人工软骨修复现状及研究进展学术论文.docx
- 文档编号:28492603
- 上传时间:2023-07-15
- 格式:DOCX
- 页数:9
- 大小:22.41KB
人工软骨修复现状及研究进展学术论文.docx
《人工软骨修复现状及研究进展学术论文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《人工软骨修复现状及研究进展学术论文.docx(9页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
人工软骨修复现状及研究进展学术论文
人工软骨修复现状及研究进展(学术论文)
关节软骨损伤修复方法及其研究进展
李淼林,杨程,荣华元,龚超,
摘要:
关节软骨如果损伤就很难恢复,且有可能留下后遗症,而关节软骨的自身修复能力有限,医学上对损伤软骨的修复一直是一项难题。
本文介绍了当前有关人工软骨的各种修复方法:
软骨移植、细胞移植、组织功能化及替代人工软骨材料的现状及研究进展。
关键词:
关节软骨;修复方法;替代材料;
关节软骨表面光滑,能有效地减少相邻骨间的摩擦。
关节软骨在关节的运动中起到相当重要的作用,主要需要承受力学负荷、力的吸收以及两骨间的润滑作用。
而在剧烈运动中容易损伤关节软骨。
1、修复方法
1.1细胞移植
可用于移植的细胞主要有自体软骨细胞、异体软骨细胞以及间充质干细胞等。
1962年【1】等首次应用软骨下骨钻孔方法治疗关节软骨缺损,发现软骨缺损部位很快Calandruccio
被增殖的纤维软骨样组织填充,这说明软骨下骨的间充质细胞有分化成软骨的潜能。
1993【2】年Shapiro用同位素标记法,明确证实了该法修复的软骨细胞来源于骨髓间充质干细胞。
移植后的自体或异体的细胞可以在损伤处分裂、增殖、分化,分泌合成新的软骨基质,形成透明软骨,充填缺损,在非全层的软骨损伤中该方法有效避免了血液中的成纤维细胞所带来的纤维修复过程。
而对于全层软骨损伤,可利用间充质干细胞的多向分化功能来完成软骨的修复。
随着细胞生物反应器培养技术的迅速发展以及软骨细胞永生化研究,【3】一定程度上解决了供体细胞的来源和去分化问题。
目前自体软骨细胞移植已经获得美国食品与药品管理局(FDA)批准并应用于临床,该法已经让超过2000名患者从中受益。
由于【4】单一的游离细胞移植易流失,故常联合应用其他方法如骨膜和软骨膜移植。
通过临床证【5】实,自体软骨细胞移植修复少年创伤性软骨缺损有良好的效果。
自体软骨细胞移植与其【6】他软骨修复疗法也已有相关报道。
Bentley等研究了100例软骨损伤患者,其中自体软骨细胞移植58例,马赛克骨软骨损伤42例,19个月后结果显示自体软骨细胞移植明显优于马赛克骨软骨移植。
当前随着对具有全能分化潜能的干细胞—胚胎干细胞研究的迅速发展,有望使移植后的干细胞形成透明软骨组织来修复关节软骨损伤。
骨软骨干细胞和基质干细胞存在于多种组织中,如:
滑膜组织,肌肉组织,脂肪组织,并且容易获得。
【7】Sakaguchi等通过研究报道了滑膜组织干细胞最容易分化为透明软骨细胞,因此最有可[8]能运用于临床。
余方圆等成功将兔脂肪干细胞分离培养并且定向诱导为软骨细胞,说明脂肪干细胞修复损伤的软骨有较好的应用前景。
1.2软骨移植
1.2.1自体软骨移植
【9、对于缺损深度达软骨下骨及较大面积软骨缺损的治疗,自体软骨移植效果较好10】【11】。
Jakob等对52个膝关节全层软骨损伤进行了自体镶嵌式软骨移植,其实验结果证明,在手术过后92%的患者膝关节功能得到明显改善。
目前应用于临床的主要是马塞克软【12】骨移植,其方法是将非负重区取出的数枚软骨栓植入负重区骨缺损区恢复关节面。
自体软骨移植与其他关节软骨治疗方法相比,手术一期完成、创伤小、免疫反应低,但是其技术难度大,对术者手术要求高,同时其供区的有限性极大地限制了自体软骨技术的发展【13】。
1.2.2同种异体软骨移植
为了克服自体软骨来源有限的缺点,许多学者采取了同种异体软骨进行实验和治疗。
由于异体骨软骨移植材料获得相对方便并可以预制成任何形状和大小,因此该方法可以有效地【14】[15]修补大面积的软骨或骨软骨缺损。
袁文旗等人研究了冷冻保存的同种异体骨软骨的冷冻保存,其实验结果表明其成功率可与新鲜的同种异体骨软骨相媲美。
异体骨软骨移植,其获得的新鲜异体骨软骨移植物需要在一周左右进行移植,相对于自体软骨来说,同种异【16】【17】体软骨的免疫反应要强烈的多。
李丽建等研究发现,利用深低温的冷冻,尤其是程序性的冷冻可以明显的预防移植后的免疫反应,同种异体骨软骨以其丰富的来源,以及学者们对免疫反应机理研究的越来越深入,其发展前途将是很好的,异体骨软骨的修复必将取得突破性的进展,手术的成功率以及不受面积缺损大小的特点,都会使其有广阔的发展前景。
1..3组织功能化
近年来,随着对细胞、分子生物学的不断研究以及在生物工程材料和生物技术方面的高速发展,组织工程学逐渐成为了当代生物医学工程领域中的一个快速发展的新方向。
组织工程(TissueEngineering)是美国国家科学基金委员会于1987年在华盛顿举办的生物工程小组会上最早提出的。
组织工程主要包含种子细胞、支架以及生长因子三个重要因素。
简言之,组织工程即:
种子细胞种植在可降解的支架上,再通过生长因子的促进作用,促使种子细胞在支架上分化成为所需要的细胞,进而培养得到所要的组织或器官。
伴随着组织工程的不断发展,人工软骨也迎来了新的进展并拥有美好的发展前景。
关节软骨组织工程的基本方法是将体外扩增的软骨细胞接种到一种生物相容性良好并可被机体吸收的生物材料上,然后植入缺损部位,细胞在生物材料逐渐降解吸收的过程中形成新【18】。
组织工程软骨的构建需要具备的组织,从而达到修复关节缺损、重建关节功能的目的
三个主要条件:
(1)足够数量、功能正常的种子细胞;
(2)合适的细胞支架;(3)调节细【19】胞增殖、保持细胞表型特征的细胞因子,也可以说是合适的体外培养条件。
1.3.1种子细胞
理想的软骨组织工程种子细胞应该具备以下几个特点:
?
易取材,且对机体损伤小;?
具有较强的增殖能力,且易分化为目标细胞;?
对于相应的支架材料,黏附能力强;?
[19]能够耐受环境的变迁,适应不同应力条件。
目前用于种子细胞的主要是:
自体成熟软骨细胞、间充质干细胞(marrowstromalcells,MSCs)、胚胎干细胞(embryonicstem【18、20】cell,ESC)、基因改变或修饰细胞。
1.3.2支架研究
在组织工程中,种子细胞是种植在支架上,再植入缺陷部位,故支架对组织工程具有不可或缺的作用。
所以,支架材料必须具有以下的主要优点:
(1)、支架材料必须是无毒的,即支架材料对种子细胞以及人体没有毒害作用,从而保证种子材料可以在支架上增殖生长;
(2)、支架在植入缺损部位后,不会发生免疫反应,即支架材料应该是免疫原性;(3)、应该具有可降解性,可以随着种子细胞的增殖而逐渐降解成可供细胞生长的营养物质;(4)、所选材料要有一定的可塑性和一定的强度,可以制造成所要的形状,并且在未降解前不易变形。
在当前的支架材料中,主要分为天然支架材料、人工合成支架材料以及复【21-23】合支架材料三大类。
1.3.3生长因子
软骨组织内含有多种生长因子,它们通过自分泌和旁分泌方式,共同作用与软骨细胞的分裂、生长、成熟和老化。
单层培养的软骨细胞已发生去分化,使用特殊的生长因子,[24][25]不仅可以提高细胞的增殖能力亦可保持细胞转入三维环境中的再分化能力。
Cooch等发现骨形态发生蛋白中的BMP-2、BMP-12、和BMP-13能够促进软骨组织的形成。
2、关节软骨修复材料
目前主要用于修复关节软骨的材料有:
聚乙烯醇水凝胶、聚氨酯(RU)、聚酰胺66以及各种复合水凝胶等。
2.1、聚乙烯醇水凝胶
聚乙烯醇是由聚醋酸乙烯酯水解成的一种聚合物,其水凝胶由亲水性大分子经过物[26、27].理、化学、辐射等方法交联而成的网状水溶体。
聚乙烯醇水凝胶的网状结构,由四川大学纳米分析得其孔径为150——400um,孔隙率为78.5%,含水率为76.4%,与自然软骨的组成形式十分相似。
而其在物理性质方面相比较于其它人工合成材料更加接近于活体组【28】织,其良好的扩展特性和水分子等的透过性使其生物相容性良好。
而它的柔韧性、高弹性、生物力学性能、表面摩擦系数等性能都与自然软骨组织十分接近,所以PVA是一种公【29—33】认良好的替代关节软骨的修复材料。
但单独使用pva修复关节软骨仍有一些问题,如PVA无生物活性,无法很好的与自身骨质相结合,从而造成软骨的修复、固定等问题无法解决。
2.2、聚氨酯
由四川大学纳米分析测试中心制备的聚氨酯材料呈现多孔网状结构,与自然软骨组织相似,而其良好的组织相容性和血液相容性,良好的耐磨性,容易加工成型等优异性能,【34、35】使聚氨酯再血液接触材料及组织工程的支架材料中得到广泛运用。
2.3、聚酰胺66
聚酰胺66分子是一种与自然骨中骨胶原极其相似的多孔网状结构的大分子,其多孔结构有利于组织细胞的长入,如纤维组织、骨组织等,从而能形成防止植入的关节软骨因时【36】间过长而产生移动错位的生物牢固自锁固定。
但郭忠鹏等研究表明聚酰胺66对软骨细胞的诱导及增殖分化能力较差,不能形成成熟的透明软骨组织。
2.4、聚氨酯/纳米羟基磷灰石+聚酰胺66
这种材料模仿了自然骨中的无机与有机成分的配比,将纳米羟基磷灰石与高分子聚酰胺66材料按照一定比例结合,将纳米羟基磷灰石材料的高强度与生物相容性与聚酰胺66的良好韧性相结合,形成新型的人工仿生材料(n—HA+PA66),能很好的接近自然骨的结构【35、37、38】【35】和性能。
彭超等人实验表明,聚氨酯植入后周边软骨未见明显退化,说明聚氨酯与周边软骨有良好的生物相容性。
多孔PV/n—HA+PA66材料在修复关节软骨时具有良好的生物相容性,多孔PV由于其性能植入后可某种程度上解决关节面的光滑,减轻关节面的磨损。
而下层的n—HA+PA66可与骨组织融为一体,解决了材料植入后的固定问题。
为关节软骨的修复提供了一种可供选择的替代材料。
2.5、PVA/n—HA
前文中提到单独的PVA水凝胶存在一定的缺点,需要进一步改善才能作为相应的修复关节软骨材料。
HA为天然骨成分的一种矿化机制,其良好的生物学活性和高强度可解决单【30、33、39】独PVA水凝胶的问题。
潘育松等人证明了在各种条件下制备的PVA/n—HA的结构表征、拉伸、压缩、应力松弛、动态力学、生物摩擦学性能、生物相容性等各种性能与天然软骨相关特性相近。
3、结束语与讨论
随着在细胞、分子生物学上的不断研究以及生物工程材料和生物技术的高速发展,组织工程逐渐取代了细胞移植及软骨移植在软骨修复上的作用,更好的解决了细胞移植在细胞来源和细胞去分化上的问题,同时也进一步解决了软骨移植方法中自体软骨来源不足和
异体软骨移植的免疫反应问题,在治疗众多组织缺损、器官功能衰竭等疾病上表现出优越
的发展前景。
对于目前的各种软骨修复材料,仅仅单一的替代材料并不能满足替代损伤关节软骨的
各方面性能,而随着复合材料理论的发展,各种材料的复合已成为一种趋势,其能在力学
性能、生物润湿性能、生物摩擦学性能都能很好的满足要求,成为当前软骨修复材料的主
要研究方向。
【1】CalandruccioRA,GilmerS.ProliferationRegenerationandRepairofArticularCartilageofImmatureAnimals,J,,JBoneJiontSurg(Am),1962,44:
431-435.
【2】ShapiroF,,KoideS,GIimcherMJ.Celloriginanddifferentiationintherepairoffull-thicknessdefectsofarticuIarcartiolage[J].JBoneJointSurgAm.1993,75(4):
532-553.【3】SaadehPB,BrentB,MehraraBJ,etal.Humancartilageengineering:
Chondrocyteextraction,proliferation,andcharacterizationforconstructdevelopment.AnnPlastSurg.1999,42(5):
509-513.
【4】PetersonL,BrittbergM,KivirantaI,etal.Autologouschondrocytetransplantation.Biomechanicsandlong-termdurability.AmJSportsMed,2002,30
(1):
22-12.【5】CaplanAI,ElyaderaniM,MochizukiY,eta1.Principlesofcartilagerepairandregeneration.ClinOrthopRelRes.1997,342:
254-272.
【6】BentleyG,BiantLC,CarrigtonRW,eta1.Aprospective,randomisedcomparisonofautologouschondrocyteimplantationversusmosaicplastyforosteochondraldefectsintheknee.JBoneJointSurgBr.2003,85
(2):
223-230.
【7】SakaguchiY,SekjyaI,YagishjtaK,etal.Comparisonofhumanstemcellsderivedfromvariousmesenchymaltissues:
superioritofsynoviumasacellsource.ArthritisRheum,2005,52(8):
2521-2529.
【8】余方圆,卢世璧,袁枚,黄靖香,赵斌.兔脂肪干细胞的分离培养及定向诱导为软骨细胞的
实验观察[J].中国临床康复,2004,8(11),2042-2043
【9】赵建宁等,关节软骨损伤的修复和重建,中国骨伤杂志[J]2007,20
(1):
729-731
【10】GauiterE,kolkerD.Jakob.TreatmentofcartilagedefectsofthetalusbyautologustoSteochondralgraftsJBoneJointsurg(Br)2002,84
(2):
237_244
【11】Jakobrp,Fmazt,Gautier,etal-Autologousosteochondralgraftingintheknee:
indication,results,andreflections[J],clinorthoprelatRes2002;401
(1):
170-184【12】姜织丰等,组织工程化软骨修复关节缺损的研究现状[J],黑龙江医药科学杂志
2003,26(5):
94-96
【13】路玉峰,自体骨软骨移植治疗膝关节软骨缺损研究现状[J],医学综述,2008;14
(18):
2799-2801
【14】张阳,同种异体骨移植修复关节软骨缺损的研究进展[J],中国骨与关节外科2009
2(4):
332-334
【15】王洪等,同种异体骨软骨移植修复关节软骨缺损研究现状[J],国际骨科学
2006,.27(3):
183-185
【16】GrossAE,shashaN,AubinPP.ClinOrthop,2005;435:
79-87
【17】李丽建等同种异体骨软骨移植免疫排斥反应的研究进展中国美容医学杂志[J]
200817(3):
452-454
【18】林智军,王万明,刘航涛,组织工程化关节软骨的研究进展[J],实用医学杂
志,2007,23(19):
2963
【19】曹峻岭,付强,组织工程化关节软骨构建及应用[J],西安交通大学学报,2008,29
(2)
【20】KramerJ,HegertC,GuamK,Embryonicstemcell-derivedchondrocytesdifferentiationinvitro;activationbyBMP-2andBMP-4[J],MechDev,2000,92
(2);193-205.【21】HsuSH,WhuSW,HsiehSC,etal.ArtifOrgans,2004,28(8):
693-703.【22】ParkGE,PattisonMA,ParkK,etal.Biomaterials,2005,26(16):
3075-3082.【23】WengY,CaoY,SilvaCA,etal.JOralMaxillofacSurg,2001,59
(2):
185-190.【24】李忠,杨柳,关节软骨组织研究进展[J],骨与关节损伤杂志,2004,19(6):
428.
【25】CoohKJ,BlunkT,CourterDL,etal.Bonemorphogeneticproteins-2,and-13modulateinvitrodevelopmentofengineeredCartilage.TissueEng,2002,8:
591.【26】YanRX.Water-solubilityPolymer.Beijing:
ChemistryIndustryPublishingCompany,1998:
42-83[严瑞.水溶性高分子.北京:
化学工业出版社,1998?
42-83]
【27】刘青综述郑裕东等,聚乙烯醇水凝胶及其复合物的研究与在人工软骨替代材
料上的应用[J].生物医学工程学杂志JBiomedEng2003;20(4)?
742,745
【28】、XuFL,LiYB,LiJD,etal.CailiaoGongcheng2005;50(7):
15-18
许凤兰,李玉宝,李吉东,等.纳米羟基磷灰石,聚乙烯醇复合水凝胶的溶胀性[J].材料工
程,2005,50(7):
15-18
【29】KattaJK,MarcolongoMS,LowmanAM,etal.FrictionandwearcharacteristicsofPVA/PVPhydrogelsassyntheticarticularcartilage.IEEE2004;4:
142-143
【30】潘育松,熊党生,陈晓林,聚乙烯醇水凝胶的制备及性能[J],高分子材料科学与工
程,2007,23(6):
228-231
【31】李永,高瑾,刘国权,等.人工髓核材料--聚乙烯醇水凝胶的溶胀性能研究[J].生物
医学工程学杂志,2005,22(5):
995-998
【32】KobayashiM,ToguchidaJ,OkaM.Developmentofanartificialmeniscususingpolyvinylalcohol-hydrogelforearlyreturnto,andcontinuanceof,athleticlifeinsportspersonswithseveremeniscusinjury.II:
animalexperiments.Knee2003;10
(1):
53【33】潘育松,熊党生,聚乙烯醇水凝胶的生物摩擦学研究进展[J]摩擦学学报,2006;
26
(2),187-192
【34】vanderKraanPM,BumaP,vanKuppeveltT,etal.Interactionofchondrocytes,extracellularmatrixandgrowthfactors:
relevanceforarticularcartilagetissueengineering.OsteoarthritisCartilage.2002;10(8):
631-637.
【35】彭超,郭忠鹏,蒋电明等,聚氨酯/纳米羟基磷灰石+聚酰胺66一体化复合支架材料
修复软骨及软骨下骨缺损[J],中国组织工程研究与临床康复,2010,14(16):
2883-2887
【36】郭忠鹏,彭超,蒋电明等,三种生物材料修复兔关节软骨缺损的性能对比[J],中
国组织工程研究与临床康复;2010,14(16):
2870-2874
【37】ZhangL,LiYB,WangXJ,etal(Studiesonporousscaffoldmadeofthenano-HA/PA66composite(JMaterSci.2005,40:
107-110.
【38】孟纯阳,安洪,蒋电明,等.新型纳米骨重建和修复材料羟基磷灰石/聚酰胺体内植入的
生物相容性及安全性[J].中国临床康复,2004,8(29):
6330-6333.【39】潘育松,n-HA/PVA凝胶关节软骨修复材料制备与性能研究[D]
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 人工 软骨 修复 现状 研究进展 学术论文