用于構(gòu)建完整組織工程椎間盤支架材料的研究進展*

楊飛 綜述　　肖東琴　陳竹　馮剛 審校

(1.西南醫(yī)科大學(xué)，四川 瀘州 646000；2.川北醫(yī)學(xué)院第二臨床醫(yī)學(xué)院組織工程與干細胞研究所·南充市中心醫(yī)院，四川 南充 637000)

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·綜述·

用于構(gòu)建完整組織工程椎間盤支架材料的研究進展*

楊飛1,2綜述肖東琴2陳竹2馮剛1,2審校

(1.西南醫(yī)科大學(xué)，四川 瀘州 646000；2.川北醫(yī)學(xué)院第二臨床醫(yī)學(xué)院組織工程與干細胞研究所·南充市中心醫(yī)院，四川 南充 637000)

椎間盤退行性變是臨床上常見的一類高發(fā)病率疾病，是引起下腰痛的主要原因。目前臨床上主要治療手段為保守治療和外科手術(shù)治療，但都只能緩解疼痛，難以從根本上解決椎間盤退行病變所造成的結(jié)構(gòu)和功能缺失。隨著組織工程技術(shù)的發(fā)展，為模擬天然椎間盤結(jié)構(gòu)和功能而構(gòu)建的完整組織工程椎間盤為廣大患者帶來新的希望。支架材料作為組織工程椎間盤構(gòu)建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是目前研究的熱點和難點。本文就構(gòu)建纖維環(huán)、髓核、軟骨終板和完整組織工程椎間盤4個方面支架材料的研究現(xiàn)狀做一簡要綜述,并提出構(gòu)建完整組織工程椎間盤支架材料中存在的問題。

椎間盤；組織工程；支架材料

椎間盤退行性變疾病是臨床中一類常見多發(fā)病，是引起下腰痛、脊柱不穩(wěn)、雙下肢失能等臨床癥狀的主要病因。引起椎間盤退行性變的病因和發(fā)病機制至今還不明確，普遍認為年齡、環(huán)境和基因等因素在椎間盤退變過程中起重要作用[1]。目前臨床上傳統(tǒng)的治療手段主要為保守治療和外科手術(shù)治療，但均只能緩解臨床癥狀，并不能逆轉(zhuǎn)已經(jīng)發(fā)生退行性變的椎間盤組織的結(jié)構(gòu)和功能，且只在椎間盤退行性變的早期有效[2]。在臨床實踐中，椎間盤退行性變患者多處于椎間盤退變的中晚期，需進行完整組織工程椎間盤移植替代[3]。鑒于此，近年來利用組織工程技術(shù)構(gòu)建具有生物學(xué)結(jié)構(gòu)和功能的組織來替代發(fā)生退行性變椎間盤的相關(guān)研究受到廣泛關(guān)注并取得了重要進展。組織工程椎間盤的研究目前主要集中在構(gòu)建髓核、纖維環(huán)和軟骨終板三方面。髓核位于椎間盤中央，含水量極高，在椎體間起軸承作用，保持各方面應(yīng)力平衡；纖維環(huán)圍繞髓核呈分層排列，構(gòu)成椎間盤外圍部分，起著抵抗張力，保持髓核形態(tài)及水分，維持椎間盤強度及脊柱穩(wěn)定性的作用；軟骨終板位于相鄰椎體上下兩面和椎體骺環(huán)內(nèi)，作為椎間盤與椎體間液體和營養(yǎng)交換的通道，與纖維環(huán)一起將髓核密封起來，具有緩沖、吸收震蕩和保護椎體的作用。因此，模擬天然椎間盤的組織結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能，開發(fā)性能良好、促進細胞與組織生長的仿生組織工程支架材料是組織工程椎間盤研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文就完整組織工程椎間盤支架材料構(gòu)建的研究進展進行綜述。

1　纖維環(huán)組織工程支架材料的研究

纖維環(huán)主要成分為Ⅰ型膠原和類軟骨細胞，位于髓核周圍，由薄片狀的纖維板呈同心圓排列而成[4]，分為外纖維環(huán)和內(nèi)纖維環(huán)，在椎間盤承載扭轉(zhuǎn)和彎曲負荷中起重要作用[5,6]。當纖維環(huán)被撕裂或刺破時，凝膠狀的髓核將從裂口突出，壓迫相應(yīng)的神經(jīng)根和脊髓而產(chǎn)生臨床癥狀。因此，以往大部分的組織工程椎間盤研究主要集中在如何構(gòu)建有效維護凝膠狀髓核的纖維環(huán)材料方面。

理想的纖維環(huán)支架材料不僅應(yīng)有良好的機械性能，還要能為纖維環(huán)細胞黏附、生長提供適宜的環(huán)境[7]。目前用于組織工程纖維環(huán)構(gòu)建的支架材料種類繁多，天然材料如脫礦脫細胞骨基質(zhì)、蠶絲、藻酸鹽，人工合成材料如聚氨酯、聚乳酸、聚羥基乙酸，及復(fù)合材料如聚乳酸/透明質(zhì)酸 、聚己內(nèi)酯/殼聚糖等。本文按支架結(jié)構(gòu)特征將其分為兩類：單一構(gòu)相支架和模擬纖維環(huán)內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)的雙相支架。

1.1單一構(gòu)相纖維環(huán)支架根據(jù)纖維排列方式，單一構(gòu)相支架又可分為有取向支架和無取向支架。 無取向支架：研究較多的無取向支架生物材料包括去端肽膠原、糖胺聚糖、海藻酸鈉/殼聚糖、聚辛二醇蘋果酸酯等。Sato等運用去端肽膠原構(gòu)建ACHMS支架，纖維環(huán)細胞在支架上粘附良好，分泌大量I型膠原及蛋白聚糖；將其移植到兔椎間盤內(nèi)，能有效阻止椎間隙的變窄[8]。ACHMS支架雖具有良好的三維結(jié)構(gòu)和組織相容性，但其力學(xué)性能會隨材料的降解急劇降低，且細胞在支架上生長速度較慢，從而限制了該類材料支架的應(yīng)用。Wan等利用辛二醇與蘋果酸合成的POM支架具有良好抗壓及拉伸強度，與纖維環(huán)細胞復(fù)合，移植到小鼠皮下，未發(fā)現(xiàn)明顯的炎癥反應(yīng)，且產(chǎn)生大量細胞外基質(zhì)[9]。這類無取向支架能為種子細胞提供良好的生長微環(huán)境和促進細胞外基質(zhì)表達，但其材料內(nèi)部纖維排列無取向性，與天然椎間盤纖維環(huán)相比，其力學(xué)性能、生物特性等方面還存在較大差異，繼而阻礙了此類支架的發(fā)展。

有取向支架：高度有序的纖維排列結(jié)構(gòu)是椎間盤承受拉伸或剪切應(yīng)力的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。因此，環(huán)形纖維薄片中的纖維排列是組織工程纖維環(huán)支架構(gòu)建中的重要影響因素。研究者們嘗試了運用靜電紡絲纖維、蠶絲, 小腸粘膜下層，以及其他天然纖維材料來模擬自然纖維環(huán)中呈同心圓狀排列的纖維板層[10-17]。Wismer等運用靜電紡絲技術(shù)分別構(gòu)建有方向性和無方向性聚氨酯(PU)靜電紡絲支架，并比較其力學(xué)性能、細胞相容性及細胞在支架上基因表達水平等方面的差異[18]。結(jié)果表明，有方向性靜電紡絲支架的力學(xué)性能與天然纖維環(huán)相近，且能增強細胞粘附、維持細胞表型及促進膠原、蛋白多糖等細胞外基質(zhì)的沉積，有望成為理想的組織工程纖維環(huán)支架。但其降解速率無法控制、孔隙率較低。Bhattachar等運用蠶絲構(gòu)建了板層狀纖維支架，與普通多孔蠶絲支架相比，板層狀支架上細胞的糖胺聚糖表達增強，且壓縮和拉伸等力學(xué)性能明顯優(yōu)于普通多孔蠶絲支架[13]。在此基礎(chǔ)上，See等在板層狀蠶絲支架上接種骨髓間充質(zhì)干細胞，并予以軸向壓縮刺激，發(fā)現(xiàn)干細胞在支架上生長良好，且其纖維環(huán)細胞表型相關(guān)基因表達顯著增強，據(jù)此表明有取向性支架是構(gòu)建組織工程纖維環(huán)的理想選擇[14]。

1.2雙相纖維環(huán)支架纖維環(huán)的外環(huán)主要由Ⅰ型膠原構(gòu)成，而內(nèi)環(huán)富含Ⅱ型膠原。隨著對椎間盤纖維環(huán)認識的深入，纖維環(huán)這種雙相結(jié)構(gòu)特征為研究者們提供了運用不同材料來構(gòu)建雙相纖維環(huán)的思路。一方面，能克服單相支架材料的不足(如成分單一、機械性能差及生物學(xué)功能有限等問題)；另一方面，通過模擬正常纖維環(huán)這種內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)所構(gòu)建的雙相支架，其生物學(xué)性能更加接近正常纖維環(huán)，同時為種子細胞提供與天然纖維環(huán)相似的微環(huán)境。Wan等以骨基質(zhì)明膠(BMG)為外纖維環(huán)，聚己內(nèi)酸三醇/蘋果酸酯共聚物(PPCLM)繞成同心圓狀作為內(nèi)纖維環(huán)，模仿正常纖維環(huán)構(gòu)建的BMG/PPCLM雙相纖維環(huán)支架[19]。力學(xué)性能測試表明，雙相支架具有良好的抗壓縮性能，且拉伸應(yīng)力是單純PPCLM支架的50倍，其力學(xué)性能與兔纖維環(huán)檢測指標相近。將復(fù)合兔軟骨細胞的PPCLM/DBM雙相支架移植到裸鼠背部皮下，未見明顯排異反應(yīng)，且軟骨細胞在支架表面和內(nèi)部分布均勻，并分泌大量糖胺聚糖、膠原蛋白等細胞外基質(zhì)。不足之處在于降解速率以及細胞生長微環(huán)境等方面與正常纖維環(huán)相比仍有所欠缺。

聚對苯二甲酸-共-丁二酸丁二醇酯(PBST)是一種生物相容性良好、伸縮性強且降解速率低的高分子材料。其降解需在特定的生物酶及適宜溫度條件下發(fā)生，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如可吸收線、創(chuàng)口敷料等[20]。本課題組以BMG為外纖維環(huán)，PBST靜電紡絲薄膜盤繞6～10圈，形成內(nèi)纖維環(huán)，進而組裝形成同心圓柱纖維環(huán)，復(fù)合兔纖維環(huán)細胞，構(gòu)建新型BMG/PBST雙相組織工程纖維環(huán)[21]。力學(xué)性能及生物學(xué)實驗表明，PBST力學(xué)性能更為優(yōu)良，其壓縮強度(245Mpa)遠大于PPCLM(0.21 Mpa)。BMG/PBST雙相支架不僅具有良好的力學(xué)性能和生物相容性，且能較長時間穩(wěn)定維持相關(guān)性能。雙相纖維環(huán)模擬纖維環(huán)組織結(jié)構(gòu)和細胞分布特點，不僅在生物特性和力學(xué)性能方面更接近正常纖維環(huán)，并且為構(gòu)建完整組織工程椎間盤奠定了實驗基礎(chǔ)和理論依據(jù)。目前針對纖維內(nèi)環(huán)的研究日趨成熟，但針對纖維外環(huán)的構(gòu)建仍存在諸多問題，尤其是選擇何種材料，既滿足纖維環(huán)的韌性，又具有合適的剛度，同時兼具良好生物相容性，這有待于醫(yī)學(xué)與材料學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域工作者的協(xié)力合作。

2　髓核組織工程支架材料的研究

處于椎間盤中心部位的髓核由疏松的纖維軟骨和膠原構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，呈膠凍狀。占椎間盤橫斷面積的50%～60%，含有較多水分，起著調(diào)節(jié)椎間盤壓力、維持椎間盤彈性和緩沖外力的作用。鑒于髓核在整個椎間盤生理結(jié)構(gòu)和功能方面的特殊作用以及在椎間盤退行性變中的先導(dǎo)地位，構(gòu)建具有生物學(xué)功能的組織工程髓核成為構(gòu)建完整組織工程椎間盤的中心環(huán)節(jié)。因此，以往椎間盤組織工程的研究中大部分集中于組織工程髓核的構(gòu)建[22]。為了能真實模擬髓核的組織構(gòu)成，高分子材料常被用于髓核組織工程的構(gòu)建。

天然高分子材料具有良好的生物相容性，能為細胞黏附、增殖及表現(xiàn)穩(wěn)定提供良好的微環(huán)境。一方面，研究者們用膠原、藻酸鹽(Alginate)、殼聚糖等制成可注射性凝膠，體外包裹種子細胞，通過注射的方式將生物材料和種子細胞移植到椎間盤髓核部位，減少因移植手術(shù)給椎間盤纖維環(huán)帶來的手術(shù)創(chuàng)傷[23-25]。這些天然高分子材料形成的支架雖然可以較好地為種子細胞生長和基質(zhì)蛋白分泌提供條件，但這些材料多為液態(tài)，且它們本身難以維持結(jié)構(gòu)的完整性，在體外很難構(gòu)建類似生理形狀的組織工程髓核。因此，這類凝膠材料主要用于椎間盤退行性變早期注射治療，而很少用于體外構(gòu)建具有生理形狀和結(jié)構(gòu)的組織工程髓核；另一方面，為了克服天然材料不能維持自身結(jié)構(gòu)完整性、難以體外塑性等缺點，Chen等在可溶性殼聚糖基礎(chǔ)上，利用1,6己二異氰酸酯(HDI)與小分子量聚乙二醇(PEG)形成的交聯(lián)劑與殼聚糖反應(yīng)，構(gòu)建新型殼聚糖水凝膠[27]。該水凝膠為半透明狀，具有類似髓核生理狀態(tài)的高親水性，且可根據(jù)不同組織形態(tài)塑形。Yuan等進一步研究表明，這種新型水凝膠力學(xué)性能、孔隙結(jié)構(gòu)等與正常髓核接近。接種間充質(zhì)干細胞后移植到兔椎間盤內(nèi)，細胞增殖良好且細胞外基質(zhì)蛋白表達正常，能有效阻止退變椎間盤高度變化[28]。這種新型殼聚糖水凝膠具有與髓核相似的結(jié)構(gòu)和功能特征，極有望成為組織工程化髓核的理想選擇。

此外，Gupta等用羥甲基纖維素水凝膠構(gòu)建CMC髓核支架，并通過比較不同聚合物濃度(1.5, 2.5 and 3.5% w/v)之間的不同，結(jié)果顯示：該類材料容易在體外塑型，三種不同聚合物濃度CMC髓核支架都能為骨髓間充質(zhì)干細胞提供良好的生長環(huán)境，但低聚合物濃度的CMC水凝膠更有利于骨髓干細胞的增殖和分化為髓核樣細胞，并表達相應(yīng)的細胞外基質(zhì)[29]。Richardson等采用人工合成多聚左旋乳酸(PLLA)構(gòu)建髓核支架，結(jié)果表明：PLLA髓核支架三維結(jié)構(gòu)與正常髓核相似，可根據(jù)不同需要體外塑性，且無明顯細胞毒性，但存在材料親水性差、細胞外基質(zhì)表達水平低下等問題[30]。人工合成高分子材料相比于天然高分子材料雖然機械性能更好，但它們都難以為種子細胞提供生理狀態(tài)的高親水性環(huán)境，勢必會影響細胞外基質(zhì)蛋白的合成，進而不利于髓核的修復(fù)。

3　軟骨終板

軟骨終板由軟骨細胞和細胞外基質(zhì)組成，是鄰近椎體的一層透明軟骨。其生物化學(xué)成分改變與椎問盤退行性變有密切關(guān)系。其中，蛋白多糖分子是控制可溶性物質(zhì)通過椎間盤的關(guān)鍵，軟骨終板的鈣化、硬化、細胞凋亡等都可引起蛋白多糖分子的減少，從而引起葡萄糖、氧和氨基酸等進入椎間盤的滲透性降低，最終導(dǎo)致椎間盤退行性變發(fā)生[31]。隨著對椎間盤退行性變認識的加深，軟骨終板在椎間盤退行性變發(fā)生和發(fā)展中的決定性作用逐漸被揭示，但遺憾的是，以往的組織工程椎間盤研究中，人們將目光主要集中在纖維環(huán)和髓核的構(gòu)建與修復(fù)方面，對軟骨終板的研究報道甚少。

針對軟骨終板組織的特殊生理結(jié)構(gòu)，理想的軟骨終板支架應(yīng)較薄，同時具有滲透膜特性的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為了滿足軟骨終板這種特殊結(jié)構(gòu)，目前主要采用靜電紡絲技術(shù)方法構(gòu)建軟骨組織工程支架。較為常見的包括殼聚糖、膠原、羥基磷灰石以及聚乳酸和聚乳酸-羥基乙醇酸共聚物等[32-34]。

Yang等以透明質(zhì)酸(HA)、硫酸軟骨素(CS)和II 型膠原(Col II)等天然細胞外基質(zhì)成分為原料，利用靜電紡絲制備仿生軟骨終板組織工程三元復(fù)合支架(CCH)[35]。經(jīng)測試，CCH支架呈高孔隙率的三維建構(gòu)，具有良好的滲透性和生物相容性，與組織工程纖維環(huán)和髓核復(fù)合，有望構(gòu)建出與正常椎間盤相似的完整組織工程椎間盤。

靜電紡絲技術(shù)是目前構(gòu)建軟骨終板的主要方法，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，靜電紡絲制備的軟骨終板支架具有以下優(yōu)點：①納米級直徑的電紡纖維可以從形貌上模擬天然細胞外基質(zhì)膠原纖維[36]；② 靜電紡絲制備的高孔隙率三維支架從微觀上更好的模擬了軟骨終板特有的滲透膜特性，有利于細胞的粘附增殖，且材料孔隙率可調(diào)[37]，易加工鑄型[38]。隨著組織工程技術(shù)的進步，性能優(yōu)良的組織工程軟骨終板將不斷問世，從而為完整組織工程椎間盤置換成為現(xiàn)實奠定了基礎(chǔ)。鑒于軟骨終板在椎間盤退行性變研究中所起的重要作用，我們期望生物醫(yī)學(xué)、材料學(xué)等眾多領(lǐng)域的研究工作者能夠投入組織工程軟骨終板的研究中。

4　完整組織工程椎間盤構(gòu)建

鑒于臨床上椎間盤退行性變患者多數(shù)已進入退變晚期，通過纖維環(huán)修復(fù)或髓核置換的方法都無法恢復(fù)其生物力學(xué)功能，最佳治療方法是采用完整組織工程椎間盤，即具有完整髓核、纖維環(huán)和軟骨終板結(jié)構(gòu)的組織工程椎間盤，置換退變的椎間盤[3]。因此，如何構(gòu)建形態(tài)、力學(xué)特性及生物學(xué)性能與正常椎間盤相似的完整組織工程椎間盤成為廣大學(xué)者研究的熱點。隨著對組織工程纖維環(huán)、髓核及軟骨終板認識與研究的深入，越來越多研究者嘗試構(gòu)建完整組織工程椎間盤用于修復(fù)退變椎間盤，并在動物實驗中取得了一定的成果。

Nesti等以接種了人間充質(zhì)干細胞的透明質(zhì)酸水凝膠作為髓核，聚乳酸納米纖維支架為外圍纖維環(huán)，模仿正常椎間盤結(jié)構(gòu)構(gòu)建組織工程椎間盤[39]。結(jié)果表明，間充質(zhì)干細胞表現(xiàn)出軟骨細胞表型，髓核與纖維環(huán)支架逐漸融合，具有良好的生物相容性。但其力學(xué)性能與正常椎間盤相比有較大差異，承受扭轉(zhuǎn)壓力的能力較差。Mizuno等以聚乙醇酸(PGA)為纖維環(huán)，海藻酸鹽水凝膠為髓核支架材料，分別接種纖維環(huán)細胞和髓核細胞，構(gòu)建新型組織工程椎間盤[25]。體外實驗發(fā)現(xiàn)細胞在支架材料上增殖良好，且纖維環(huán)與髓核逐漸整合為一體。將其移植到無胸腺鼠皮下，最終移植物形態(tài)與正常椎間盤相似，且細胞外基質(zhì)成分及機械性能都與天然椎間盤接近。但其在正常椎間盤相應(yīng)的壓力作用下，是否較長時間保持其相關(guān)性能，有待進一步考察。類似研究，Lazebnik等利用聚己酸內(nèi)酯構(gòu)建環(huán)形的纖維支架，瓊脂糖水凝膠為髓核支架，并復(fù)合豬軟骨細胞，在體外裝配復(fù)合椎間盤[40]。發(fā)現(xiàn)軟骨細胞均勻分布在纖維環(huán)與髓核交界處，與單純材料復(fù)合支架相比，接種細胞后復(fù)合支架的機械性能明顯增強。將其移植到無胸腺鼠的尾椎上，6個月后，組織工程椎間盤仍能維持正常結(jié)構(gòu)，且椎間盤高度、纖維蛋白與蛋白聚糖的表達水平、力學(xué)性能等都與正常椎間盤十分接近。雖然以目前的科學(xué)技術(shù)，將完整組織工程椎間盤用于臨床患者仍面臨許多困難，但以上研究足以證明，至少在小型動物模型中，完整組織工程椎間盤構(gòu)建與置換是可行的。

5　小結(jié)與展望

完整組織工程椎間盤的構(gòu)建尚處于初步研究階段，為椎間盤退行性變的治療提供了新的思路。隨著組織工程技術(shù)的進步，構(gòu)建結(jié)構(gòu)和功能與天然椎間盤組織相似的組織工程椎間盤將成為可能。但組織工程椎間盤要應(yīng)用于臨床仍面臨很多挑戰(zhàn)：①在組織工程椎間盤的構(gòu)建中還存在諸多方案，且各有利弊，其中以支架材料的構(gòu)建差異最為突出[41]。此外，雖支架種類繁多，尚缺乏真正意義上的仿生學(xué)組織工程支架材料。早期的椎間盤組織工程支架材料研究主要集中在大致形態(tài)結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、毒副作用等方面，而缺乏對支架孔隙結(jié)構(gòu)、表面特性是否有利于種子細胞黏附、增殖、信號傳遞及細胞外基質(zhì)穩(wěn)定表達的研究，即構(gòu)建真正意義上的仿生支架。②以往關(guān)于軟骨的報道不少，但關(guān)于組織工程椎間盤軟骨終板的研究仍較匱乏，軟骨終板在椎間盤退行性變中的作用機制及組織工程軟骨終板的構(gòu)建將是未來需要攻克的難題。③既往的研究大部分都局限于髓核或纖維環(huán)組織工程的構(gòu)建，但是單獨的部位移植具有明顯的局限性。因為臨床患者大多已經(jīng)處于椎間盤退行性變晚期，而此時需要植入的是具有完整生物學(xué)功能的仿生學(xué)組織工程椎間盤。因此，如何構(gòu)建完整的仿生學(xué)組織工程椎間盤將是未來研究的重點。此外，纖維環(huán)、髓核和軟骨終板在體外組裝后，如何使其融合成為完整的有機體，這也是未來研究的難點。但隨著支架材料構(gòu)建，種子細胞獲取以及細胞培養(yǎng)、基因修飾與體內(nèi)移植技術(shù)的日趨進步，完整組織工程椎間盤置換極有希望成為現(xiàn)實。

[1]Peng BG. Pathophysiology, diagnosis, and treatment of discogenic low back pain[J]. World J Orthop, 2013,4(2): 42-52.

[2]Huang RC, Sandhu HS. The current status of lumbar total disc replacement[J]. Orthop Clin North Am,2004,35(1):33-42.

[3]馮剛. 椎間盤組織工程研究的挑戰(zhàn)與對策[J]. 西部醫(yī)學(xué),2010,22(8): 1377-1379.

[4]Blanquer SB, Grijpma DW,Poot AA. Delivery systems for the treatment of degenerated intervertebral discs[J]. Adv Drug Deliv Rev,2014,3(12):48-55.

[5]Gantenbein B, Illien-Junger S, Chan SC,etal.Organ culture bioreactors - platforms to study human intervertebral disc degeneration and regenerative therapy[J].Curr Stem Cell Res Ther,2015,3(13):1574-1582.

[6]Wu XL, Wu LJ, Zheng RM,etal. Biomechanical characteristics analysis on discs with coflex fixation on the different segments of lower lumbar spine[J]. Zhongguo Gu Shang, 2014,27(11):938-942.

[7]Kular JK, Basu S,Sharma RI. The extracellular matrix: structure, composition, age-related differences, tools for analysis and applications for tissue engineering[J].Tissue Eng,2014,45(5):112-122.

[8]Sato M, Kikuchi M, Ishihara M,etal.Tissue engineering of the intervertebral disc with cultured annulus fibrosus cells using atelocollagen honeycomb-shaped scaffold with a membrane seal (ACHMS scaffold)[J]. Med Biol Eng Comput,2003, 41:365-371.

[9]Wan Y, Feng G, Shen FH,etal. Novel biodegradable poly(1,8-octanediol malate) for annulus fibrosus regeneration[J]. Macromol Biosci，2007,7:1217-1224.

[10] Nerurkar NL, Mauck RL, Elliott DM: ISSLS prize winner:integrating theoretical and experimental methods for functional tissue engineering of the annulus fibrosus[J]. Spine，2008,33(December):2691-2701.

[11] Nerurkar NL, Baker BM,etal.Nanofibrous biologic laminates replicate the form and function of the annulus fibrosus[J]. Nat Mater, 2009,8(December):986-992.

[12] Chang G, Kim HJ, Vunjak-Novakovic G,etal.Enhancing annulus fibrosus tissue formation in porous silk scaffolds[J]. J Biomed Mater Res A, 2010, 92(January):43-51.

[13] Bhattacharjee M, Miot S, Gorecka A,etal.Oriented lamellar silk fibrous scaffolds to drive cartilage matrix orientation: towards annulus fibrosus tissue engineering[J]. Acta Biomater,2012,8(September): 3313-3325.

[14] See EY-S, Toh SL, Goh JC-H: Effects of radial compression on a novel simulated intervertebral disc-like assembly using bone marrow-derived mesenchymal stem cell cell-sheets for annulus fibrosus regeneration[J]. Spine，2011,36(October):1744-1751.

[15] Le Visage C, Yang S-H, Kadakia L,etal. Small intestinal submucosa as a potential bioscaffold for intervertebral disc regeneration[J]. Spine, 2006,31(October):2423-2430.

[16] Sato M, Asazuma T, Ishihara M,etal.An experimental study of the regeneration of the intervertebral disc with an allograft of cultured annulus fibrosus cells using a tissue-engineering method[J]. Spine, 2003,28(March):548-553.

[17] Pan Y, Chu T, Dong S,etal. Cells scaffold complex for intervertebral disc anulus fibrosus tissue engineering: in vitro culture and product analysis. Mol Biol Rep,2012, 39(September):8581-8594.

[18] Wismer N, Grad S, Fortunato G,etal.Biodegradable electrospun scaffolds for annulus fibrosus tissue engineering: Effect of scaffold structure and composition on annulus fibrosus cells in vitro[J]. Tissue Eng Part A. 2014, 20(3):672-682.

[19] Wan Y, Feng G, Shen FH,etal. Biphasic scaffold for annulus fibrosus tissue regeneration[J]. Biomaterials,2008,29(6):643-652.

[20] Tsai PH, Wang CH, Kan LS,etal. Studies on the optimal conditions for synthesizing poly(butylene succinate-co-terephthalate) copolyesters with targeted properties[J]. Asia-Pacific Journal Of Chemical Engineering, 2012, 7(1): 88-94.

[21] 袁德超,陳竹,向小聰,等. BMG/PBST雙相組織工程纖維環(huán)的體外構(gòu)建[J]. 中華骨科雜志,2016,36(1):35-42.

[22] Sebastine IM, Williams DJ. Current developments in tissue engineering of nucleus pulposus for the treatment of intervertebral disc degeneration[J]. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc, 2007, 2007:6401-06.

[23] Neidlinger-Wilke C, Würtz K, Liedert A,etal. A three-dimensional collagen matrix as a suitable culture system for the comparison of cyclic strain and hydrostatic pressure effects on intervertebral disc cells[J]. J Neurosurg Spine, 2005, 2(4):457-465.

[24] Halloran DO, Grad S, Stoddart M,etal. An injectable cross-linked scaffold for nucleus pulposus regeneration[J]. Biomaterials,2008, 29(4):438-447.

[25] Mizuno H, Roy AK, Zaporojan V,etal. Biomechanical and biochemical characterization of composite tissue-engineered intervertebral discs[J]. Biomaterials,2006, 27(3):362-370.

[26] Roughley P, Hoemann C, DesRosiers E,etal. The potential of chitosan-based gels containing intervertebral disc cells for nucleus pulposus supplementation[J]. Biomaterials,2006,27(3):388-396.

[27] Chen Z, Zhao M, Liu K,etal. Novel chitosan hydrogel formed by ethylene glycol chitosan, 1,6-diisocyanatohexan and polyethylene glycol-400 for tissue engineering scaffold: in vitro and in vivo evaluation[J]. J Mater Sci Mater Med,2014,25(8):1903-1913.

[28] Yuan DC,Chen Z,Lin T,etal.Cartilage Tissue Engineering Using Combination of Novel ChitosanHydrogel and Mesenchymal Stem Cells[J].Journal of Chemistry, 2015, 27(3):388-396.

[29] Gupta MS, Nicoll SB. Functional nucleus pulposus-like matrix assembly by human mesenchymal stromal cells is directed by macromer concentration in photocrosslinked carboxymethylcellulose hydrogels[J]. Cell TissueRes,2014,358(2):527-539.

[30] Richardson SM, Curran JM, Chen R,etal. The differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells into chondrocyte-like cells on poly-L-lactic acid (PLLA) scaffolds[J].Biomaterials, 2006, 27(22):4069-4078.

[31] 劉蘭濤.人退變椎間盤軟骨終板干細胞的鑒定及性質(zhì)研究[D].重慶，第三軍醫(yī)大學(xué),2012.

[32] Guo T, Zhao J, Chang J,etal. Porous chitosan-gelatin scaffold containing plasmid DNA encoding transform ing growth factor beta1 for chondrocytes proliferation[J]. Biomaterials, 2006,27(7): 1095-1103.

[33] Shim IK, Lee SY, Park YJ,etal. Homogeneous chitosan-PLGA composite fibrous scaffolds for tissue regeneration[J]. J Biomed Mater Res A, 2008, 84(1): 247-255.

[34] Fan H, Hu Y, Zhang C,etal. Cartilage regeneration using mesenchymal stem cells and a PLGA/gelatin/chondroitin/hyaluronatehybrid scaffold[J]. Biomaterials， 2006,27(26): 4573-4580.

[35] 楊澤龍，陳竹, 劉廉，等. Ⅱ型膠原-透明質(zhì)酸構(gòu)建組織工程軟骨復(fù)合三維納米支架的體外實驗研究[J].中國修復(fù)重建外科雜志，2013,27(10):1240-1245.

[36] Sell S, Barnes C, Smith M,etal. Extracellular matrix regenerated: tissue engineering via electrospun biomimetic nanofibers[J]. Polymer International 2007, 56(11):1349-1360.

[37] Pham QP, Sharma U, Mikos AG. Electrospinning of polymeric nanofibers for tissue engineering applications: a review[J]. Tissue engineering 2006, 12(5):1197-1211.

[38] Zhang JF, Yang DZ, Nie J. Preparation of three-dimensional structure controllable nanofibers by electrospinning[J]. Polym Adv Tech 2008,19(9):1150-1153.

[39] Nesti LJ, Li WJ, Shanti RM,etal. Intervertebral disc tissue engineering using a novel hyaluronic acid-nanofibrous scaffold (HANFS) amalgam[J]. Tissue Eng Part A，2008,14:1527-1537.

[40] Lazebnik M, Singh M, Glatt P,etal.Biomimetic method for combining the nucleus pulposus and annulus fibrosus for intervertebral disc tissue engineering[J].J Tissue Eng Regen Med, 2011, 5(8):e179-187.

[41] Jin L, Shimmer AL,Li X. The challenge and advancement of annulus fibrosus tissue engineering[J]. Eur Spine J, 2013,22(5):1090-1100.

Research development of scaffold materials for fabricating complete tissue engineered intervertebral disc

YANG Fei1reviewingXIAO Dongqin2, CHEN Zhu2, FENG Gang1,2checking

(1.SouthwestUniversityofMedicalSciences,Luzhou646000，Sichuan,China;2.InstituteofTissueEngineeringandStemCells,NanchongCentralHospitalandTheSecondClinicalInstituteofNorthSichuanMedicalCollege,Nanchong637000,Sichuan,China)

Intervertebral disc degeneration is a common high-risk disease in clinic, which is the main cause of low back pain. At present, conservative treatment and surgical treatment as the main treatments for intervertebral disc degeneration can only alleviate the pain and hardly fundamentally solve the structural and functional loss triggered by degenerative intervertebral disc. With the development of tissue engineering technology, the whole tissue engineering intervertebral disc fabricated by simulating the structure and function of natural intervertebral disc brings new hope to patients. As a key link in the construction of tissue engineered intervertebral disc, scaffold material is a research focus and difficult. In this paper, a brief review was elaborated from annulus fibrosus, nucleus pulposus, cartilage end-plate and complete intervertebraldisc, respectively. The problem in the construction intervertebral disc scaffold was also put forward in this essay.

Intervertebral disc; Tissue engineering; Scaffold Materials

國家自然科學(xué)基金(81171472、81201407)；四川省教育廳創(chuàng)新團隊資助項目(13TD0030)；四川教育廳重大培育項目(15CZ0021)

馮剛，教授，本刊副主編，E-mail:Pgenecloner@163.com

R 318.08

A

10.3969/j.issn.1672-3511.2016.08.038

2016-04-22; 編輯： 張文秀)