人工合成聚氨酯材料支架用于半月板移植研究進(jìn)展

丁國成 龔熹 孫牧?xí)D 趙逢源 胡曉青 敖英芳

北京大學(xué)第三醫(yī)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)科，北京大學(xué)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究所，運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)關(guān)節(jié)傷病北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京100191）

半月板損傷是膝關(guān)節(jié)最常見的損傷之一[1]。半月板是膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)的重要結(jié)構(gòu)，具有傳導(dǎo)分散載荷、吸收震蕩、匹配股骨與脛骨的接觸面形態(tài)、潤滑關(guān)節(jié)、協(xié)助維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性等重要功能[2]。半月板損傷常發(fā)生在急性膝關(guān)節(jié)損傷，也可因交叉韌帶等膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)破環(huán)導(dǎo)致關(guān)節(jié)不穩(wěn)而繼發(fā)半月板撕裂或磨損。老年患者也可因關(guān)節(jié)退行性改變而使半月板受到變性損傷。常見的臨床癥狀為膝關(guān)節(jié)疼痛，可伴關(guān)節(jié)腫脹及屈伸活動(dòng)障礙，嚴(yán)重者影響正常生活及體育運(yùn)動(dòng)。半月板部分或全部切除術(shù)曾是標(biāo)準(zhǔn)的治療方法，但近些年來隨訪發(fā)現(xiàn)由于關(guān)節(jié)生物力學(xué)結(jié)構(gòu)明顯改變，軟骨應(yīng)力顯著增大，手術(shù)后期常伴發(fā)骨關(guān)節(jié)炎[2]。近些年來半月板縫合修補(bǔ)術(shù)被運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)手術(shù)醫(yī)生廣泛提倡。但半月板縫合術(shù)僅適用于特定的撕裂損傷，半月板缺損較大者無法進(jìn)行縫合治療，且縫合后存在不愈合或再次撕裂的風(fēng)險(xiǎn)?；謴?fù)半月板組織形態(tài)可以降低關(guān)節(jié)軟骨接觸壓力并有助于恢復(fù)膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，以達(dá)到半月板與關(guān)節(jié)軟骨的良好匹配，從而降低后續(xù)關(guān)節(jié)退行性改變風(fēng)險(xiǎn)，這為通過材料移植對(duì)難以再生的半月板組織進(jìn)行修復(fù)提供了思路。

目前，已有兩款半月板支架用于臨床[3]：膠原半月板植入物CMI（collagen meniscus implant，Ivy Sports Medicine，Lochhamer，Germany），它來源于Ⅰ型牛半月板膠原基質(zhì)，因受免疫及潛在傳染病感染的影響目前在部分地區(qū)已停用；另一重要支架是以聚氨酯為基礎(chǔ)的Actifit（Orteq Bioengineering，London，UK）半月板支架（圖1），用于半月板部分缺損的修復(fù)。此外，全半月板聚氨酯移植物NUsurface[4，5]正處于臨床試驗(yàn)階段。本文對(duì)近些年來采用聚氨酯材料修復(fù)半月板從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)到人體應(yīng)用的研究進(jìn)展做一簡要綜述，為今后聚氨酯材料半月板的應(yīng)用與研發(fā)提供參考。

圖1 聚氨酯支架

1 膝關(guān)節(jié)半月板的材料學(xué)現(xiàn)狀

研究者采用不同種類的人工合成聚合物進(jìn)行半月板缺損移植修復(fù)的探索，主要包括聚己內(nèi)酯（polycaprolactone，PCL）、聚氨酯（polyurethane，PU）、聚乳酸（polylactic acid，PLA）、聚乙醇酸（polyglycolic acid，PGA）等[3，5]，還包括天然高分子材料，如多糖、明膠、膠原以及生物組織來源材料等。其中以天然膠原蛋白為來源的半月板移植物CMI 已應(yīng)用于臨床，但該款移植物力學(xué)性能達(dá)不到維持膝關(guān)節(jié)正常功能的要求，因此僅適用于半月板外周邊緣仍未受損的病例，手術(shù)適應(yīng)癥較窄。此外CMI 來源于Ⅰ型牛膠原基質(zhì)，受免疫及潛在傳染病影響目前在部分地區(qū)已停用。力學(xué)強(qiáng)度無法良好地模擬天然半月板也是天然來源材料所面臨的共同挑戰(zhàn)[3，8]。在人工合成聚合物中，除聚氨酯外其他材料均處在基礎(chǔ)研究階段。聚氨基甲酸酯（polyurethane，PU）簡稱聚氨酯，是一種人工合成的主鏈上含有重復(fù)氨基甲酸酯基團(tuán)（－NHCOO－）的極性高分子聚合物。聚氨酯材料是較為成熟的生物醫(yī)用材料，由于成型加工性能好，分子設(shè)計(jì)自由度大而被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，目前聚氨酯材料已應(yīng)用于人體內(nèi)部組織器官的替代，以心臟血管支架、人造血管植入物、外科固定物等為代表，取得了良好的臨床效果[9]?；诰郯滨ゲ牧狭己玫纳锵嗳菪裕瘜W(xué)穩(wěn)定性，優(yōu)異的力學(xué)性能和可生物降解，使用多孔可生物降解的聚氨酯材料作為半月板缺損之間的連接移植物，是目前臨床上一種具有良好應(yīng)用潛力的半月板重建方法。

以聚氨酯為材料基礎(chǔ)的Actifit 半月板支架，是目前正式應(yīng)用于臨床的人工合成材料半月板植入物，用于半月板部分缺損的修復(fù)。該半月板支架具有良好力學(xué)性能和孔隙結(jié)構(gòu)，可為細(xì)胞粘附增殖提供適合的微環(huán)境。Actifit聚氨酯支架降解周期為3.5～5年，細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)沉積替代聚氨酯支架的降解缺損部分，但一項(xiàng)術(shù)后2年的二次關(guān)節(jié)鏡探查報(bào)道發(fā)現(xiàn)新生組織與天然半月板組織仍存在差異[10]。Active Implants 公司2010年研制出一種永久型聚碳酸酯型聚氨酯半月板替代物Nusurface?（Active Implants LLC，Memphis，TN，USA）[11]（圖2），此為第一個(gè)正在進(jìn)行臨床試驗(yàn)的永久型全半月板移植假體。Nusurface?主要材料也是聚氨酯，其設(shè)計(jì)為盤狀，是一種非錨定式的股骨契合的植入物，可通過微創(chuàng)膝關(guān)節(jié)鏡切口在不破壞骨、軟骨和關(guān)節(jié)主要結(jié)構(gòu)的情況下植入股骨和脛骨軟骨面之間的內(nèi)側(cè)間室以替代半月板，該類型移植物不具有降解再生作用，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，是一種永久性半月板替代物[12]。

圖2 Nusurface?永久型全半月板假體大體觀[10]

2 聚氨酯材料修復(fù)半月板的基礎(chǔ)研究進(jìn)展

聚氨酯是一種主鏈上含有重復(fù)氨基甲酸酯基團(tuán)（－NHCOO－）的極性高分子聚合物（圖3）。聚氨酯分子具有軟/硬段交替存在的結(jié)構(gòu)，通過改變軟/硬鏈段結(jié)構(gòu)成分及比例，可以靈活地調(diào)控聚氨酯材料性能，制備具有優(yōu)異機(jī)械性能和生物相容性的醫(yī)用聚氨酯。脂肪族聚氨酯具有安全可降解的性質(zhì)，可被巨噬細(xì)胞等吞噬降解，細(xì)胞及細(xì)胞外基質(zhì)最終填充替代降解的聚氨酯支架。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，通過優(yōu)選的聚氨酯材料支架及支架功能化重建從而恢復(fù)半月板結(jié)構(gòu)和功能可以有效促進(jìn)半月板再生，保護(hù)關(guān)節(jié)軟骨從而延緩骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)展，相關(guān)基礎(chǔ)研究見表1。

表1 聚氨酯材料修復(fù)半月板的基礎(chǔ)研究

圖3 聚氨酯支架簡要合成過程及結(jié)構(gòu)式

Veth 等[13]早在1986年對(duì)14 只犬半月板采用含有碳纖維丙交酯與聚氨酯有機(jī)聚合物的移植物修復(fù)大型楔形損傷，術(shù)后4、8 周關(guān)節(jié)鏡觀察移植物發(fā)現(xiàn)10 只犬半月板重建區(qū)域完全被新生纖維組織覆蓋，同時(shí)發(fā)現(xiàn)透明軟骨修復(fù)的跡象。但碳纖維顆粒具有引發(fā)滑膜炎的潛在風(fēng)險(xiǎn)。隨后Klompmaker[14-17]采用脂肪族聚氨酯聚合物支架修復(fù)犬半月板無血管區(qū)損傷和半月板置換，發(fā)現(xiàn)纖維軟骨可以長入聚氨酯支架，并就支架孔隙大小對(duì)新生組織再生的影響進(jìn)行了探索。移植物的力學(xué)，再生特性與關(guān)節(jié)軟骨保護(hù)密切相關(guān)，Spaans 等[18]采用無溶劑制備微孔聚氨酯酰胺及聚氨酯尿素支架材料修復(fù)半月板，驗(yàn)證了其生物力學(xué)和纖維組織長入的能力。Heijkants[19]合成了以聚己內(nèi)酯為軟段，1，4-丁二異氰酸酯和1，4-丁二醇作為硬段的聚氨酯支架，并將其置入犬體內(nèi)，結(jié)果表明該支架可提供纖維組織長入的多孔微環(huán)境并具有良好的力學(xué)性能。

較早使用的芳香族聚氨酯的后期降解可能產(chǎn)生毒性降解物，具有致基因突變、致癌、致畸的潛在風(fēng)險(xiǎn)。Groat[20]等采用環(huán)己二甲醇、聚己內(nèi)酯二醇和1，4-反式環(huán)己烷二異氰酸酯合成線性脂肪族聚氨酯，將預(yù)聚物與甘油交聯(lián)合成脂肪族聚氨酯網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，植入犬關(guān)節(jié)內(nèi)探索材料可行性，取得了良好效果。但仍有學(xué)者質(zhì)疑脂肪族聚氨酯降解產(chǎn)物毒性并未完全消除[21]。Tienen 課題組[22-24]合成了一種碳纖維增強(qiáng)的聚酯型聚氨酯（polyesterurethane，PUPCL）支架并將其置入犬體內(nèi)，與芳香族聚氨酯比較，發(fā)現(xiàn)該支架表現(xiàn)出更小的免疫反應(yīng)，同時(shí)觀察到軟骨退化仍然明顯存在。目前這些優(yōu)選的聚氨酯支架仍不能完全防止軟骨退化的發(fā)生[25]，今后的研究仍需優(yōu)化聚氨酯支架材料生物相容性，使其化學(xué)降解產(chǎn)物對(duì)軟骨及免疫的影響降到最低。

近些年來種子細(xì)胞、生長因子、支架微觀結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性等重要影響因素逐漸得到研究者們的重視。Achatz[26]將人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞種植于聚氨脂復(fù)合支架進(jìn)行體外培養(yǎng)，結(jié)果顯示聚氨酯支架材料孔間連通性滿足細(xì)胞分布和細(xì)胞存活。Koch[27]將間充質(zhì)干細(xì)胞種植于聚氨酯支架上進(jìn)行兔體內(nèi)研究，結(jié)果顯示間充質(zhì)干細(xì)胞促進(jìn)了血管的生長。Vedicherla[28]分別將分離處理后的山羊軟骨細(xì)胞和軟骨碎塊種植于聚氨酯支架上進(jìn)行培養(yǎng)，結(jié)果顯示直接添加細(xì)胞成分或富含細(xì)胞的組織可以提高支架再生能力。Mulder[29]將山羊半月板纖維細(xì)胞種植于PU/PCL 微孔支架上并添加轉(zhuǎn)化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β），體外培養(yǎng)結(jié)果顯示TGF-β可以促進(jìn)支架上細(xì)胞增殖和細(xì)胞外基質(zhì)合成。該團(tuán)隊(duì)的另一項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)在非承重環(huán)境中，膠原蛋白的形成可以由支架結(jié)構(gòu)引導(dǎo)，新生組織分別向半月板無血管區(qū)和血管區(qū)不同方向分化[30]。Maher 等[31，32]進(jìn)行尸體力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)多孔聚氨酯支架在半月板部分缺損區(qū)力學(xué)分布優(yōu)于半月板切除。研究還表明聚氨酯涂層支架移植具有一定的關(guān)節(jié)軟骨保護(hù)作用[33，34]。以上諸多研究從各影響因素對(duì)聚氨酯支架修復(fù)半月板進(jìn)行了探索，未來的研究方向應(yīng)優(yōu)選出最佳的生物影響因素，并進(jìn)行多因子聯(lián)合共同促進(jìn)半月板再生研究。

3 聚氨酯支架臨床應(yīng)用的研究進(jìn)展

近些年來研究者們陸續(xù)報(bào)道Actifit 聚氨酯支架應(yīng)用于人體半月板損傷的臨床隨訪研究。Verdonk等[35-37]報(bào)道了以Actifit 支架作為部分替代物的半月板缺損患者的系列研究，中短期隨訪1～2年后Actifit 種植體與原位天然半月板組織融合，患者疼痛癥狀緩解，無并發(fā)癥出現(xiàn)，組織病理提示支架中存在有活性的纖維組織。其他一些術(shù)后臨床隨訪研究也顯示出相似結(jié)果（見表2）。Akkaya[38]在2020年報(bào)道采用間充質(zhì)干細(xì)胞關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射的方式促進(jìn)聚氨酯半月板支架修復(fù)再生，術(shù)后3年隨訪取得良好結(jié)果。另一項(xiàng)研究中，Meza等[38]將間充質(zhì)干細(xì)胞種植在聚氨酯支架中應(yīng)用于人體，術(shù)后隨訪12個(gè)月結(jié)果顯示在保護(hù)關(guān)節(jié)軟骨方面該方式未顯示出優(yōu)于非細(xì)胞支架的優(yōu)勢。

表2 聚氨酯材料修復(fù)半月板的臨床研究

Actifit 半月板支架植入后力學(xué)擠壓是研究中的關(guān)注熱點(diǎn)。Coninck[40]通過影像學(xué)對(duì)Actifit 移植物支架的徑向移位進(jìn)行了研究，結(jié)果表明支架徑向移位與臨床結(jié)果評(píng)分均無相關(guān)性。Moran[41]對(duì)植入后的聚氨酯支架進(jìn)行詳細(xì)病理分析，發(fā)現(xiàn)半月板置換區(qū)細(xì)胞密度明顯較高，且細(xì)胞形態(tài)存在異向性，這表明聚氨酯支架在受力情況下能夠支持細(xì)胞生長并產(chǎn)生分化。Gelber[42]對(duì)支架植入后的磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）結(jié)果進(jìn)行分析，在無軟骨損傷的患者中聚氨酯支架在尺寸和形態(tài)方面的MRI 表現(xiàn)更好，該研究結(jié)果提示通過優(yōu)化關(guān)節(jié)內(nèi)生物力學(xué)，特別是半月板替代物的植入，至少兩年的隨訪觀察到明顯的疼痛緩解和功能改善。最新的兩項(xiàng)中期隨訪研究也表明Actifit 在改善膝關(guān)節(jié)功能、提高運(yùn)動(dòng)水平、減輕疼痛方面的樂觀結(jié)果，但MRI 顯示都存在植入物擠壓擠出的報(bào)道[43，44]。聚氨酯類材料摩擦系數(shù)對(duì)關(guān)節(jié)軟骨也是重要影響因素，Galley等對(duì)聚氨酯材料摩擦系數(shù)在置入羊半月板內(nèi)12 個(gè)月的變化進(jìn)行了研究[43]。通過優(yōu)化支架的形狀、表面特性及內(nèi)部結(jié)構(gòu)來匹配半月板力學(xué)特性使人工合成支架置入后起到軟骨保護(hù)作用仍是半月板修復(fù)中的研究熱點(diǎn)。

（續(xù)表2）

Shin 等在2018年進(jìn)行的一項(xiàng)薈萃分析發(fā)現(xiàn)[52]，使用聚氨酯半月板支架的患者功能明顯改善并且疼痛減輕，對(duì)于部分半月板缺損患者，聚氨酯半月板支架似乎是一個(gè)可行的選擇。但該研究發(fā)現(xiàn)很多患者仍存在軟骨退化和半月板被擠出的情況，軟骨退化可能與關(guān)節(jié)力學(xué)分布不均、縫合固定技術(shù)、支架材料自身等因素直接有關(guān)。目前大多數(shù)研究是基于磁共振成像、二次關(guān)節(jié)鏡檢查和臨床功能評(píng)分，缺少更完善的體內(nèi)支架和骨關(guān)節(jié)炎病理學(xué)結(jié)果。Actifit 支架相關(guān)的臨床研究報(bào)道多基于短期隨訪觀察，今后需要深入的中長期隨訪觀察以及安全性和有效性的更有力的長期證據(jù)[53]。此外，存在并發(fā)損傷的半月板修復(fù)手術(shù)如前交叉韌帶重建和脛骨高位截骨可能對(duì)這些評(píng)估結(jié)果有顯著影響[54]。值得一提的是，Nusurface 作為一種新型完全替代材料，近兩年的臨床實(shí)驗(yàn)也報(bào)道了相似的短期隨訪結(jié)果[55，56]。這些初步結(jié)果表明Nusurface 植入物在膝關(guān)節(jié)疼痛、功能評(píng)分和生活質(zhì)量方面比非手術(shù)治療有顯著改善，但目前還缺乏手術(shù)組之間的對(duì)比研究和長期隨訪結(jié)果的報(bào)道。

4 半月板聚氨酯移植物材料研究展望

理想的聚氨酯支架材料應(yīng)具有良好的生物相容性和仿生力學(xué)特性，支架降解期限內(nèi)允許新組織的生長，新生組織在生物力學(xué)負(fù)載的影響下進(jìn)行半月板軟骨組織重構(gòu)。近些年來，以l-丙交酯/ecaprolactone 癸內(nèi)酯為基礎(chǔ)的生物可降解聚酯脲類生物支架是半月板組織工程熱點(diǎn)研究的理想材料[41]。此外，聚氨酯支架的多孔結(jié)構(gòu)也應(yīng)該能夠促進(jìn)細(xì)胞長入，允許營養(yǎng)物質(zhì)的自由擴(kuò)散，并作為成軟骨生長因子的載體。支架材料在具有可降解和多孔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，其生物力學(xué)特性應(yīng)滿足能夠承受關(guān)節(jié)的負(fù)荷，并在這些負(fù)荷條件下保持其結(jié)構(gòu)的完整性。目前臨床隨訪結(jié)果表明，盡管很多研究結(jié)果已證實(shí)采用聚氨酯移植物替代半月板結(jié)果優(yōu)于半月板切除，但聚氨酯材料支架并不能完全避免關(guān)節(jié)軟骨的退化。主要原因?yàn)槟壳暗囊浦参镌诹W(xué)、再生能力、材料降解方面不能充分整合。

移植物在膝關(guān)節(jié)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)中需要更好地匹配關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)環(huán)境，這對(duì)移植物的內(nèi)部力學(xué)結(jié)構(gòu)和生物相容性提出了更高要求。近些年來，通過3D打印技術(shù)能夠很好地解決半月板微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和個(gè)體化外觀結(jié)構(gòu)差異，從而減小了力學(xué)不匹配導(dǎo)致的關(guān)節(jié)內(nèi)骨贅增生和軟骨破壞。同時(shí)這一技術(shù)對(duì)聚氨酯材料的可打印性提出了更高要求。聚氨酯支架的生物再生能力需要進(jìn)一步優(yōu)化，其中材料的生物功能化修飾如生長因子、種子細(xì)胞、力學(xué)刺激等為半月板的組織再生提供了積極因素，今后的研究應(yīng)明確這些因素發(fā)揮作用的最優(yōu)條件和各影響因素之間的相互關(guān)系，并達(dá)到材料力學(xué)和再生的良好整合[57]。