蚕丝带韧带支架材料研究进展

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1、蚕丝带韧带支架材料研究进展作者：秦江辉，王骏飞，史冬泉，蒋青【关键词】韧带1韧带损伤概述关节是一个复杂的力学系统，接受、传递和分散骨与骨之间的载荷。韧带在这个系统中起到韧性连接的作用，维持关节稳定和协调关节运动，是最重要的稳定器。韧带还是各种营养成分的传输媒介和蓄积场所，也是抵抗外界蛋白，包括抗原、病毒和细菌的机械屏障。韧带中的纤维主要是Ⅰ型胶原(90％)以及少量的Ⅲ型胶原，也有网状纤维和弹性纤维。在日常生活中，韧带出现损伤的概率相当高，其后果则是伤后立即导致关节的不稳定以及远期导致其他组织的退化［1］。尤其在骨性关节炎病人中，韧带损伤已经被证实是重要的早期诱

2、因之一［2］。但韧带的自我修复能力很差，损伤后的韧带必须通过手术置换以恢复其功能。2韧带修复材料发展自20世纪80年代起，治疗韧带损伤的置换物主要包括2大类：(1)自体移植物，但自体移植物存在着供区炎症以及移植物萎缩等问题；(2)其后开发的人工韧带，但其在临床应用中存在材料与骨表面磨损以及应力疲劳等问题因而未能取得良好的效果。近年来，组织工程技术的发展显示出其在韧带修复重建中的巨大潜力。运用组织工程的方法，以支架材料为载体，整合分离种子细胞，在体外预先构建有生命的种植体，植入体内以修复组织缺损，替代后重建器官结构维持改善组织器官功能。这种组织工程支架必须利于组

3、织生长、营养物质的供应和新血管的生成，并且在体内被吸收，最终生成新的组织。组织工程韧带支架诱导韧带细胞在其上的生长、增殖和分化，并为细胞提供三维代谢环境和力学支撑，因此对其使用的支架材料有特殊要求：(1)支架材料不仅能够完全降解，并且降解时间要求同韧带恢复的周期相匹配；(2)材料具有同天然韧带相似的力学性能和物理形态；(3)具有良好的生物相容性，材料无细胞毒性、无抗原性，植入体内后降解产物不会引起炎症反应；(4)具有良好的细胞亲和力，促进细胞的生长分化［3］。迄今为止，用于韧带损伤修复研究中的支架材料大致可分为合成可降解材料和天然生物材料两种。合成可降解材料一

4、般细胞亲和力较差，相比天然生物材料，合成材料诱导细胞在其表面的黏附、生长及分化的能力较弱。天然生物材料主要包括胶原和蚕丝两大类。其中胶原的优点包括：(1)来源广泛，容易从活体组织中分离纯化，因此价格相对便宜并且供应稳定；(2)容易被机体吸收并且具有很低的抗原性；(3)优良的机械性能，天然的胶原纤维具有较好的强度和黏弹性［4］。但其缺点也同样突出，因为胶原支架材料主要是从动物组织中获得，而不同种属胶原之间存在着结构和氨基酸序列的差异，因此其免疫原性倍受关注。虽然胶原的临床反应很少，但仍有一些过敏反应被报道［5］，其长期的副作用更不为人知。3蚕丝韧带相比较之下，蚕

5、丝则具备更多的优点。蚕丝主要由丝素和丝胶组成，每根蚕丝由2根平行单丝靠丝胶黏合而成。单丝中间为丝素纤维，外围为丝胶。丝素是一种纤维状蛋白质，主要由甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸组成，难溶于水。丝胶则是一种球状蛋白质，易溶于水。由于具备优良的机械性能，蚕丝很久以前就被用做手术缝合线材料，过去由于丝素提纯方法不足，缝线中的残余丝胶经常导致一些生物相容性问题。近年来，随着丝素提纯方法的进步，丝胶几乎完全去除，制得的丝素抗原反应极小，蚕丝在医学领域得到更广泛应用。3.1降解速度在韧带重建中，许多支架材料降解太快以至于不能维持足够的时间形成新组织。而蚕丝降解速度较低，在体外实验

6、中一年内失去大部分的抗张强度，在体内2年后植入位点已经不产生异体识别，意味着蚕丝的全部降解［6］。另外，丝素在体内被缓慢地吸收，吸收的速率与移植点、机械环境、病体的健康和生理特点、种类及丝素纤维直径有关，并且蚕丝处理过程可能导致蛋白质结构的变化，使丝素的降解速度发生改变［7，8］。3.2机械性能对蚕丝力学特性上进行研究探明了它的强度和弹性系数，与生物体的肌腱有着近似的数值。考虑到传统的脱胶方法对蚕丝结构产生破坏，降低了蚕丝的力学特性，新加坡的学者使用去甲二氢愈创木脂酸(NDGA)作为交联剂将明胶交联在丝素纤维上替代原有的丝胶，使脱胶后的丝素纤维仍然保持与天然蚕

7、丝类似的结构，其力学特性及膨胀性较丝素纤维有明显提高［9］。同时，机体内正常组织细胞功能的发挥与细胞之间的三维空间结构关系是密不可分的，因此设计能够提供细胞生长的三维空间的支架材料是目前组织工程研究领域的重点之一。丝素蛋白溶液能被加工成泡沫、薄膜、纤维和网状结构等多种形式。根据组织工程基质的要求，丝素可以制备成薄膜、纤维或海绵等形状。如果再通过化学修饰的方法在支架上结合所需的各种组织因子，则能够促进组织生长，形成与具体组织的功能要求相匹配的，能够在体内缓慢降解的组织工程材料。目前研究的无论是体外的各种细胞反应容器还是动物实验，种子细胞都经由支架材料表面通过分裂

8、扩增向其内部生长。未经生长因子修饰的三