制备软骨组织工程支架的材料和方法

  本文关键词：制备软骨组织工程支架的材料和方法，由笔耕文化传播整理发布。

中国组织工程研究

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 [] 贵浩然，李澎，张卫国. 制备软骨组织工程支架的材料和方法[J].中国组织工程研究，2013，17(3): 509-516.

制备软骨组织工程支架的材料和方法★
贵浩然1，李 澎1，张卫国2

1 大连医科大学附属二院骨外科，辽宁省大连市 116027 2 大连医科大学附属一院骨外科，辽宁省大连市 116023

文章亮点： 1 此问题的已知信息：组织工程化软骨的研究为修复软骨损伤提供新的治疗措施，组织工程支架材料要 有组织相容性、可降解性，所以首选天然生物材料，又因为支架要有一定的机械力学性质，通过复合人 工合成高分子材料来满足这个条件。而支架制备方法的选择是为了更好地仿生细胞外基质表征。 2 本综述增加的新信息： 利用静电纺丝方法制备的人工合成高分子材料复合支架可以保证支架的力学强 度、塑形要求、孔隙率、可降解性等，将天然材料利用包埋技术和表面修饰技术复合于电纺的高分子复 合材料支架上将更有利于支架性能的发挥。 3 临床应用的意义：进一步探索适合软骨组织工程支架的材料和制备方法，对于提高支架的整体的稳定 性和生物相容性有着重要的意义，寻求组织工程化软骨从实验室研究走向临床应用，为软骨损伤修复提 供新的治疗措施。 关键词： 生物材料；生物材料综述；软骨组织工程；支架材料；制备方法；天然生物材料；人工合成高分子材料
中图分类号:R318 文献标识码:B 文章编号:2095-4344 (2013)03-00509-08 收稿日期：2012-05-28 修回日期：2012-07-11 (20120510006/GW·W)

贵浩然★， 男， 1988 年生， 山东省烟台市人，汉族， 大连医科大学在读硕士， 主要从事膝关节半月板损 伤的修复、 组织工程研究。 [email protected] 通讯作者：李澎，博士， 主任医师，硕士生导师， 大连医科大学第二附属医 院骨外科，辽宁省大连市 116027

摘要
背景：软骨组织工程的研究为修复软骨缺损提供了新的思路和方法，其中如何获得理想的组织工程支架 是这一研究的核心和难点。 目的：回顾性分析软骨组织工程支架的材料选择和制备方法。 方法： 由第一作者检索 2000 至 2012 年 PubMed 数据库、 ELSEVIER SCIENCEDIRECT、 万方数据库、 中国知网库有关制备软骨组织工程支架的材料选择和方法等方面的文献。 结果与结论：软骨支架材料分为天然生物材料、人工合成高分子材料和复合材料。可采用相分离法、溶 剂浇铸/粒子沥滤技术、气体发泡技术、快速成型技术及静电纺丝法制备支架材料。由于胶原、琼脂糖和 藻酸盐等水凝胶类天然材料可提供足够的生物相容性、增殖和黏附能力及亲水性，电纺的人工合成高分 子材料复合支架又可以保证支架的力学强度、塑形要求、孔隙率、可降解性等，将天然材料利用包埋技 术和表面修饰技术复合于电纺的高分子复合材料支架上将更有利于支架性能的发挥。

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

CN 21-1581/R

CODEN: ZLKHAH

509

贵浩然，等. 制备软骨组织工程支架的材料和方法



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 [email protected] 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、烧伤及外伤等引起的各类软骨缺损或损伤在临床上十分常见[1]，由于关 节软骨无血液供应、神经支配和淋巴循环，其自身修复能力较差，软骨缺损大于5 mm 时就不能自我愈合，只能在创伤周围产生短暂的软骨细胞复制并合成少量基质，且逐渐 引起关节表面退变[2]。软骨损伤修复一直是关节外科的一个难题，以往的各种解决办法 都有一定的局限性，20世纪80年代以来，组织工程技术的迅速发展，为这一难题的解决 提供了一种可行的方法[3]，为软骨缺损的治疗带来了新思路。 组织工程的3大要素是种子细胞、支架和生长因子。其中支架的材料选择及其制备 是关键步骤，理想的支架应该具有以下10个特征：①良好的生物相容性。②可降解性。 ③足够的孔隙结构。④促进细胞黏附与增殖。⑤具备承载生长因子的能力。⑥支架的容 积应能保持不变。⑦支架能与周围组织融为一体。⑧不易从缺损区脱落。⑨具有一定的 弹性。⑩具有关节软骨的分层结构[4]。本文从支架材料和制备方法入手，综述软骨组织 工程的研究进展。
1 资料和方法

1.1

资料来源

由第一作者检索 2000 至 2012 年 PubMed 数据库、 ELSEVIER

SCIENCEDIRECT 、万方数据库、中国知网数据库。英文检索词为 “Cartilage tissue engineering; scaffolds; Preparation”，中文检索词为“软骨组织工程；支架材料；制备方 法”。检索文献量总计 101 篇。 1.2
纳入与排除标准 纳入标准：①文章所述内容需与软骨组织工程支架的材料选择和制备方法的研究密

切相关。②同一领域选择近期发表或在权威杂志上发表的文章。
排除标准：重复性研究。

1.3

数据的提取

共检索到文献 101 篇，其中中文文献 60 篇，英文文献 41 篇，排除与

研究目的相关性差及内容陈旧、 重复的文献 55 篇， 纳入 46 篇符合标准的文献进行综述。
510
P.O. Box 1200, Shenyang 110004

贵浩然，等. 制备软骨组织工程支架的材料和方法



1.4

质量评价

符合纳入标准的 46篇文献中，文献

性和可降解性， 无刺激性、 无免疫原性、 无热源反应， 并具有促进创面愈合的功能。 Cao 等[11]将壳聚糖明胶 网络与猪软骨细胞构建成的细胞支架复合物植入猪 腹部皮下，术后 16 周观察到新软骨形成，其糖胺多 糖分泌量达到正常软骨的 78.6%， 这说明壳聚糖是一 种较好的软骨组织工程支架材料。 但与其他的天然材 料相比，壳聚糖比较难于电纺。壳聚糖支架在质地、

[1-4]探讨了软骨损伤修复的研究现状，文献[5-27]探 讨了软骨组织工程支架材料的种类， 文献[28-46]探讨 了软骨组织工程支架材料的制备方法。
2 结果
支架材料

2.1

软骨支架材料分为天然生物材料、 人
[5]

强度上要优于胶原支架，但其质地还是相对较软。
海藻酸盐：海藻酸盐是另外一种常见的生物材料，

工合成高分子材料和复合材料 3 种 。 2.1.1 天然生物材料 主要从海藻中提取，其酶解产物对人体无毒害作用， 具有很好的亲水性，营养物质易于渗透扩散。Paige 等 [12]首先采用藻酸钙水凝胶复合软骨细胞移植于小 鼠皮下，产生新生软骨获得成功。但是还有学者利用 藻酸钙复合软骨细胞修复兔关节缺损时， 发现有 20% 的植入体被纤维组织取代， 这说明细胞外支架材料的 机械强度不足[13]。 单纯的天然生物材料来源于动物或人体， 其网状 结构、成分、生物力学环境等适合种子细胞的生长、 发育及新陈代谢，，而且材料可降解。但是它们在运用 中均存在不足：胶原缺乏柔韧性、抗拉强度低，初始 强度差，降解速度过快；透明质酸和海藻酸盐体内植 入后由于抗压力不足[13]，不能适应重力的变化，难以 维持外形而失去支撑力；壳聚糖较难于电纺，且质地 较软等。另外生物材料还存在着大量制备困难，而且 由于批次不同而产生质量变化等劣势， 这就促使人们 继续发现和研究新的材料。
透明质酸： 透明质酸是葡糖醛酸-N-乙酰氨基葡糖

胶原：软骨组织工程支架应从结构和成分上模拟

软骨细胞外基质， 以期为种子细胞增殖和分化提供理 想的微环境。 而胶原则是最主要的软骨组织细胞外基 质成分，具有很好的仿生性，来源广泛，具有水溶性 好、免疫原性低、组织相容性及亲和性好、能促进细 胞增殖等优点。 Kuroda 等[6]对胶原凝胶的临床应用进行了报道： 将自体骨髓间充质干细胞复合胶原凝胶植入患者内 侧股骨髁并用自体骨膜覆盖，7 个月后检查缺损处由 新生组织平滑覆盖，并且番红 O 染色阳性。1 年后， 患者临床症状显著缓解， 并且恢复了受伤之前运动水 平， 因此将Ⅰ型胶原作为骨组织工程基质材料已经引 起了研究者的重视[7-8]。Ⅰ型胶原由于含有特别的识 别信号，有利于软骨细胞黏附、增殖、分化，可作为 良好的材料包埋添加剂。

为双糖单位组成的直链高分子多糖， 广泛存在于组织 细胞基质中， 在体内可被降解为氨基葡萄糖而被人体 吸收。 透明质酸具有优良的生物相容性和生物可降解 性。 Grigolo 等 将苯甲醇与透明质酸反应得到透明质 酸苯酯，应用到软骨组织培养中得到了预期效果。实 验表明人类软骨细胞产生 Ⅱ 型胶原而向下调节 Ⅰ 型 胶原， 说明透明质酸苯酯能够促进人类软骨细胞生长 及保持其原显性。 利用场发散透镜扫描显微镜方法能 够发现细胞与生物材料的交缠， 表明透明质酸苯酯能 很好地黏附细胞。
壳聚糖：壳聚糖虽然不是人体中细胞外基质的构
[9]

2.1.2

人工合成材料

由于天然生物材料不能够直

接满足软骨组织工程的要求， 于是研究者便把目光投 向人工合成材料。 人工合成材料是一类有机高分子聚 合物，具有良好的物理机械性能，可以通过调节分子 量及其分布以适应不同组织的需要， 作为软骨组织工 程支架材料能较好诱导软骨细胞黏附、增殖和分化。
聚羟基乙酸： 聚羟基乙酸是一种高度结晶亲水性

的线性聚脂体，因此水溶性较佳。刘彦春等[14]将兔耳 郭软骨细胞种于聚羟基乙酸支架上， 回植到免体内后 形成了软骨组织。但聚羟基乙酸的降解半衰期约为 2 周，由于降解速度过快，在工程化软骨尚未形成之前 不能提供足够的支撑强度， 故限制了其单独作为支架 材料的运用。
511

成物， 但其结构和一些性质与细胞外基质的主要成分 氨基葡聚糖非常类似
ISSN 2095-4344
[10]

。 壳聚糖具有良好的生物相容
CODEN: ZLKHAH

CN 21-1581/R

贵浩然，等. 制备软骨组织工程支架的材料和方法



聚乳酸：聚乳酸的降解半衰期为 6-8 周，可以提

吸附力较弱，其酸性降解产物易引起无菌性炎症发 生，聚合物中残留的有机溶剂可引起细胞毒副作用， 以及可能引起周围组织的免疫反应和纤维化。 该类材 料的研究指向材料的改性、 表面修饰和复合不同材料 以克服上述缺陷。 将两种或两种以上具有互补特性的 生物相容性可降解材料按一定比例和方式组合， 并选 择适宜的制备工艺， 可以设计构造出能够满足软骨组 织工程所需的结构和性能优化的三维支架复合材料。
胶原-壳聚糖复合支架：胶原是人体结缔组织的主

供足够时长的支架作用。Puclacher 等

[15]

将牛关节软

骨细胞接种到用聚乳酸纤维制成的支架上， 获得了透 明软骨组织，并发现支架对软骨细胞生长有引导作 用。 Cao 等
[16]

利用聚乳酸溶液处理聚羟基乙酸， 也取

得了相同的结果。但作为组织工程的细胞载体，合成 聚合物需要发挥其降解特性使表面不断更新， 为组织 细胞提供不断变化的黏附和生长界面。 天然软骨的应 力屈服强度非常大，通常压缩形变在 60%以上，仍 可恢复原状， 而以聚乳酸制备的聚合物多孔支架材料 多在 10%形变下就已经产生应力屈服现象，这是由 于支架的多孔结构和聚乳酸材料本体性质决定的。
聚羟基乙酸-聚乳酸复合物：聚羟基乙酸-聚乳酸复

要成分，来源广泛，具有水溶性、免疫原性低、组织 相容性和亲和性好、促进细胞增殖的优点[19]，但机械 性能差。壳聚糖是惟一带正电荷的碱性多糖，无毒、 无刺激，具有生物相容性和可降解性等优点，其大分 子链是纤维刚性结构， 含有大量带正电荷的氨基和羟 基， 与胶原结合形成大分子聚电介质复合材料可以提 高胶原的机械强度，其组织相容性、透明性和力学性 能都很好，具有可控的降解吸收率。Shi 等[20]将两者 混合制备多孔支架材料，其机械强度会有所增强。
复合左旋聚乳酸支架：复合左旋聚乳酸支架具有一

合物为聚乳酸和聚羟基乙酸按一定比例形成的共聚 物，可以结合二者各自的特性，既能提供足够强度的 支撑，又利于细胞贴附生长。Uematsu 等
[17]

运用间

充质干细胞 - 聚羟基乙酸 - 聚乳酸复合物支架复合物 修复兔软骨缺损，移植 12 周后，肉眼可见缺损处覆 盖平整并具有光泽的白色组织， 组织学上为透明样软 骨。聚羟基乙酸-聚乳酸复合物支架可以支持祖细胞 分化并在体内成功诱导其成软骨细胞。 但是聚羟基乙酸-聚乳酸复合物的降解过程呈现 先慢后快，总体较快，使得其力学特征减弱，支撑作 用减弱，另外其细胞吸附力较弱，不利于软骨细胞的 增殖，也成为需要改进的不足。虽然聚乳酸和聚羟基 乙酸已被美国食品和药物管理局批准在人体内使用， 但其亲水性差和对细胞吸附力弱等问题仍然一直困 扰着组织工程学家。
聚羟基丁酸酯及其共聚物：聚羟基丁酸酯是一种高

定的机械强度，它能维持工程组织预定的形状，有利 于细胞接种和分布， 可为细胞增殖分化创造良好的微 环境，是一种有前途的软骨组织工程支架 [21] 。 Ma 等[22]借助石蜡球制作高孔隙率复合左旋聚乳酸支架， 在减压情况下加Ⅰ型胶原， 以未经胶原修饰过的左旋 聚乳酸支架为对照组， 将体外细胞悬液分别注入实验 组和对照组，结果显示实验组细胞分布均匀，更快地 扩散于支架， 说明以Ⅰ型胶原修饰的复合左旋聚乳酸 支架能提高其细胞相容性。 与在裸鼠皮下种植的单纯 左旋聚乳酸支架相比， 复合支架有更多更均匀的软骨 组织形成，且软骨组织保持原有的支架形态。利用表 面修饰技术， 经胶原包埋的复合左旋聚乳酸支架培养 软骨细胞，才能保持两者的优点，并促进其增殖生 长[23]。
壳聚糖/藻酸盐/透明质酸钠复合支架： 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、光学活性、无刺激性和无免疫原 性等特殊性质。 王常勇等
[18]

采用聚羟基丁酸酯泡沫材

料作为软骨细胞支架在体内(兔背部皮下)培育出组织 工程化软骨。但由于单纯聚羟基丁酸酯易碎、热不稳 定、降解时间长、可塑性和机械性能差等缺点限制了 它的广泛应用。 2.1.3 复合材料 尽管人工合成高分子材料有着良 将软 骨细胞植入精氨酰 - 甘氨酰 - 天冬氨酸肽表面喷涂修 饰的壳聚糖/藻酸盐/透明质酸钠复合支架，发现软骨 细胞能良好地在支架上黏附生长和繁殖， 并分泌丰富 的糖胺聚糖和Ⅱ型胶原。 将细胞支架复合物植入兔关 节软骨缺损处，8 周后缺损区完全修复。但其力学性 能较差，不能满足膝关节软骨组织工程的要求。研究
P.O. Box 1200, Shenyang 110004

好的可降解性、可吸收性、材料的吸收率可以通过共 聚单位的相关比例来控制等优点，但亲水性差，细胞
512

贵浩然，等. 制备软骨组织工程支架的材料和方法



表明壳聚糖和海藻酸对于增加支架的生物相容性、 亲 水性、黏附力和细胞增殖有促进作用，可以考虑添加 支架表面修饰材料的做法。
纳米羟基磷灰石/胶原支架： 陈鹏等
[25]

2.2.1

相分离法

应用相分离原理开发的最常用的

制备三维支架技术就是冷冻干燥技术。 其原理是将聚 合物溶液、 乳液或水凝胶在低温下冷冻， 诱发相分离， 体系稳定后会形成富溶剂相和富聚合物相， 然后经真

将其负载骨髓

空冷冻干燥除去溶剂而形成多孔泡沫结构支架， 泡沫 的形态受冷却时相转变的控制。支架的孔形态、机械 性能、 生物活性和降解性能可由溶液中不同的聚合物 浓度，第二相的体积分数，淬火温度及不同的聚合物 和溶剂控制[28]。Guo 等[29]用此法制备的胶原-壳聚糖 多孔支架材料孔隙大小较均一， 平均孔径为 200 μm， 材料表面有一定的皱折，孔隙间能够相通，用于修复 关节软骨缺损取得良好效果。 用该方法行支架的制备 不涉及毒性大的有机溶剂， 还可结合释放生物活性物 质。 但该方法的缺点是其产生的微孔大小难以控制且 不规则。 2.2.2 溶剂浇铸/粒子沥滤技术 该方法先将高分子

间充质干细胞修复兔颅骨 15 mm 缺损，结果表明修 复区无炎症和排异反应，具有良好的组织相容性，8 周后有较好的新骨组织形成并修复颅骨缺损区。 纳米 纤维材料的优点在于高孔隙率、可调节的孔径分布、 高表面积体积比、 天然细胞外基质相似的形态结构以 及间充质干细胞的骨诱导性。此支架目前被广泛关 注，并应用于骨的组织工程中，而在软骨组织工程的 研究较少，不甚成熟。
左旋聚乳酸 - 聚已内酯复合支架材料： 半月板组织

工程支架材料需要有良好的初始力学强度及黏弹 性，由于左旋聚乳酸脆性太高及聚已内酯体外完全 降解需要二三年等缺点，限制了其在半月板组织工 程中的应用。既往研究证实通过对左旋聚乳酸与聚 已内酯的组成比、分子量、分子量分布等控制合成 其共聚物，可调整其生物降解速度和力学强度，能 够获得符合需要的支架材料
[26]

材料制成液态，可以是溶解或熔化,然后在液体中加 入不溶(或不熔)的粒径范围一定的致孔剂，将该液体 混合物固化 (溶剂挥发或降温凝固)， 最后用高分子材 料不溶而微粒溶解的溶剂将微粒浸泡沥出， 制成不含 粒子的多孔隙高分子支架。 Lee 等[30]通过该技术制备 的聚乙二醇水凝胶支架，其孔隙率为 87%-90%，孔 径大小在 115.5-220.9 μm 之间。种植软骨细胞后， 软骨细胞在微孔内伸展生长， 并产生大量的细胞外基 质和葡萄糖胺聚糖。 能用该法致孔的聚合物有聚羟基 乙酸、聚乳酸及其共聚物等[31]。粒子致孔法简单、适 用性广，孔隙率和孔尺寸易独立调节，是一个较为通 用的方法。 但该方法的缺点是致孔时往往需用到有机 溶剂， 制备的支架有厚度限制， 易形成致密表面皮层， 难以形成通透孔结构[32]。 2.2.3 气体发泡技术 该技术利用了不同压力下气

。其另一优势在于制

备的多样性可以使用传统的冻干技术，也可以用于 静电纺丝工程，制作纳米级纤维，使得支架有更好 的孔隙率和塑形。 刘斌等
[27]

实验采用的支架材料以聚已内酯为软

段，左旋聚乳酸为硬段，利用聚已内酯很好的柔韧 性和可加工性及左旋聚乳酸的高强度特性，按组成 比 1∶2 开环共聚合成二嵌段共聚物左旋聚乳酸-聚 已内酯。扫描支架表面为多孔状，孔隙分布均匀， 孔隙间相互连通，孔壁为纤维网状连接，纤维直径 150-350 nm，孔隙率为 93%，证明具有良好的力学 强度及孔隙率。 2.2
支架的制备方法

体在固体中溶解度不同的原理， 通过压力的改变在聚 合物中形成气腔，并最终形成三维多孔支架。气体发 软骨组织工程支架作为软骨细 泡法主要有物理发泡法和化学发泡法两种， 前者可以 避免有机溶剂的使用， 且常常与粒子沥滤法相结合使 用，制备出了性能较好的支架。后者主要是将聚合物 溶液和碳酸盐类化合物混合后浇铸成型， 待有机溶剂 挥发后再进行加热处理 , 最后经冷冻干燥而制得支 Lee 等[34]利用热致碳酸氢铵分解出 CO2 和 NH3, 架[33]。 采用气体发泡法并结合其他方法曾经制备了左旋聚 乳酸纳米-微米双重孔结构的多孔支架。但同冷冻干
CODEN: ZLKHAH

胞外基质的替代物， 其外形和孔结构对实现其作用和 功能具有非常重要的意义。 可降解性、 多孔支架孔径、 孔隙率、连通孔径等结构参数决定着支架的力学性 能，支架的结构特征直接影响着种子细胞的迁移、分 化和增殖。目前已研究出多种制备支架的方法, 因而 需要根据不同的支架的材料及要达到的修复目的选 择不同的制备工艺。
ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R

513

贵浩然，等. 制备软骨组织工程支架的材料和方法



燥法相似， 此法的缺点在于不能很好的控制支架的孔 径和孔隙率。 2.2.4 快速成型技术 用于组织工程支架制备的主

由于电纺技术的良好应用范围， 科学家进一步研 究出同轴共纺技术，在电纺材料中加入功能性物质， 如酶、生长因子、药物、DNA、多肽及一些其它的具 有生物活性的分子， 使其在组织工程支架的应用中具 有特异性释放功能。实验结果显示具有壳-芯结构的 纤维可以达到这一要求， 其中芯结构部分控制功能性 物质的储藏，壳结构部分控制释放动力学[40]。 Jiang 等[41]通过同轴共纺技术制备以聚己内酯为 壳、牛血清白蛋白为芯的纤维，用于控制蛋白释放， 结果表明， 牛血清白蛋白的装载比例和释放速度可通 过电纺时的给料速度来控制。 将聚乙二醇添加到壳内 进一步改善牛血清白蛋白的释放行为： 随着聚乙二醇 含量的增加，牛血清白蛋白释放速度也增加；大部分 牛血清白蛋白都可以在 1 周到 1 个多月内从壳-芯式 纤维中释放出来。 以上研究表明同轴共纺技术能够将 天然材料和合成材料有效融合在一起， 既能发挥天然 材料良好的生物相容性作用， 又可利用合成材料良好 的机械性能和可加工性， 同时还能保证活性因子的缓 慢释放。 静电纺丝法技术是现阶段惟一能够直接、 连续制

要有 3 种。
三维打印技术： 三维打印技术是在计算机的控制下

“打印喷头”依次“打印”出聚合物粉末和黏结剂(通 常为溶剂)，黏结剂将粉末黏合成一层，经逐层打印， 即可形成三维支架[35]。Schek 等[36]用该方法制造聚 乳酸/羟基磷灰石双层软骨与骨复合支架，动物实验 发现可在异位同时促进骨和软骨生长。
熔融沉积成型：该方法采用丝状材料为原料，用热熔

喷头使半流动状态的材料流体按 CAD/CAM 分层数据 控制的路径挤出来，并在指定的位置沉积凝固成型、逐 层沉积，凝固后形成多孔支架，该技术可以作为制造具 有模拟人体器官生理结构特点的人造器官模型的方法， 适合于人工骨的制造。Cao 和他的同事们利用此方法 制备了聚已酸内酯多孔支架，用于体外培养成骨细胞与 软骨细胞，两种细胞都增殖、迁移并与支架表面整合为 一体，表明此支架用于骨缺损修复具有发展潜力。
选区激光烧结： 该方法利用激光束来选择性地烧结
[37]

备聚合物纳米纤维的方法，并且具有较好的前景，该 技术已经发展成为制备生物支架材料的最有效的方 软骨组织工程中较为理想的支架材料是左 法之一[42]。 旋聚乳酸-聚已内酯复合三维支架，而且可以应用静 经张建松等[43]实验后通过各 电纺丝法制备此支架[43]。 项 性 能 的 综 合 评 价 ， 纺 丝 液 质 量 分 数 6% 的 P(LLA-CL)(50/50) 制得纳米纤维的各项性能都有着 充分的优势，且具有良好的生物相容性。
3 总结与展望

聚合物或者混合物(聚合物/陶瓷，多相金属)粉末，从 而形成材料层。由于粉末在成形时被压缩得不紧密， 所以用选区激光烧结的制品常常是多孔的， 并且通过 调节成形过程的参数，孔率可以得到控制。 2.2.5 静电纺丝法 1934 年 Formalas 发明了用静

电力制备聚合物纤维的实验装置并申请了专利， 静电 纺丝技术是聚合物溶液或熔体在静电作用下进行喷 射拉伸而获得纳米级纤维的纺丝方法， 能简单而可控 的使有机大分子形成纳米纤维， 通过电纺制作的材料 具有较大的面积-体积比和孔隙率，这对于其降解速 度、蛋白吸附和细胞黏附等特性将非常重要。将天然 材料与高分子材料混合电纺， 能使电纺材料模拟天然 生物组织的微观结构， 并且使其应用为细胞外基质成 为可能。 具有纳米结构的多孔高分子材料和生物材料 可以作为临时细胞外基质用作组织工程支架， 为细胞 的黏附提供位点并可指导细胞与支架的相互作用
[38]

由于胶原、 琼脂糖和藻酸盐等水凝胶类天然材料 可以提供足够的生物相容性、 增殖和黏附能力及亲水 性； 电纺的人工合成高分子材料复合支架又可以保证 支架的力学强度、塑形要求、孔隙率、可降解性等， 将天然材料利用上述的包埋技术和表面修饰技术复 合于电纺的高分子复合材料支架上， 将更有利于支架 性能的发挥[23]。 李忠等 [44] 实验将软骨细胞与胶原溶液充分混合 后再接种于左旋聚乳酸-聚磷酸钙纤维三维支架，既
P.O. Box 1200, Shenyang 110004

。

Li 等[39]将聚己内酯用静电纺丝技术制成一种纳米纤 维支架与骨髓干细胞复合并在不同的培养环境中分 别诱导形成了脂肪组织、软骨组织、骨组织。
514

贵浩然，等. 制备软骨组织工程支架的材料和方法



能发挥三维支架力学强度好及易于塑形等优点， 又能 发挥胶原凝胶对细胞的均匀包埋和黏附作用， 利用静 电纺方法构建的细胞支架复合物能在体外培养条件 下较快成熟。 章伟平
[45]

[8] [9]

Taton TA. Nanotechnology. Boning up on biology. Nature. 2001; 412(6846):491-492. Grigolo B,Lisignoli G, Piacentini A, et al. Evidence for redifferentiation of human chondrocytes grown on a hyaluronan-based biomaterial (HYAFFs11):molecular, immunohistochemical and ultrastructural analysis. Biomaterials. 2002; 23(4):1187-1195.

研究发现材料表面由明胶或明胶/羟基

[10] Ma J, Wang H, He B, et al.A preliminary in vitro study on the fabrication and tissue engineering applications of a novel chitosan bilayer material as a scaffold of human neofetal dermal fibroblasts. Biomaterials.2001;22(4):331. [11] Cao YL, Lach E, Kim TH, et al.Tissue-engineered nipple reconstruction. Plast Reconstr Surg.1998; 102(7): 2293. [12] Paige KT,Cima LG,Yaremchuk MJ,et al.Injectable cartilage. Plast Reconstr Surg.1995; 96(6):1390-1398. [13] Sittinger M,Perka C,Schultz O,et al. Joint cartilage regeneration by tissue engineering. Z Rhenmatol.1999; 58(3): 130-135. [14] 刘彦春,王维,曹宜林.软骨细胞-支架复合物修复兔耳廓软骨缺损 [J].中华整形外科杂志,1999,15(3):180-182. [15] Puclacher WC,Wisser J,Vacanti CA,et al. Temporomandibular joint disc replacement made by tissue-engineered growth of cartilage.J Oral Maxilofac Surg.1994;52(11):1172-1177. [16] Cao Y,Vacanti JP, Paige KT,et al.Transplantation of chondrocytes utilizing a poly me r-cell construct to produce tissue-engineered cartilage in the shape of a human ear． Hast Reconstr Surg.1997;100(2):297-302． [17] Uematsu K,Hattori K,Ishimoto Y,et al. Cartilage regeneration using mesenchymal stem cells and a three-dimensional poly-lactic-glycolic acid (PLGA) scaffold.Biomaterials.2005; 26(20):4273-4279. [18] 王常勇,袁晓辉,刘爽,等.聚羟基丁酸酯载体人工软骨体内培育的 实验研究[J].中华外科杂志,2000,38(4):269-271. [19] Glowacki J, Mizuno S. Collagen scaffolds for tissue engineering. Biopolymers.2008;89(5): 338-344. [20] Shi D,Cai D,Zhou C.Fabrication and properties of a composite chitosan/type II collagen scaffold for tissue engineering cartilage. Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi.2005;9(4):278-282. [21] 王金良,赵建宁.复合支架材料在软骨组织工程中的研究进展[J]. 医学研究生学报,2009,22 (2):201-204. [22] Ma Z,Gao C,Gong Y,et al. Paraffin spheres as porogen to fabricate poly (L-lactic acid) scaffolds with improved cytocom patibility for cartilage tissue engineering. J Biomed Mater Res B Appl Biomater.2003; 67(1): 610-617. [23] Ma Z,Gao C,Gong Y,et al.Cartilage tissue engineering PLLA scaffold with surface immobilized collagen and basic fibroblast growth factor. Biomaterials. 2005;26(11): 1253-1259. [24] Hsu SH,Whu SW,Hsieh SC,et al.Evaluation of chitosan-alginate-hyaluronate complexes modified by an RGD-containing protein as tissue-engineering scaffolds for cartilage regeneration. Artif Organs.2004; 28(8): 693-703. [25] 陈鹏,毛天球,刘冰,等.纳米羟基磷灰石复合胶原材料负载骨髓基 质干细胞修复颅骨极限缺损的实验研究[J]. 临床口腔医学杂 志,2005,21(12):730-732. [26] Brostr?m J, Boss A, Chronakis IS. Biodegradable films of partly branched poly(l-lactide)-co-poly(epsilon-caprolactone) copolymer: modulation of phase morphology, plasticization properties and thermal depolymerization． Biomacromolecules. 2004;5(3):1124-1134.

磷灰石涂覆处理后， 不仅能提高聚乳酸多孔支架的力 学性能，还能有效地提高多孔支架的亲水性。 张歆[46]研究发现在材料表面涂覆一层胶原材料， 可改善支架材料整体的稳定性和生物相容性， 同时也 可明显改善其降解及矿化特性。 由此推断， 被修饰过的电纺复合高分子材料在软 骨组织工程中具有一定的优势， 研究人员也正不断地 在这方面进行探索， 以期软骨组织工程能尽快应用于 临床。
作者贡献：第一作者和通讯作者构思并设计本综述，
分析并解析数据，所有作者共同起草，经通讯作者及第三 作者审校，第一作者对本文负责。

利益冲突：课题未涉及任何厂家及相关雇主或其他经
济组织直接或间接的经济或利益的赞助。

伦理要求：无涉及伦理冲突的内容。 作者声明：文章为原创作品，数据准确，内容不涉及
泄密，无一稿两投，无抄袭，无内容剽窃，无作者署名争 议，无与他人课题以及专利技术的争执，内容真实，文责 自负。

4 参考文献
[1] [2] [3] [4] [5] [6] 裴国献,魏宽海,金丹,等.组织工程学实验技术[M].北京:人民军医 出版社, 2006: 233-234. 何森,张其清.关节软骨组织工程的研究进展[J].国际生物医学工 程杂志,2007, 30(4): 249-351,1505-1507. Hellman KB. Bioartificial organs as outcomes of tissue engineering. Ann NY Aca Sci.1997;831:129. 鄂征,刘流.医学组织工程技术与临床应用[M].北京:北京出版社, 2003: 378-379. 江祺川,王雪峰,远洋.组织工程软骨构建的研究进展[J].中国医学 工程,2011,19(6):175-176. Kuroda R,Ishida K,Matsumoto T,et al.Treatment of a full thickness articular cartilage defect in the femoral condyle of an athlete with autologous bone marrow stromal cells. Osteoarthritis Cartilage.2007;15(2): 226-231. [7] Sasaki N,Sudoh Y.X-ray pole figure analysis of apatite crystals and collagen molecules in bone. Calcif Tissue Int. 1997;60(4): 361-367.
ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH

515

贵浩然，等. 制备软骨组织工程支架的材料和方法



[27] 刘斌,戎利民,黄冬梅, 等. 纳米结构PCL—b—PLLA材料特性及 其与犬软骨细胞的生物相容性研究[J].中华关节外科杂志,2008, 2(6):40-43. [28] 吴林波,丁建东.组织工程三维多孔支架的制备方法和技术进展 [J].功能高分子学报,2003,16(1): 91-96. [29] Guo T,Zhao J,Chang J,et al.Porous chitosan-gelatin scaffold containing plasmid DNA encoding transforming growth factor-beta1 for chondrocytes proliferation. Biomaterials.2006; 27(7):1095-1103. [30] Lee WK,Ichi T,Ooya T,et al.Novel poly (ethylene glycol) scaffolds crosslinked by hydrolyzable polyrotaxane for cartilage tissue engineering. J Biomed Mater Res A.2003; 67(4):1087-1092. [31] 李国义,梁传余,郑艳,等. 软骨组织工程管状泡沫支架的研制[J]. 山东大学基础医学院学报,2004,18(6):361-363. [32] 吴林波,丁建东.组织工程三维多孔支架的制备方法和技术进展 [J].功能高分子学报,2003,16(1):91-96. [33] Nam YS, Yoon JJ, Park TG.A novel fabrication method of macroporous biodegradable polymer scaffolds using gas foaming salt as a porogen additive. J Biomed Mater Res.2000; 53(1):1-7. [34] Lee YH,Lee JH,An IG,et al.Electrospun dual-porosity structure and biodegradation morphology of Montmorillonite reinforced PLLA nanocomposite scaffolds. Biomaterials. 2005;26(16): 3165-3172. [35] 连芩,李涤尘,李爱民,等.快速成型技术在软骨与骨组织工程中的 应用研究[J].中华医学研究杂志,2007,7(6):486-489. [36] Schek RM, Taboas JM, Segvich SJ, et al. Engineered osteochondral grafts using biphasic composite solid free-form fabricated scaffolds. Tissue Eng 2004;10(9-10):1376-1385.

[37] Cao T, Ho KH, Teoh SH. Scaffold design and in vitro study of osteochondral coculture in a three-dimensional porous polycaprolactone scaffold fabricated by fused deposition modeling. Tissue Eng. 2003;9 Suppl 1: 103-112 . [38] Goldberg M, Langer R, Jia X. Nanostructured materials for applications in drug delivery and tissue engineering. J Biomater Sci Polym Ed. 2007; 18(3): 241-268. [39] Li WJ,Tuli R,Huang X,et al.Multilineage differentiation of human mesenchymal stem cells in a three-dimensional nanofibrous scaffold. Biomaterials.2005;26(25):158-5166. [40] Boudriot U,Dersch R,Greiner A,et al. Electrospinning Approaches toward scaffold engineering- a brief over view. Artif Organs.2006;30(10): 785-792. [41] Jiang HL,Hu YQ,Zhao PC,et al. Modulation of protein release from biodegradable core-shell structured fibers prepared by coaxial electrospinning. J Biomed Mater Res. 2006;79 (1): 50-57. [42] 杨恩龙,王善元,李妮,等.静电纺丝技术及其研究进展[J].产业用 纺织品, 2007,25(8):7-10. [43] 张建松,张鹏云,徐晓红,等.两种聚(左旋乳酸-已内酯)静电纺纳米 纤维膜的性能比较[J].中国组织工程研究与临床康复,2009, 13(8):1495-1499. [44] 李忠,杨柳,段小军,等．胶原凝胶包埋软骨细胞接种CP-Pf/PLLA 支架体外构建组织工程软骨[J]中国矫形外科杂志,2004,12(21): 1672-167. [45] 章伟平.聚乳酸多孔支架制备及表面改性研究[D].南京:东南大学, 2009． [46] 张歆.磷酸三钙/胶原复合纤维支架的制备与表征[D].北京:北京 化工大学,2009.

516

P.O. Box 1200, Shenyang

110004

  本文关键词：制备软骨组织工程支架的材料和方法，由笔耕文化传播整理发布。