丁國成 龔熹 孫牧旸 趙逢源 胡曉青 敖英芳

北京大學第三醫(yī)院運動醫(yī)學科，北京大學運動醫(yī)學研究所，運動醫(yī)學關節(jié)傷病北京市重點實驗室（北京100191）

半月板損傷是膝關節(jié)最常見的損傷之一[1]。半月板是膝關節(jié)腔內的重要結構，具有傳導分散載荷、吸收震蕩、匹配股骨與脛骨的接觸面形態(tài)、潤滑關節(jié)、協(xié)助維持膝關節(jié)穩(wěn)定性等重要功能[2]。半月板損傷常發(fā)生在急性膝關節(jié)損傷，也可因交叉韌帶等膝關節(jié)穩(wěn)定結構破環(huán)導致關節(jié)不穩(wěn)而繼發(fā)半月板撕裂或磨損。老年患者也可因關節(jié)退行性改變而使半月板受到變性損傷。常見的臨床癥狀為膝關節(jié)疼痛，可伴關節(jié)腫脹及屈伸活動障礙，嚴重者影響正常生活及體育運動。半月板部分或全部切除術曾是標準的治療方法，但近些年來隨訪發(fā)現(xiàn)由于關節(jié)生物力學結構明顯改變，軟骨應力顯著增大，手術后期常伴發(fā)骨關節(jié)炎[2]。近些年來半月板縫合修補術被運動醫(yī)學手術醫(yī)生廣泛提倡。但半月板縫合術僅適用于特定的撕裂損傷，半月板缺損較大者無法進行縫合治療，且縫合后存在不愈合或再次撕裂的風險。恢復半月板組織形態(tài)可以降低關節(jié)軟骨接觸壓力并有助于恢復膝關節(jié)穩(wěn)定性，以達到半月板與關節(jié)軟骨的良好匹配，從而降低后續(xù)關節(jié)退行性改變風險，這為通過材料移植對難以再生的半月板組織進行修復提供了思路。

目前，已有兩款半月板支架用于臨床[3]：膠原半月板植入物CMI（collagen meniscus implant，Ivy Sports Medicine，Lochhamer，Germany），它來源于Ⅰ型牛半月板膠原基質，因受免疫及潛在傳染病感染的影響目前在部分地區(qū)已停用；另一重要支架是以聚氨酯為基礎的Actifit（Orteq Bioengineering，London，UK）半月板支架（圖1），用于半月板部分缺損的修復。此外，全半月板聚氨酯移植物NUsurface[4，5]正處于臨床試驗階段。本文對近些年來采用聚氨酯材料修復半月板從基礎實驗到人體應用的研究進展做一簡要綜述，為今后聚氨酯材料半月板的應用與研發(fā)提供參考。

圖1 聚氨酯支架

1 膝關節(jié)半月板的材料學現(xiàn)狀

研究者采用不同種類的人工合成聚合物進行半月板缺損移植修復的探索，主要包括聚己內酯（polycaprolactone，PCL）、聚氨酯（polyurethane，PU）、聚乳酸（polylactic acid，PLA）、聚乙醇酸（polyglycolic acid，PGA）等[3，5]，還包括天然高分子材料，如多糖、明膠、膠原以及生物組織來源材料等。其中以天然膠原蛋白為來源的半月板移植物CMI 已應用于臨床，但該款移植物力學性能達不到維持膝關節(jié)正常功能的要求，因此僅適用于半月板外周邊緣仍未受損的病例，手術適應癥較窄。此外CMI 來源于Ⅰ型牛膠原基質，受免疫及潛在傳染病影響目前在部分地區(qū)已停用。力學強度無法良好地模擬天然半月板也是天然來源材料所面臨的共同挑戰(zhàn)[3，8]。在人工合成聚合物中，除聚氨酯外其他材料均處在基礎研究階段。聚氨基甲酸酯（polyurethane，PU）簡稱聚氨酯，是一種人工合成的主鏈上含有重復氨基甲酸酯基團（－NHCOO－）的極性高分子聚合物。聚氨酯材料是較為成熟的生物醫(yī)用材料，由于成型加工性能好，分子設計自由度大而被應用于醫(yī)學領域，目前聚氨酯材料已應用于人體內部組織器官的替代，以心臟血管支架、人造血管植入物、外科固定物等為代表，取得了良好的臨床效果[9]?；诰郯滨ゲ牧狭己玫纳锵嗳菪裕瘜W穩(wěn)定性，優(yōu)異的力學性能和可生物降解，使用多孔可生物降解的聚氨酯材料作為半月板缺損之間的連接移植物，是目前臨床上一種具有良好應用潛力的半月板重建方法。

以聚氨酯為材料基礎的Actifit 半月板支架，是目前正式應用于臨床的人工合成材料半月板植入物，用于半月板部分缺損的修復。該半月板支架具有良好力學性能和孔隙結構，可為細胞粘附增殖提供適合的微環(huán)境。Actifit聚氨酯支架降解周期為3.5～5年，細胞及細胞外基質沉積替代聚氨酯支架的降解缺損部分，但一項術后2年的二次關節(jié)鏡探查報道發(fā)現(xiàn)新生組織與天然半月板組織仍存在差異[10]。Active Implants 公司2010年研制出一種永久型聚碳酸酯型聚氨酯半月板替代物Nusurface?（Active Implants LLC，Memphis，TN，USA）[11]（圖2），此為第一個正在進行臨床試驗的永久型全半月板移植假體。Nusurface?主要材料也是聚氨酯，其設計為盤狀，是一種非錨定式的股骨契合的植入物，可通過微創(chuàng)膝關節(jié)鏡切口在不破壞骨、軟骨和關節(jié)主要結構的情況下植入股骨和脛骨軟骨面之間的內側間室以替代半月板，該類型移植物不具有降解再生作用，具有優(yōu)良的力學性能，是一種永久性半月板替代物[12]。

圖2 Nusurface?永久型全半月板假體大體觀[10]

2 聚氨酯材料修復半月板的基礎研究進展

聚氨酯是一種主鏈上含有重復氨基甲酸酯基團（－NHCOO－）的極性高分子聚合物（圖3）。聚氨酯分子具有軟/硬段交替存在的結構，通過改變軟/硬鏈段結構成分及比例，可以靈活地調控聚氨酯材料性能，制備具有優(yōu)異機械性能和生物相容性的醫(yī)用聚氨酯。脂肪族聚氨酯具有安全可降解的性質，可被巨噬細胞等吞噬降解，細胞及細胞外基質最終填充替代降解的聚氨酯支架。動物實驗表明，通過優(yōu)選的聚氨酯材料支架及支架功能化重建從而恢復半月板結構和功能可以有效促進半月板再生，保護關節(jié)軟骨從而延緩骨關節(jié)炎的發(fā)展，相關基礎研究見表1。

表1 聚氨酯材料修復半月板的基礎研究

圖3 聚氨酯支架簡要合成過程及結構式

Veth 等[13]早在1986年對14 只犬半月板采用含有碳纖維丙交酯與聚氨酯有機聚合物的移植物修復大型楔形損傷，術后4、8 周關節(jié)鏡觀察移植物發(fā)現(xiàn)10 只犬半月板重建區(qū)域完全被新生纖維組織覆蓋，同時發(fā)現(xiàn)透明軟骨修復的跡象。但碳纖維顆粒具有引發(fā)滑膜炎的潛在風險。隨后Klompmaker[14-17]采用脂肪族聚氨酯聚合物支架修復犬半月板無血管區(qū)損傷和半月板置換，發(fā)現(xiàn)纖維軟骨可以長入聚氨酯支架，并就支架孔隙大小對新生組織再生的影響進行了探索。移植物的力學，再生特性與關節(jié)軟骨保護密切相關，Spaans 等[18]采用無溶劑制備微孔聚氨酯酰胺及聚氨酯尿素支架材料修復半月板，驗證了其生物力學和纖維組織長入的能力。Heijkants[19]合成了以聚己內酯為軟段，1，4-丁二異氰酸酯和1，4-丁二醇作為硬段的聚氨酯支架，并將其置入犬體內，結果表明該支架可提供纖維組織長入的多孔微環(huán)境并具有良好的力學性能。

較早使用的芳香族聚氨酯的后期降解可能產生毒性降解物，具有致基因突變、致癌、致畸的潛在風險。Groat[20]等采用環(huán)己二甲醇、聚己內酯二醇和1，4-反式環(huán)己烷二異氰酸酯合成線性脂肪族聚氨酯，將預聚物與甘油交聯(lián)合成脂肪族聚氨酯網狀結構，植入犬關節(jié)內探索材料可行性，取得了良好效果。但仍有學者質疑脂肪族聚氨酯降解產物毒性并未完全消除[21]。Tienen 課題組[22-24]合成了一種碳纖維增強的聚酯型聚氨酯（polyesterurethane，PUPCL）支架并將其置入犬體內，與芳香族聚氨酯比較，發(fā)現(xiàn)該支架表現(xiàn)出更小的免疫反應，同時觀察到軟骨退化仍然明顯存在。目前這些優(yōu)選的聚氨酯支架仍不能完全防止軟骨退化的發(fā)生[25]，今后的研究仍需優(yōu)化聚氨酯支架材料生物相容性，使其化學降解產物對軟骨及免疫的影響降到最低。

近些年來種子細胞、生長因子、支架微觀結構的異質性等重要影響因素逐漸得到研究者們的重視。Achatz[26]將人骨髓間充質干細胞種植于聚氨脂復合支架進行體外培養(yǎng)，結果顯示聚氨酯支架材料孔間連通性滿足細胞分布和細胞存活。Koch[27]將間充質干細胞種植于聚氨酯支架上進行兔體內研究，結果顯示間充質干細胞促進了血管的生長。Vedicherla[28]分別將分離處理后的山羊軟骨細胞和軟骨碎塊種植于聚氨酯支架上進行培養(yǎng)，結果顯示直接添加細胞成分或富含細胞的組織可以提高支架再生能力。Mulder[29]將山羊半月板纖維細胞種植于PU/PCL 微孔支架上并添加轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β），體外培養(yǎng)結果顯示TGF-β可以促進支架上細胞增殖和細胞外基質合成。該團隊的另一項研究還發(fā)現(xiàn)在非承重環(huán)境中，膠原蛋白的形成可以由支架結構引導，新生組織分別向半月板無血管區(qū)和血管區(qū)不同方向分化[30]。Maher 等[31，32]進行尸體力學分析，發(fā)現(xiàn)多孔聚氨酯支架在半月板部分缺損區(qū)力學分布優(yōu)于半月板切除。研究還表明聚氨酯涂層支架移植具有一定的關節(jié)軟骨保護作用[33，34]。以上諸多研究從各影響因素對聚氨酯支架修復半月板進行了探索，未來的研究方向應優(yōu)選出最佳的生物影響因素，并進行多因子聯(lián)合共同促進半月板再生研究。

3 聚氨酯支架臨床應用的研究進展

近些年來研究者們陸續(xù)報道Actifit 聚氨酯支架應用于人體半月板損傷的臨床隨訪研究。Verdonk等[35-37]報道了以Actifit 支架作為部分替代物的半月板缺損患者的系列研究，中短期隨訪1～2年后Actifit 種植體與原位天然半月板組織融合，患者疼痛癥狀緩解，無并發(fā)癥出現(xiàn)，組織病理提示支架中存在有活性的纖維組織。其他一些術后臨床隨訪研究也顯示出相似結果（見表2）。Akkaya[38]在2020年報道采用間充質干細胞關節(jié)腔內注射的方式促進聚氨酯半月板支架修復再生，術后3年隨訪取得良好結果。另一項研究中，Meza等[38]將間充質干細胞種植在聚氨酯支架中應用于人體，術后隨訪12個月結果顯示在保護關節(jié)軟骨方面該方式未顯示出優(yōu)于非細胞支架的優(yōu)勢。

表2 聚氨酯材料修復半月板的臨床研究

Actifit 半月板支架植入后力學擠壓是研究中的關注熱點。Coninck[40]通過影像學對Actifit 移植物支架的徑向移位進行了研究，結果表明支架徑向移位與臨床結果評分均無相關性。Moran[41]對植入后的聚氨酯支架進行詳細病理分析，發(fā)現(xiàn)半月板置換區(qū)細胞密度明顯較高，且細胞形態(tài)存在異向性，這表明聚氨酯支架在受力情況下能夠支持細胞生長并產生分化。Gelber[42]對支架植入后的磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）結果進行分析，在無軟骨損傷的患者中聚氨酯支架在尺寸和形態(tài)方面的MRI 表現(xiàn)更好，該研究結果提示通過優(yōu)化關節(jié)內生物力學，特別是半月板替代物的植入，至少兩年的隨訪觀察到明顯的疼痛緩解和功能改善。最新的兩項中期隨訪研究也表明Actifit 在改善膝關節(jié)功能、提高運動水平、減輕疼痛方面的樂觀結果，但MRI 顯示都存在植入物擠壓擠出的報道[43，44]。聚氨酯類材料摩擦系數(shù)對關節(jié)軟骨也是重要影響因素，Galley等對聚氨酯材料摩擦系數(shù)在置入羊半月板內12 個月的變化進行了研究[43]。通過優(yōu)化支架的形狀、表面特性及內部結構來匹配半月板力學特性使人工合成支架置入后起到軟骨保護作用仍是半月板修復中的研究熱點。

（續(xù)表2）

Shin 等在2018年進行的一項薈萃分析發(fā)現(xiàn)[52]，使用聚氨酯半月板支架的患者功能明顯改善并且疼痛減輕，對于部分半月板缺損患者，聚氨酯半月板支架似乎是一個可行的選擇。但該研究發(fā)現(xiàn)很多患者仍存在軟骨退化和半月板被擠出的情況，軟骨退化可能與關節(jié)力學分布不均、縫合固定技術、支架材料自身等因素直接有關。目前大多數(shù)研究是基于磁共振成像、二次關節(jié)鏡檢查和臨床功能評分，缺少更完善的體內支架和骨關節(jié)炎病理學結果。Actifit 支架相關的臨床研究報道多基于短期隨訪觀察，今后需要深入的中長期隨訪觀察以及安全性和有效性的更有力的長期證據(jù)[53]。此外，存在并發(fā)損傷的半月板修復手術如前交叉韌帶重建和脛骨高位截骨可能對這些評估結果有顯著影響[54]。值得一提的是，Nusurface 作為一種新型完全替代材料，近兩年的臨床實驗也報道了相似的短期隨訪結果[55，56]。這些初步結果表明Nusurface 植入物在膝關節(jié)疼痛、功能評分和生活質量方面比非手術治療有顯著改善，但目前還缺乏手術組之間的對比研究和長期隨訪結果的報道。

4 半月板聚氨酯移植物材料研究展望

理想的聚氨酯支架材料應具有良好的生物相容性和仿生力學特性，支架降解期限內允許新組織的生長，新生組織在生物力學負載的影響下進行半月板軟骨組織重構。近些年來，以l-丙交酯/ecaprolactone 癸內酯為基礎的生物可降解聚酯脲類生物支架是半月板組織工程熱點研究的理想材料[41]。此外，聚氨酯支架的多孔結構也應該能夠促進細胞長入，允許營養(yǎng)物質的自由擴散，并作為成軟骨生長因子的載體。支架材料在具有可降解和多孔結構的基礎上，其生物力學特性應滿足能夠承受關節(jié)的負荷，并在這些負荷條件下保持其結構的完整性。目前臨床隨訪結果表明，盡管很多研究結果已證實采用聚氨酯移植物替代半月板結果優(yōu)于半月板切除，但聚氨酯材料支架并不能完全避免關節(jié)軟骨的退化。主要原因為目前的移植物在力學、再生能力、材料降解方面不能充分整合。

移植物在膝關節(jié)復雜的運動中需要更好地匹配關節(jié)運動環(huán)境，這對移植物的內部力學結構和生物相容性提出了更高要求。近些年來，通過3D打印技術能夠很好地解決半月板微觀結構設計和個體化外觀結構差異，從而減小了力學不匹配導致的關節(jié)內骨贅增生和軟骨破壞。同時這一技術對聚氨酯材料的可打印性提出了更高要求。聚氨酯支架的生物再生能力需要進一步優(yōu)化，其中材料的生物功能化修飾如生長因子、種子細胞、力學刺激等為半月板的組織再生提供了積極因素，今后的研究應明確這些因素發(fā)揮作用的最優(yōu)條件和各影響因素之間的相互關系，并達到材料力學和再生的良好整合[57]。