前十字韧带(ACL)重建术的材料选择

将纤维和纺织材料应用到受损膝关节韧带的修复治疗中已经有30多年了。如今,这个领域中最新的研究工作是利用纤维支架材料在根本上使受损组织重新生长。

前十字韧带(ACL)断裂是膝关节伤害中最普遍的类型,这是因为韧带的主要作用是稳定膝关节(见图1)。据报道称,这种伤害经常发生在外加应力超过韧带最大变形,即约韧带总长度的4%的时候[1]。这些韧带断裂的情况在年轻运动员中是很有代表性的,一般发生在他们进行穿插和阻断的体育运动时,比如篮球,足球和排球。据估计,在美国每年约有200000人受到ACL断裂的伤痛折磨,大概有5亿美元花在了对此的管理费用上[2,3]。

最新的ACL修复技术

合成体移植术

最初的ACL假体是由美国食品药物管理局(FDA)验证通过的,并于上世纪70年代早期推向市场。Vitek公司生产的一种被称为四氟乙烯均聚物的产品是一个加入碳纤维或氧化铝纤维的聚四氟乙烯的装置。第二代装置在上世纪80年代问世。这些装置设计得很坚硬,与人的ACL相比,具有相同甚至在某些情况下更优良的拉伸性能,其组成包括:Leed-Keio(Neoligaments Ltd.)的网格聚酯装置;ABC(Surgicraft公司)设计的聚酯内核(也有碳纤维)外包聚酯编织物的装置[4,5];Gore-Tex(W.L.Gore&Associates)生产的由单纤维线圈构成的网状聚四氟乙烯;Stryker生产的聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚丙烯装置。较晚的还有,Kennedy生产的韧带扩增设备,它是由3M公司设计并生产的,促进组织向内生长的带状聚丙烯装置,目的是保证重建效果的长期性和可行性[4, 5]。

自体移植术

人体ACL的平均长度是32mm,根据基质的构成不同可以划分为4个区域:骨骼、矿化软骨、纤维软骨和韧带[1,6,7]。韧带包含3个主要的神经束(内侧,外侧和中间),其主要功能是在膝盖弯曲的时候起到稳定的作用。人体ACL主要成分是Ⅰ型胶原构成的结缔组织(占90%);剩余的10%由少量的弹性蛋白、Ⅲ型和VI型胶原蛋白组成 [6]。

目前,效果最好的ACL重建手术是被称为自体关节内移植的治疗方法[4]。这个治疗过程是取患者髌腱中间最有代表性的三块肌腱移植粘附在ACL装置上。由于自体移植的内部兼容性,这项技术具有比合成假体移植术良好的稳定型并且能使病人更好地恢复健康。

挑战

一般的重建手术(占90%)都要获得移植体[4]。在ACL的重建过程中,移植过程中5%~30%的供体腱组织死亡是必然的[7]。移植的失败最终导致修复后的膝关节稳定性差并会引起关节炎等疾病。后遗症的产生加上进行二次手术的有限的移植体,这些都激励研究人员努力寻找移植体的替代物。

移植学分析显示,合成移植体手术的失败一般是由以下一个或多个因素引起的:外来物质长期存在引发的慢性炎症反应,移植体的肌纤维震颤或构成移植体的聚合物纤维力学性能的变化[8,9]。针对第一代ACL移植体在最初的两年暴露出来的诸多缺点,第二代装置进行了改进并持续了较长的时间,但是5年以后,大规模的问题还是显现出来[4,5,8,9]。如果一个装置想获得长期的成功,那么未来的技术必须重点关注康复反应,支架设计以及细胞类型的问题。

康复反应

ACL创伤后的康复是由以下三个方面的表现为特征的:炎症,细胞增殖,基质的修复和重塑[10-12]。在某种程度上,这种多重进行的事件使得修复过程变得很复杂。越来越多的血液流向受伤的ACL,促进了细胞的增殖和基质的不断生长,但是这个过程中快速的增长速度又会使得ACL的愈合能力受损。对韧带的伤害会导致其形态上的大量变化,最显著的改变是胶原纤维的排序和密度消失。排列和密度的消失会导致韧带的强度力学性能丧失。另外,原有的Ⅰ型胶原被瘢痕Ⅲ型胶原代替[13]。而再生胶原纤维的长度明显变短了,随着纤维的拉伸强度的降低,交联作用的功能也减弱了(缺乏纤维间的摩擦力)。

除了在医药、材料科学工程和生物工程等领域的跨学科合作之外,对ACL的生物力学和生理特性的更好理解,使合成纤维在作为ACL修复的潜在材料的应用上有了新的方向。这个新方向带来了与众不同的应用策略,即在细胞学指导下基于纤维间相互作用的方法。经过大量的研究,这种方法已经成为可能,并且开始指导高机械性能和吸收性能纤维的生产。理论上讲,这些改进能使纤维组织向内生长,具有更好的生物适应性,并且在某些情况下,还有更好的生物活性。

之前的经验表明,非降解合成移植材料应用失败是慢性炎症反应的结果,其特点是由于对长期存在的移植体中的异物大细胞的排斥反应。这种炎症环境下产生的少量的胶原不能形成有序的或高度交联的结构,因此阻断了正常的韧带强度和功能的恢复。此外,肉芽肿(一种炎症细胞的聚集)反应也会发生,这是由原纤化的聚合物纤维产生的磨损粒子造成的。这三个问题一起导致了装置使用的失败并会引起关节软骨病情的恶化。

支架设计

目前的科学研究聚焦在应用聚合物纤维支架设计韧带的三种方法上:细胞包容,生长因子的使用以及基因治疗。

在设计之初就注意设计一种合理的、可接受的,且在移植手术后可持续最少6到8周的支架是很重要的。同时,还必须对这种支架结构细胞排列的速度、增殖和基质生产等细节予以重视。另外,细胞在移植手术后必须能够至少存活几周,以便合成新的组织来替代受伤的韧带结构和降解支架。

近期所研究的用来做ACL模拟支架的潜在材料有聚L-乳酸(PLLA),聚乙醇酸(PGA),聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)和聚己内酯(PCL),它们具有适合的力学性能且可降解。研究表明PLLA质地很脆且降解得非常快[1]。PCL具有良好的机械性能,但是其降解过程非常缓慢[1]。PGA也被确定具有不适合的机械性能和降解活性。但由PLLA和PGA共聚而得的共聚物PLGA在应用到ACL重建的过程中时,表现出比前面提到的聚合物更适合的各项性能[1,14]。

细胞类型

细胞类型是很重要的,因为ACL重建中移植的细胞必须具有快速增殖、产生大量的适合类型的基质并在后期承受支架降解后的负荷的能力。此外,这些细胞必须易于取得且没有传染性疾病或自体排斥[15]。目前所研究的相关细胞包括:骨髓间充质干细胞(MSCs),ACL成纤细胞,髌腱成纤维细胞和普通人类皮肤成纤细胞。大部分的研究集中在MSCs的应用上。把这种细胞作为考虑对象并对其非常感兴趣是因为它们所具有的多功能性和传输生长因子能力,它们能组成传递系统来运输重建人体组织所必需的生长因子[15]。它们的多功能性使得临床医生能够建立一个细胞库,为随后会用到的任何一种类型的结缔组织服务。直到关于可行性问题的细节都解决的时候,目前的重建手术才可以使用来源于自体(从个人),或异体(从捐助者)的骨髓间质干细胞。以上的两种情况都存在一定的局限性。理想的情况是从患者身上获得这些细胞,然而,接种支架组织要求有大量的细胞,并且多数情况下,从受伤到救治期间的时间不足以培养足够数量的细胞。目前看来,从捐赠者那里获得异体类型的细胞办法是可行的。但是在移植之前必须对异体细胞进行甄选,以此确定接受者对它们的兼容性并搞清楚这些细胞是没有病毒的。

在试管中,韧带成纤维细胞的增殖速度明显比ACL成纤维细胞快,同时显而易见的是韧带和ACL成纤细胞在支架上产生的胶原要比在灭菌盘里的多[15]。在试管中的结果看起来很好,但还需要对细胞在体内的表现做进一步的研究,以便对它们的适应性做一个权威的判定。最终,关于普通人类皮肤成纤维细胞是否可以用来代替韧带成纤维细胞的问题还是没有定论,因为这些细胞类型是否具有合适的迁移率、粘附性、增殖性以及胶原合成功能还是未知的。

在人体组织的愈合过程中,生长因子是最基本的分子之一。为了定义这些分子的功能和行为进行了大量的研究。研究人员通过观察发现,聚合物支架附上生长因子后,细胞的增殖基质的形成都增加了。生长因子在接种了间质干细胞的可降解支架上固定,理论上讲为新韧带的产生提供了环境传导作用。

结论

能够确定的是:不管是“黄金标准”修复方法(自体与关节内重建法)还是FDA通过的合成移植体法都有一定的局限性,移植的主要问题是如何恢复和保留韧带的极限拉伸性能。在大部分情况下,新的韧带或韧带假体和人体原有的韧带一样甚至更加坚固;尽管如此,长期的周期载荷还是会降低植入体的拉伸性能。最终,这种磨损会减少关节软骨量的增加,直到需要进行额外的关节镜手术,有时甚至是全膝关节置换手术。到目前为止,大多数的工程肌腱组织和韧带还没有达到所要求的强度;在临床应用过程中,原骨骼和新生组织之间的异常界面上会有限制作用存在,并且组织的再生速度将非常慢。

选出合适类型的移植细胞,利用细胞和基质的潜在能力来设计最佳的传递基质(支架),且该系统被整合成一种易于在临床中实现的方法,这样一个成功的移植就完成了。目前的研究表明,最适合的设计ACL模拟物的方法是利用可降解聚合物的设计,例如三维结构的PLGA,这种结构可以促进细胞的快速排列、增殖、基质和组织的向内生长。

参考文献:

[1]. Goh, J., et al., Tissue Engineering, Vol. 9, Supplement 1,2003, pp31-35.

[2]Zigang Ge, et al., Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 77A, 2006, p639-652.

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[10]Frank, C., et al., American Journal of Sports Medicine, Vol. 11, 1983, p379-389.

[11] Inoue, M., et al., American Journal of Sports Medicine, Vol. 15, 1987, p15-21.

[12]Woo, S. L., et al., American Journal of Sports Medicine, Vol. 15, 1987, p22-29.

[13] Frank, C., Journal of the American Academy of Orthopaedic Surgeons, Vol. 4,1996, p74-83.

[14]Lu, H. H., et al., Biomaterials, Vol. 26, 2005, p4805-4816.

[15] Butler, D. and H. Awad, Clinical Orthopaedics, Vol. 367S, Supplement, 1999, ppS324-S332.

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