜外粘连。但在 Wichelhaus 等^[34]的研究中，胶原蛋白-弹性蛋白支架会增强局部炎症反应，不利于肌腱粘连的防治。

除上述材料外，还有大量其他天然生物材料被应用于肌腱粘连的防治，如海藻糖^[35]、普鲁兰^[36]、磷脂^[37]等，天然生物材料区别于其他生物材料最重要的特点是具有良好的生物相容性。在此基础上寻找不同的组合及改性方案，探求符合要求的理化性质，是天然生物材料成功应用的关键。

3. 人工合成生物材料

随着细胞生物学、分子生物学等相关学科的发展，可吸收的人工合成生物材料逐渐成为肌腱粘连防治研究的热点。人工合成生物材料不仅具有良好的生物相容性、良好的通透性和生物可吸收性，还具有屏障作用、止血及抑制胶原生成和炎症反应的作用。目前临床常用的有聚乳酸、聚乙烯醇、聚己内酯及其衍生物等。通过将人工合成生物材料置于损伤肌腱与周围组织之间，阻止成纤维细胞、纤维蛋白及炎性渗出物的浸润漫延，从而防止在创面和周围组织之间形成粘连，能在整个炎症渗出及粘连形成期发挥隔离作用。与天然生物材料相比，人工合成生物材料易于合成和功能化，但不同合成聚合物的生物相容性、化学稳定性和机械性能迥异，其临床应用尚需进行大量深入研究。

3.1. 电纺纳米纤维膜

聚合物，如聚乳酸、聚乙烯醇，是最常见的人工合成生物材料，通常具有良好的物理机械性能。其处理技术多为静电纺丝技术，这是一种在静电下使用喷射聚合物来纺丝纤维的方法。电纺纳米纤维膜具有高表面积比、高孔隙率和网状的可变孔径分布，是一种理想的抗黏附屏障。Chen 等^[38]研究表明，电纺水性聚氨酯纳米纤维膜有效减少了附着的成纤维细胞数量，并且无明显细胞毒性。在兔屈肌腱修复研究中，电纺水性聚氨酯纳米纤维膜也可明显降低腱周粘连程度。由 Shalumon 等^[28]设计制作的双功能核-壳结构纳米纤维膜，可以同时容纳亲水和疏水聚合物。将静电纺织技术与布洛芬及银纳米颗粒联合应用，在预防肌腱粘连的同时，还能发挥抗炎及抗菌效能。静电纺丝技术作为一项新兴技术，可以将不同材料的优势有机结合，制成多功能的多层膜结构，在更好地发挥抗粘连作用同时，附加抗炎等效能，以提供更好的治疗效果。

3.2. 注射性防粘连材料

注射性防粘连材料适用于手术入路狭窄、难以使用刚性材料的特殊情况。热响应原位形成聚合物水凝胶是最常见的注射性防粘连材料^[39]。在热响应性聚合物中，PNIPAM 最常用，其在水中可呈现可逆的溶胶-凝胶相变行为。当温度低于其临界温度（约 30℃）时，它可溶于水，并在高于此温度时转变成凝胶状态^[27]。并且，不同的热响应性聚合物也可以与其他抗粘连药物组合使用，加强抗粘连效果。Yuan 等^[40]将聚乳酸羟基乙醇共聚物［poly（lactide-co-glycolide），PLGA］与 PEG 共聚，合成具有溶液-凝聚转换特性的 PLGA-PEG-PLGA 三嵌段共聚物，并将 5-氟尿嘧啶负载于 PLGA-PEG-PLGA 上，制作成可注射的物理屏障，在大鼠跟腱模型中，5-氟尿嘧啶组与空白对照组或仅使用 PLGA-PEG-PLGA 水凝胶的处理组相比，5-氟尿嘧啶组表现出显著的粘连抑制效应。同样，这些水凝胶也可掺入其他抗黏附药物（如地塞米松或组织型纤溶酶原激活剂），从而加强抗黏附作用^[41]。相比传统的刚性屏障，这些可注射性生物材料的流动性和柔韧性更强，在进行小切口手术或治疗不规则形状的肌腱缺损时，可注射性材料比刚性材料的应用更为灵活。

与天然生物材料相比，合成生物材料来源更广，种类更多，不同材料的不同组合形式在不同加工方式下的生物特性也有所不同，寻求其中的最优材料仍需深入研究。

4. 复合生物材料

除上述材料外，还有学者尝试组合各种不同生物材料，以获取更为符合需求的防粘连材料。Kessler 等^[42]利用静电纺丝技术，组合了聚乳酸及藻酸盐，开发了 3 层聚乳酸-藻酸盐膜。膜的外侧光滑，以减少与周围组织的粘连；而其内侧为黏附面，以便于膜在术中及术后可以较为牢固地黏附在需要部位。Chen 等^[43]联合使用天然生物材料及人工生物材料制成电纺 CS 交联聚己内酯纳米纤维膜，与聚己内酯纳米纤维膜相比，前者的纤维直径、对牛血清白蛋白的渗透系数、极限拉伸应变、孔径、水接触角、吸水率及拉伸强度均有所改善。细胞培养实验证实，该膜可以减少成纤维细胞的附着，提示具有协同抗黏附作用，提高了抗黏附效果。兔趾深屈肌腱修复模型的体内研究证实，从大体观察、组织学、关节屈曲角度、滑行偏移和生物力学方面评估，CS 交联聚己内酯纳米纤维膜有效地减少了腱周粘连；并且，实验组具有与自然愈合肌腱相同的抗拉强度，表明其不会影响肌腱愈合。Jiang 等^[44]以塞来昔布负载的聚（L-乳酸）-PEG 电纺丝纤维膜为外层，HA 凝胶为中间层，制作光滑的多层多孔纤维膜，能够促进肌腱滑行并防止粘连。

5. 总结与展望

综上述，作为防治肌腱粘连的天然材料和生物合成材料各有其优缺点。尽管天然材料具有来源广泛、生物相容性和生物降解性好的优点，但由于其机械强度和生物稳定性差，难以进一步官能化改性，影响了其临床应用。而合成生物材料具有良好的化学稳定性和机械性能，特别是具有优良的进一步改性和官能化的潜力，但其生物相容性不足可能导致体内炎症反应而加重粘连。因此，根据不同肌腱防粘连的特定需要，结合天然与生物合成两种材料的优点，是开发抗粘连生物材料的理想选择。

尽管学者们的大量研究对肌腱粘连防治取得了较大成效，关于防治肌腱粘连的各种观点与方法层出不穷，手术操作方式及术后康复方法的加强逐渐显示出满意效果，但肌腱断裂修复后因粘连导致的关节活动范围减少和关节僵硬仍然是导致残疾和高生活成本的重要因素。除上述生物材料及其衍生物外，集感知、处理、驱动为一体，能够对环境自适应的仿生智能材料，以及通过快速体外扩增制成，既有良好的生物相容性，又不会损伤供区的组织工程材料，也是肌腱防粘连材料的良好选择。为恢复损伤肌腱修复术后良好的滑动性及抗拉伸性能，更快达到康复训练时所需的愈合强度，抑制外源性愈合途径，减少粘连形成，研发防止肌腱损伤术后粘连的新型材料，使其具有良好的生物相容性、生物可降解性、良好的力学强度和生物稳定性，并方便临床应用，仍然需要进行广泛深入的研究。

作者贡献：张明敏负责文章构思及设计、资料收集及文章撰写；任高宏负责文章选题、指导论文写作及文章修改。

利益冲突：所有作者声明，在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突。课题经费支持没有影响文章观点。

Funding Statement

上海王正国创伤医学发展基金（2017KJB-GK-001）；南方医科大学南方医院院长基金重点项目（2017A001）