再生醫學的基礎是研究和發展替代、修補、重建或再生人體不同組織及器官的假設和方法。由于半月板中央部分纖細，而且整個半月板沒有連接，因此傳統療法在恢復半月板結構和功能方面較為困難。醫用水凝膠有望為半月板修復和再生提供一種新的策略。水凝膠具有較強的生物相容性和可調控性，可安全植入體內，有效改變半月板損傷部位細胞微環境和生理變化。近日，來自北京大學的余家闊教授團隊進行了先進水凝膠材料用于半月板修復的相關綜述。成果以“Meniscal fibrocartilage regeneration inspired by meniscal maturational and regenerative process”為題于01月03日發表在《Advanced Functional Materials》上。
本文回顧了不同植入型醫用水凝膠在半月板再生和修復中的應用。首先，簡要介紹了半月板的結構和生理功能。隨后，重點介紹了不同水凝膠在半月板修復中的應用，并討論了構建水凝膠植入體時使用的不同材料。最后，分析了水凝膠用于半月板修復的相關問題和挑戰。
1. 半月板的生理基礎
作為膝關節腔內的天然結構，半月板曾被認為是“腿部肌肉起源的無功能殘余結構”。經過幾十年的深入研究，半月板在膝關節功能中的重要作用逐漸得到證實。除眾所周知的屈伸功能外，由于兩個膝關節的關節面以及脛骨內側和外側平臺結構的不同，膝關節還會發生一定程度的旋轉。脛骨內側平臺呈現輕微的隆起和凹陷；脛骨外側平臺則呈現輕微的凹陷和球形。本文從半月板的解剖、半月板的血液供應、半月板的細胞群、半月板的生理功能和目前治療半月板損傷的相關方法進行了詳細的描述。
圖1 膝關節和半月板解剖及細胞分布
2. 水凝膠作為半月板修復的生物材料
用于骨骼或軟骨再生的生物材料大多由天然或合成有機高分子化合物組成。選擇合適的生物材料對實現半月板修復至關重要。出色的修復材料往往具有生物活性。主要因為結構對材料特性的影響，如表面化學基團可能會影響特定細胞遷移、粘附和分化。功能細胞增殖以及干細胞分化和遷移會在一定程度上影響半月板再生效果。在優先考慮生物安全性的同時，選擇最具生物活性的材料至關重要。水凝膠作為一種能模擬天然半月板組織成分的生物材料，具有強大的化學性質可調、良好生物相容性和可降解性等，是開發仿生半月板的新型材料。水凝膠可分為天然聚合物水凝膠和合成聚合物水凝膠。天然材料具有最佳的生物相容性，易獲得，成本效益高。合成材料具有更高穩定性、更低降解敏感性和更強化學可調性。制備醫用水凝膠的常用材料包括透明質酸、明膠、殼聚糖、絲膠和海藻酸鈉。圖2列出醫用水凝膠常用的材料及其各自優缺點。
圖2 醫用水凝膠常用材料及其各自優缺點
圖3 不同混合水凝膠示意圖
3. 載體水凝膠在半月板修復中的應用
半月板再生過程是一個涉及多種細胞和組織的系統協調性過程。炎癥期主要表現為炎癥細胞清除已經凋亡或壞死的細胞，炎癥期結束后，半月板修復進入組織重塑階段。其中位于血液供應充足的區域損傷修復效果更好。血管不僅參與新陳代謝和營養供應，還傳遞信號分子，促進內源性干細胞向受損部位遷移、增殖和分化。此外，細胞外基質的降解和重新形成過程是相互協調的，促進受損組織原位修復。總之，載體水凝膠具有生物相容性、可降解性、與細胞外基質結構相似、易于改性和吸附物質等特點，是很有前途的半月板再生修復生物材料。
目前半月板再生主要有兩種策略：（1）使用藥物或細胞因子促進損傷半月板組織再生。（2）通過重新植入半月板組織、細胞或相關生物材料來替代和填充受損區域。水凝膠載體可將藥物或細胞因子（包括抗炎藥物和促進生長因子）運送到局部受損部位，有效抑制半月板細胞凋亡，提高半月板細胞活力，誘導干細胞分化和遷移，從而幫助半月板細胞再生。水凝膠材料是負載治療性干細胞或半月板功能細胞的絕佳支架，可通過原位移植實現半月板修復。
圖4 原位移植實現半月板修復
3.1 藥物遞送水凝膠
目前半月板修復的主要治療方法為手術治療，術后需要注射玻璃酸鈉或血小板血漿(PRP)。使用非甾體類抗炎藥（NSAIDs）的非手術治療方案可減輕大多數內側半月板后跟撕裂患者的癥狀，在短期內改善功能。提高藥物在體內的治療效果是一個關鍵問題，口服和靜脈注射等給藥方式往往會導致血液中藥物濃度發生顯著波動，進而影響最終的治療效果。因此，必須找到一種方法來控制血液中的藥物水平，從而優化治療效果。為克服這種波動帶來的副作用，臨床醫生通常會采用多劑量給藥的方法。然而，多劑量給藥成本較高，患者依從性較差，存在一定局限性。此外，半月板位于關節腔內，關節腔內有關節液，可能造成藥物局部稀釋或排泄。
圖5 STS負載PCL-MECM水凝膠混合支架示意圖
3.2 細胞因子遞送水凝膠
細胞因子是低分子量蛋白質，具有多種生物功能，主要由巨噬細胞、T細胞、B細胞和內皮細胞產生和分泌。這些強效分子在細胞免疫、細胞招募、分化和增殖、抗原呈遞、信號轉導以及炎癥調節等方面發揮重要作用。在病理情況下，細胞因子過量或缺乏都可能導致病理過程發展。細胞因子和細胞因子拮抗劑可以糾正這種不平衡，使其成為有效的臨床治療藥物。炎癥、免疫和再招募階段受多種細胞因子調節和影響，如TGF-κ3、腫瘤壞死因子（TNF）和血小板衍生因子（PDGF）等。當務之急是探索有效方法，促進細胞因子與靶細胞膜表面受體結合，然后在細胞內傳遞信號。由于細胞因子的治療窗口較窄且副作用明顯，其臨床應用受到很大限制。因此，研究人員探索使用載體來提高細胞因子療法的耐受性和特異性，使其在靶向疾病部位的同時保護正常組織。
圖6 基于MECM的生物墨水喲用于3D打印半月板支架示意圖
3.3 細胞遞送水凝膠
干細胞療法以干細胞自我更新和分化為基礎，在治療骨、軟骨和血液疾病方面取得重大進展。然而，在半月板治療中，缺損部位的半月板細胞再生能力有限，導致半月板再生研究集中于干細胞療法領域。但移植前后細胞存活能力有限，加上存在缺損部位的時間不足，阻礙組織成功再生。不受控制的多向分化特性也大大增加治療的不確定性和成本。因此，研究人員將生物材料，特別是水凝膠，與干細胞植入相結合，以應對這些困難。包括水凝膠在內的生物材料具有調節干細胞某些生物特性的能力，如遷移和分化，提高干細胞植入和修復的成功率。盡管不同來源的干細胞具有不同優缺點和分化潛力，但尚未就最合適來源達成共識。不過，骨骼系統（如骨髓和肌肉）來源的干細胞顯然具有與半月板更相近的分化效果。
圖7 可注射ECM水凝膠遞送BMSCs促進半月板修復示意圖
4. 機械增強型水凝膠在半月板修復中的應用
具有各種功能的水凝膠在半月板修復中具有較強的應用價值。可以負載藥物或細胞因子促進纖維軟骨生成，并通過重新植入干細胞促進軟骨分化，從而更好滿足生物功能需要。但是水凝膠材料柔軟且機械強度低，因此無法實現強大機械負載和承重功能。目前，提升水凝膠支架機械性能的常用方法是通過摻雜聚合物或納米粒子來制造復合水凝膠。有研究表明，提高前溶液的粘度可增強水凝膠支架的機械性能。新型高強度水凝膠包括雙網絡水凝膠和離子交聯水凝膠等，能滿足膝關節等人體承重結構機械負載需求，并超越普通水凝膠機械特性。擠壓式3D打印技術在生物材料領域應用十分廣泛，具有打印不同粘度生物材料的高驅動壓力和多通道梯度打印能力，擠壓式打印已成為生產堅硬3D打印水凝膠支架最廣泛的方法。
圖8 水凝膠注射后半月板再生情況評估
5. 半月板生理作用及水凝膠支架促進半月板修復步驟總結
半月板損傷是膝關節疾病中常見的運動損傷性疾病，經常發生于青少年人群。突然的加速運動和方向變化會導致急性半月板撕裂。籃球、足球和排球等球類運動需要反復跳躍、急停和速度變化，這些都是造成此類損傷的常見原因。因此，保持半月板結構和功能的完整性對運動員和普通人都至關重要。半月板是位于股骨髁和脛骨平臺之間的纖維軟骨。半月板的功能包括充當墊片、提供穩定性、負重、吸收沖擊
潤滑膝關節。由于人類是直立動物，因此在站立、行走、跑步或跳躍等活動中，膝關節往往承受很大的負荷。在負重期間半月板充當墊片作用，通過避免股骨髁和脛骨平臺之間直接接觸，減輕對脛骨平臺頂部的壓力。有助于保護膝關節免受損傷。
圖9 先進水凝膠促進半月板修復步驟示意圖
6. 水凝膠支架應用于半月板修復的挑戰與展望
半月板在下肢機械傳導中起至關重要的作用，半月板撕裂或損傷會嚴重影響運動功能并加重骨關節炎形成。最近，用于半月板修復的水凝膠材料取得重大進展。隨著對半月板結構和功能理解的加深，以及三維打印等制備方法和水凝膠等新型功能材料的進步，半月板缺損的再生修復進入組織工程新階段。目前，3D打印技術可實現半月板各向異性。同時，具有優異機械特性的高強度超分子聚合物水凝膠可以保護軟骨不被降解，改善骨關節炎。一系列先進材料的應用為臨床醫生提供更多選擇。半月板修復技術正從傳統修復切除轉向組織工程重建。新型復合水凝膠為半月板修復帶來巨大變革，但是目前仍然存在一些局限性，需要重點關注。
文章來源：https://doi.org/10.1002/adfm.202312276
