基于高分子材料的椎间盘组织工程研究重点和热 -中国组织工程研究杂志社投稿

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基于高分子材料的椎间盘组织工程研究重点和热

作者:

关键词:

摘要：

0 引言 Introduction

椎间盘为脊柱中连接相邻椎体的软骨连接结构，起到承载人体上肢和躯干的质量负荷、保持椎体间运动功能的作用。随着年龄增长，椎间盘内成分比例失衡，如含水量下降、胶原含量减少造成椎间盘弹性降低，最终导致椎间盘退行性病变发生[1-2]。椎间盘退行性病变是导致下腰背痛的主要病因，受其影响的人群范围极大，约有80%的人一生中至少有一次受到椎间盘退行性病变的影响[3-4]。目前，临床上针对椎间盘退行性病变的治疗方法大体分为保守治疗和手术治疗两大类，物理治疗、药物治疗、硬膜外类固醇注射等保守治疗方式失效时则需进行手术干预[5-6]。椎体间融合是治疗椎间盘退行性变的经典手术疗法，此术式可以固定不稳定节段而起到有效缓解疼痛的作用。但椎体间融合也存在着诸多弊端，如牺牲椎体间活动度、干扰邻近节段生物力学性质、加速邻近椎间盘退变等问题[7]。因此，目前亟需一种可以同时兼顾缓解疼痛和满足生物力学需求的椎间盘重建策略。

新兴的组织工程学技术为椎间盘退行性变治疗提供了新的思路，即利用生物材料重新构建破坏的椎间盘结构，其中椎间盘外部的纤维环和内部的髓核是需要进行重建的重要结构。在组织工程椎间盘重建研究中，研究者通过构建性能理想的结构支架、辅以合适的刺激因子和种子细胞，最大程度还原了椎间盘的生理结构和力学特征。文章旨在总结现有的用于椎间盘重建的组织工程学技术方法，诸如细胞治疗、生物材料构建等，并为后续椎间盘组织工程构建提供了新的思路[8]。

1 资料和方法 Data and methods

1.1 资料来源检索PubMed、Web of Science、中国知网数据库，英文检索词为“polymer，intervertebral disc，tissue engineering, nucleus pulposus，annulus fibrosus”，中文检索词为“高分子、椎间盘、组织工程、髓核、纤维环”。

1.2 资料筛选

纳入标准：①与椎间盘组织工程相关原创性文章；②与该文主题相关程度高；③涉及高分子材料用于椎间盘组织工程的文章；④具有时效性、权威性的综述文章。

排除标准：①研究目的与该文无关文章；②质量低，证据等级不够的文章；③非时效性文章。

1.3 资料提取文献筛选策略流程见图1。首先根据检索策略初检共得到189篇文献，通过阅读题目和摘要，去除与内容无关文献，初筛获得文献118篇。随后阅读全文，排除证据等级不高的文献，最终得到符合标准的文献共计109篇。

图1｜文献筛选策略流程

2 结果 Results

2.1 椎间盘的成分、结构、生物力学特椎间盘由3种结构构成，分别为外侧的环状纤维软骨结构，称为纤维环；内部的胶状组分称为髓核，以及椎间盘上下端的终板，它们共同维持了椎间盘的结构与力学完整性[9]。进行椎间盘组织工程学构建之前，充分了解椎间盘组成各部分的成分、结构和生物力学特征是必要的。

2.1.1 髓核髓核位于椎间盘中央，是一种高度水化的、富有弹性的凝胶状结构，其质量的80%-90%由水构成。蛋白聚糖为髓核中含量最多的有机物质，约占其干质量的50%，蛋白聚糖形成的凝胶网络中包含着杂乱排列的Ⅱ型胶原纤维(干质量15%-20%)。髓核中的胶原纤维与弹性蛋白纤维联合形成一个松散的网络结构，这种网状结构可以维持弹性记忆功能[10]。软骨样细胞为髓核中含有的主要细胞类型，这些细胞负责合成及分泌胶原蛋白和蛋白聚糖等细胞外基质[11]。在椎间盘退行性病变时，髓核细胞的代谢活性下降并发生坏死，胶原蛋白等基质发生降解，最终导致组织结构破坏[12-13]。髓核保持一种半流体状态，在日常活动中不承受拉伸力，而其能承受纵向压力很大程度上是由于外周纤维环的限制。髓核受压情况与体位紧密关联，站立位时髓核所受压力约为1.5 MPa，卧位时约为0.5 MPa，运动坠落时髓核受压可达到3 MPa[14-15]。据此，进行髓核组织工程构建时也应根据髓核受压情况进行材料的选择。

2.1.2 纤维环纤维环中的基质主要由Ⅰ、Ⅱ型胶原和蛋白多糖构成，胶原纤维有序排列形成的基质网络使其在维持椎间盘自身形态的同时也有着良好的抗压性能。Ⅰ、Ⅱ型胶原含量在纤维环中呈渐变分布，在最外层纤维板中Ⅰ型胶原比例为100%，而最内层纤维板中Ⅱ型胶原比例为100%[16]。同时，胶原纤维总含量也从内向外呈递增分布，这也造成纤维环从内向外硬度逐渐增加。蛋白多糖和透明质酸分布于胶原网络之间构成了细胞外基质结构，并因其高度亲水的性质，在吸水膨胀后能够为椎间盘组织提供良好的支撑性和抗压性能[17]。纤维环由15-25个独立的纤维软骨板层包绕形成[18-19]，各板层间的胶原束交角也不同，其与水平面成角范围在25°-55°不等，呈“之”字型排列，保证了纤维环的拉伸和延展性能，保证了脊柱的旋转和屈伸活动，也可以抵抗内部髓核的横向膨胀，有效限制髓核突出[20]。由于纤维环内组成成分随着位置渐变且具有复杂的纤维排列结构，其力学性质在纤维环的不同位置也表现出明显差异，而从整体上分析纤维环的力学性质在组织工程构建中更有意义。纤维环纵向弹性模量为18-45 MPa，且刚度随着作用力的增加而增加，这可能是由于胶原纤维间的非卷曲结构导致应力增加时胶原纤维重新排布所致[21]。纤维环也是椎间盘中唯一受牵拉的组织，而椎间盘退行性病变与牵拉的作用力大小、次数、程度有直接关系。在循环荷载实验中，纤维环可以在45%最大抗压应力作用时承受超过10 000次的荷载循环[22-23]。

文章来源：《中国组织工程研究》网址: http://www.zgzzgcyj.cn/qikandaodu/2021/0223/1005.html