人工半月板移植物研究进展

Abstract

半月板损伤是当今社会常见的膝关节损伤。为解决半月板损伤无法修复和半月板全部（或部分）切除术后综合征等临床问题，作为半月板重建术治疗替代物的人工半月板移植物已成为全世界研究热点。目前，人工半月板移植物主要包括降解型半月板支架和替代型半月板移植物。虽然已有商品化人工半月板移植物（如 CMI^®、Actifit^®和 NUsurface^®）应用于临床，但是没有一种移植物可重塑或长期替代半月板组织达到完美解决半月板切除术后症状和有效预防软骨退行性病变的效果。本文着重介绍不同类型人工半月板移植物的研究进展及其应用前景、优势和不足，以期为半月板移植物的研究提供总结、参考和展望。

引言

半月板是股骨髁与胫骨平台之间一对外缘厚、内缘薄的楔形半月状纤维软骨，由水（湿重占比为 72%）和有机物质（湿重占比为 28%，主要成分为胶原蛋白纤维）组成，起到稳定膝关节、传导负荷、吸收震荡和润滑关节等重要作用^[1]。2016 年医景（Medscape）网站统计结果显示，半月板损伤已成为最常见的膝关节损伤，每年有近 200 万人需要进行半月板损伤手术治疗，且多发生于 40 岁以下及 65 岁以上人群^[2-3]。临床上根据半月板损伤部位、程度、类型而选择适当的治疗方法，如：中医治疗、关节腔注射、半月板全部（或部分）切除、半月板缝合修复和半月板移植重建等，从而帮助患者减轻疼痛、改善膝关节功能和减缓软骨病变等^[4-10]。随着对半月板功能的深入认识，越来越多研究人员认为半月板切除会导致膝关节应力集中和负荷传导紊乱，可发展成为骨性关节炎，进而加重痛感和病情，因此半月板重建术（主要方式有：同种异体半月板移植和人工替代物移植）成为损伤修复领域科研人员的研究热点之一^[11]。同种异体半月板移植虽然可以有效缓解患者疼痛并改善膝关节功能，但是其却存在着移植物来源不足、组织保存困难、具有疾病传播风险、免疫排斥反应和高昂费用等诸多问题^[12]。因此，人工半月板移植物（以下简称人工半月板）的研究越来越受到重视，如何能够有效实现体内半月板再生或长期半月板替代，已经成为该领域的热点研究方向。

人工半月板主要分为降解型半月板支架和替代型半月板移植物。降解型半月板支架植入体内后可暂时代替受损半月板，并随着半月板的再生而逐渐降解、代谢，最终实现半月板自体修补。替代型半月板移植物植入体内后可长期稳定存在，不诱导组织再生，代替半月板维持膝关节功能。人工半月板发展至今，国外已趋于成熟，并有商业化产品应用于临床治疗；我国此领域的研究较为落后，虽然不同研究者对人工半月板的材料、制备方法和体内评价有诸多报道，但鲜见全面介绍人工半月板研究现状的综述类文献。另一方面，材料一直是人工半月板研究乃至应用的重要基础和前提，鉴于此，本文从制备人工半月板的高分子材料角度出发，着重对近几年不同类型半月板的研究进展、优势和不足及其应用前景做一总结和展望，以期为相关研究领域的科研人员提供参考。

1. 降解型半月板支架

随着材料科学、生命科学和组织工程科学的不断发展，降解型半月板支架即半月板组织工程支架（以下简称半月板支架）应运而生。半月板支架应满足以下要求：① 无毒，支架材料及其降解产物应具有良好的生物相容性且不发生免疫排斥反应；② 具备多孔结构，支架应具备合理的三维结构，不仅有利于细胞黏附、增殖、分化，还有利于营养物质的运输和代谢产物的排出；③ 具有可控的降解速度，支架材料的降解速度应与组织生成速度相匹配，且在降解过程中材料与新生组织的力学强度能够满足膝关节力学性能要求；④ 具有良好的生物力学性能，支架的力学性能应与天然半月板组织相近，其压缩模量应在 75～150 kPa 范围内，拉伸模量应在 75～150 MPa 范围内，摩擦系数 μ < 0.05 ^[1]。

根据制备材料来源不同，半月板支架可分为天然材料半月板支架、合成材料半月板支架和生物衍生材料半月板支架。

1.1. 天然材料半月板支架

胶原蛋白纤维是天然半月板所含有机物最主要的成分之一，其复杂的排列方式赋予了半月板独特的几何结构和力学特性。1990 年 Stone 等^[13]利用从牛跟腱中提取和纯化出的Ⅰ型胶原蛋白制备了可降解吸收的半月板支架。随后美国 Ivy Sports Medicine 股份有限公司对胶原蛋白半月板移植物（collagen meniscus implant，CMI）（商品名：CMI^®）进行商业投资和研发，术后追踪结果显示，半月板切除后植入 CMI^®可生成新组织且无毒副作用，且能有效改善患者临床症状和膝关节临床评分。但是由于商品 CMI^®力学性能达不到维持膝关节正常功能要求，因此该商品仅适用于半月板外周边缘仍未受损的病例。2016 年 Heo 等^[14]在紫外光作用下以维生素 B2 引发胶原蛋白交联，提高了胶原蛋白半月板支架的力学强度并延缓了酶降解支架的速度，同时他们还在支架中掺入透明质酸并封入纤维软骨细胞，提高了再生组织 Ⅰ 型和 Ⅱ 型胶原蛋白的表达水平，但仍需进一步体内试验证明其临床应用的可能性。

细菌纤维素安全无毒、价格便宜、易于成型且可以促进细胞黏附、增殖、迁移，因此近年来成为生物应用材料的研究热点。Na 等^[15]合成了一种细菌纤维素—藕粉复合材料，并通过调节藕粉含量使其力学性能和生物相容性显著提高，具有关节软骨组织工程应用的潜能，但他们并没有将其制成半月板支架进行后续研究。

丝素蛋白来源广泛，是一种生物相容性良好、免疫性低、降解速度适中且力学性能优异的天然生物材料。Mandal 等^[16]利用丝素蛋白制成三层孔径不同的半月板支架，虽然该支架可使细胞黏附、增殖，并且有利于生成的细胞外基质、胶原蛋白和糖胺聚糖沉积，但是其力学性能仍与天然半月板相差较大。在后续研究中，Li 等^[17]为了提高材料的力学性能，将丝素蛋白超细纤维混入丝素蛋白薄膜中，使其拉伸强度最大增至（85.5 ± 25.7）MPa，为将丝素蛋白应用于半月板支架奠定了坚实基础。

此外，壳聚糖、琼脂糖、海藻酸盐等天然水凝胶聚合物材料，也因具有良好的生物相容性和可降解性可应用于半月板支架的研究。今后，随着科技的发展和更多新材料的发现，可以预见将有更多的天然材料半月板支架逐步应用于临床研究与治疗中。

1.2. 合成材料半月板支架

聚氨酯、聚己内酯和聚乳酸等生物材料因具有良好的生物相容性、优异的力学性能、可控的降解速度和易加工性，现已广泛应用于半月板支架的研究中^[18]。

聚氨酯/聚乳酸以及聚氨酯/聚己内酯材料用于半月板支架的研究始于 20 世纪 90 年代，虽然制备得到的半月板支架生物相容性、降解性和弹性都满足要求，但仍未能有效阻止软骨损伤^[19]。在此基础上，英国 Qrteq 公司展开了进一步的研发，制备出一种孔径为 150～335 μm、孔隙率为 80% 的聚己内酯/聚氨酯半月板支架，并已商品化（商品名：Atifit^®）。研究结果显示，移植 Atifit^®后胫骨平台所受的最大压力值和平均压力值均明显小于半月板部分切除的对照组，且在羊体内 12 个月后可促进组织生长并有效保护关节软骨^[20]。临床术后（> 2 年）追踪结果显示，患者膝关节功能评分明显提高且没有发生膝关节软骨退行性病变，但生成的仅为无血管软骨组织^[21-22]。虽然 Atifit^®现已应用于临床半月板损伤治疗，但是其长期治疗效果以及治疗范围仍需要更多的临床数据证明。

Chiari 等^[23]用聚己内酯和透明质酸衍生聚合物进行偶联反应，同时采用聚乳酸纤维外周增强和聚对苯二甲酸乙二酯网布整体增强工艺，制成孔径为 200～300 μm 的半月板支架。该支架移植入羊体内 12 个月后，可观察到纤维软骨组织生成且能有效减缓软骨病变，但报道中并未提及材料的生物力学性能^[24]。Baek 等^[25]利用聚乳酸力学强度好和细胞外基质（extracellular matrix，ECM）可促进细胞增殖等特点，将聚乳酸静电纺丝层与包裹半月板细胞的 ECM 水凝胶逐层叠放，制备的合成材料半月板支架可以支持新组织生成，但仍需后续体内试验支持其应用性。

1.3. 生物衍生材料半月板支架

生物衍生材料作为一种新兴的生物医用材料，因其独特的三维微环境和与自然组织相似的结构和特性，近年来越来越多地引起研究人员们的兴趣^[26]。Yuan 等^[27]巧妙地将具有天然三维孔隙结构和生物力学强度的脱钙松质骨浸入 ECM 浆液中，取出冷冻干燥后再制成半月板支架，结果显示该支架具有良好的力学性能，可促进细胞增殖以及胶原、糖胺聚糖分泌，6 个月后在兔子体内生成半月板类似组织并能阻止软骨退化。Gao 等^[28-29]对猪半月板组织脱细胞后制成的 ECM 半月板支架进行了系列研究，前期结果表明，在脱细胞过程中支架内的胶原蛋白纤维保存完整，制得的半月板支架无毒且可支持细胞附着，但由于糖胺聚糖丢失而导致其压缩强度下降；针对该问题，作者采用碳化二亚胺交联 ECM 的方法，使其压缩模量和弹性模量分别提高了 3 倍和 40 倍。该类半月板支架虽然力学性能与天然半月板仍有差距，但无细胞毒性，具有原位促进半月板组织再生的功能，因此在半月板组织工程中具有极大的应用潜力，需继续进行深入研究。此外，他们还将脱细胞的 ECM 和聚己内酯混合，采用静电纺丝方法制成超细纤维用于半月板支架研究。实验结果表明，该材料具有高亲水性，可促进细胞黏附和增殖，并且与人体半月板有相似的拉伸模量，今后可通过后期体内试验进一步证明其应用性^[30]。Merriam 等^[31]将一种用酪氨酸衍生聚合物纤维编制的羊半月板支架植入羊体内，32 周后该支架内生成大量富含胶原蛋白的组织且 ECM 出现沉积，其压缩模量与天然半月板接近，可有效保护膝关节软骨。

2. 替代型半月板移植物

虽然降解型半月板支架受到众多研究者的关注且已有商业化产品应用于临床，但是支架内新生组织仅为半月板类似组织，不具备天然半月板生理结构和功能，无法完全满足膝关节力学性能的需求，仍是该类型半月板支架亟待解决的问题。此外，面对半月板严重损伤的患者，只有替换整个半月板才可能避免软骨退化，从而长久减轻和消除患者临床症状。替代型半月板移植物（简称半月板移植物）是一类可长期存在于体内，结构稳定、不易发生降解、耐疲劳、耐氧化以及有着与天然半月板相似生物力学性能和生理功能的半月板重建替代物，近几十年来逐渐成为科研人员的研究热点。

自 20 世纪 80 年代起，科研人员就开始尝试用聚四氟乙烯及其复合材料、碳纤维/聚酯纤维复合材料、涤纶编织物、聚氨酯涂覆材料等构建半月板移植物，但其体外和体内实验结果均表明存在软骨病变和滑膜炎症，无法应用于临床治疗。随着新材料及新合成工艺的出现，一些先进的高分子聚合物被逐渐应用于半月板移植物的研究中。

Kobayashi 等^[32]首次将聚乙烯醇水凝胶制成半月板移植物，该移植物植入兔膝关节 2 年后几乎无磨损和降解发生，与半月板切除对照组相比能够有效保护软骨，减缓关节炎发生，但是仍存在半月板移植物不易固定和材料耐久性不足等问题。Hayes 等^[33-34]用硫酸钠盐溶液沉淀聚乙烯醇得到盐修饰水凝胶，研究认为此水凝胶生物相容性较好且生物力学性能与天然半月板相近，具有作为半月板移植物材料的潜力，然而截至目前尚未开展相关的医学试验以证明其可作为半月板移植物应用于临床。

聚碳酸酯聚氨酯（polycarbonate urethane，PCU）因具有良好的生物相容性、体内稳定性和生物力学性而被广泛应用于医疗器械领域。Majd 等^[35-36]将 PCU 表面进行修饰，极大地降低了其在体外、体内模拟条件下的摩擦系数，为后续 PCU类半月板移植物的研究和开发奠定了基础。Vrancken 等^[37-39]用 PCU 制成一种新型羊半月板移植物，该移植物与天然半月板解剖结构相似，具有良好的生物相容性，且在生理负荷状态下（> 12 月）仅发生轻微变形，但是由于固定方法存在缺陷，导致移植物挤出，因此无法有效阻止关节软骨发生退行性病变。此外，Active Implants 公司已研制出一种商品化的长期替代型 PCU 半月板移植物（商品名：NUsurface^®），可有效分散膝关节负荷，该移植物目前已经获得美国食品药品监督管理局批准进入临床试验（编号为 NCT01712191），且分别于 2008 年和 2011 年在欧洲和以色列上市^[18]。

3. 问题与展望

近三十年，利用天然材料和合成高分子材料制备的降解型半月板支架的研究取得了巨大进展，其中 Ivy Sports Medicine 公司的 CMI^®和 Qrteq 公司的 Actifit^®已得到欧洲认证并应用于临床。然而，降解型半月板支架仍存在着新生组织仅是半月板类似组织，其生理结构和生物力学性能均与天然半月板差异较大，无法长期满足膝关节功能需求和有效阻止软骨损伤等亟待解决的问题。另一方面，替代型半月板移植物的研究亦取得了可喜进展，如 Active Implants 公司的 NUsurface^®已在欧洲和以色列实现临床应用并进入美国临床试验阶段。然而，材料的生物相容性、体内稳定性、耐疲劳性以及柔软性等问题仍制约着其研究、发展和应用。此外，半月板移植物的尺寸、固定方法、力学性能以及植入体内后功能的实现都是亟需解决的问题。总而言之，时至今日仍然没有一种材料能完美达到降解型半月板支架和替代型半月板移植物的要求。

随着高分子材料科学的不断发展，新材料的出现和材料改性方法的突破都势必给人工半月板材料的研究带来新的契机和方向，为人工半月板的研究和应用奠定坚实的材料基础。此外，三维（three dimensions，3D）打印和静电纺丝等技术的逐步成熟，使得人工半月板材料的成型加工及微细结构精确控制成为可能^[40]。通过对半月板及其损伤类型、机制的不断深入了解，也将为人工半月板材料及其结构设计提供更多指导。有理由相信，未来人工半月板的研究会出现突破性的进展，并给所有半月板损伤患者带去希望和福音。

Funding Statement

国家自然科学基金资助项目（21574132）