再生医学的基础是研究和发展替代、修补、重建或再生人体不同组织及器官的假设和方法。由于半月板中央部分纤细，而且整个半月板没有连接，因此传统疗法在恢复半月板结构和功能方面较为困难。医用水凝胶有望为半月板修复和再生提供一种新的策略。水凝胶具有较强的生物相容性和可调控性，可安全植入体内，有效改变半月板损伤部位细胞微环境和生理变化。近日，来自北京大学的余家阔教授团队进行了先进水凝胶材料用于半月板修复的相关综述。成果以“Meniscal fibrocartilage regeneration inspired by meniscal maturational and regenerative process”为题于01月03日发表在《Advanced Functional Materials》上。
本文回顾了不同植入型医用水凝胶在半月板再生和修复中的应用。首先，简要介绍了半月板的结构和生理功能。随后，重点介绍了不同水凝胶在半月板修复中的应用，并讨论了构建水凝胶植入体时使用的不同材料。最后，分析了水凝胶用于半月板修复的相关问题和挑战。
1. 半月板的生理基础
作为膝关节腔内的天然结构，半月板曾被认为是“腿部肌肉起源的无功能残余结构”。经过几十年的深入研究，半月板在膝关节功能中的重要作用逐渐得到证实。除众所周知的屈伸功能外，由于两个膝关节的关节面以及胫骨内侧和外侧平台结构的不同，膝关节还会发生一定程度的旋转。胫骨内侧平台呈现轻微的隆起和凹陷；胫骨外侧平台则呈现轻微的凹陷和球形。本文从半月板的解剖、半月板的血液供应、半月板的细胞群、半月板的生理功能和目前治疗半月板损伤的相关方法进行了详细的描述。
图1 膝关节和半月板解剖及细胞分布
2. 水凝胶作为半月板修复的生物材料
用于骨骼或软骨再生的生物材料大多由天然或合成有机高分子化合物组成。选择合适的生物材料对实现半月板修复至关重要。出色的修复材料往往具有生物活性。主要因为结构对材料特性的影响，如表面化学基团可能会影响特定细胞迁移、粘附和分化。功能细胞增殖以及干细胞分化和迁移会在一定程度上影响半月板再生效果。在优先考虑生物安全性的同时，选择最具生物活性的材料至关重要。水凝胶作为一种能模拟天然半月板组织成分的生物材料，具有强大的化学性质可调、良好生物相容性和可降解性等，是开发仿生半月板的新型材料。水凝胶可分为天然聚合物水凝胶和合成聚合物水凝胶。天然材料具有最佳的生物相容性，易获得，成本效益高。合成材料具有更高稳定性、更低降解敏感性和更强化学可调性。制备医用水凝胶的常用材料包括透明质酸、明胶、壳聚糖、丝胶和海藻酸钠。图2列出医用水凝胶常用的材料及其各自优缺点。
图2 医用水凝胶常用材料及其各自优缺点
图3 不同混合水凝胶示意图
3. 载体水凝胶在半月板修复中的应用
半月板再生过程是一个涉及多种细胞和组织的系统协调性过程。炎症期主要表现为炎症细胞清除已经凋亡或坏死的细胞，炎症期结束后，半月板修复进入组织重塑阶段。其中位于血液供应充足的区域损伤修复效果更好。血管不仅参与新陈代谢和营养供应，还传递信号分子，促进内源性干细胞向受损部位迁移、增殖和分化。此外，细胞外基质的降解和重新形成过程是相互协调的，促进受损组织原位修复。总之，载体水凝胶具有生物相容性、可降解性、与细胞外基质结构相似、易于改性和吸附物质等特点，是很有前途的半月板再生修复生物材料。
目前半月板再生主要有两种策略：（1）使用药物或细胞因子促进损伤半月板组织再生。（2）通过重新植入半月板组织、细胞或相关生物材料来替代和填充受损区域。水凝胶载体可将药物或细胞因子（包括抗炎药物和促进生长因子）运送到局部受损部位，有效抑制半月板细胞凋亡，提高半月板细胞活力，诱导干细胞分化和迁移，从而帮助半月板细胞再生。水凝胶材料是负载治疗性干细胞或半月板功能细胞的绝佳支架，可通过原位移植实现半月板修复。
图4 原位移植实现半月板修复
3.1 药物递送水凝胶
目前半月板修复的主要治疗方法为手术治疗，术后需要注射玻璃酸钠或血小板血浆(PRP)。使用非甾体类抗炎药（NSAIDs）的非手术治疗方案可减轻大多数内侧半月板后跟撕裂患者的症状，在短期内改善功能。提高药物在体内的治疗效果是一个关键问题，口服和静脉注射等给药方式往往会导致血液中药物浓度发生显著波动，进而影响最终的治疗效果。因此，必须找到一种方法来控制血液中的药物水平，从而优化治疗效果。为克服这种波动带来的副作用，临床医生通常会采用多剂量给药的方法。然而，多剂量给药成本较高，患者依从性较差，存在一定局限性。此外，半月板位于关节腔内，关节腔内有关节液，可能造成药物局部稀释或排泄。
图5 STS负载PCL-MECM水凝胶混合支架示意图
3.2 细胞因子递送水凝胶
细胞因子是低分子量蛋白质，具有多种生物功能，主要由巨噬细胞、T细胞、B细胞和内皮细胞产生和分泌。这些强效分子在细胞免疫、细胞招募、分化和增殖、抗原呈递、信号转导以及炎症调节等方面发挥重要作用。在病理情况下，细胞因子过量或缺乏都可能导致病理过程发展。细胞因子和细胞因子拮抗剂可以纠正这种不平衡，使其成为有效的临床治疗药物。炎症、免疫和再招募阶段受多种细胞因子调节和影响，如TGF-κ3、肿瘤坏死因子（TNF）和血小板衍生因子（PDGF）等。当务之急是探索有效方法，促进细胞因子与靶细胞膜表面受体结合，然后在细胞内传递信号。由于细胞因子的治疗窗口较窄且副作用明显，其临床应用受到很大限制。因此，研究人员探索使用载体来提高细胞因子疗法的耐受性和特异性，使其在靶向疾病部位的同时保护正常组织。
图6 基于MECM的生物墨水哟用于3D打印半月板支架示意图
3.3 细胞递送水凝胶
干细胞疗法以干细胞自我更新和分化为基础，在治疗骨、软骨和血液疾病方面取得重大进展。然而，在半月板治疗中，缺损部位的半月板细胞再生能力有限，导致半月板再生研究集中于干细胞疗法领域。但移植前后细胞存活能力有限，加上存在缺损部位的时间不足，阻碍组织成功再生。不受控制的多向分化特性也大大增加治疗的不确定性和成本。因此，研究人员将生物材料，特别是水凝胶，与干细胞植入相结合，以应对这些困难。包括水凝胶在内的生物材料具有调节干细胞某些生物特性的能力，如迁移和分化，提高干细胞植入和修复的成功率。尽管不同来源的干细胞具有不同优缺点和分化潜力，但尚未就最合适来源达成共识。不过，骨骼系统（如骨髓和肌肉）来源的干细胞显然具有与半月板更相近的分化效果。
图7 可注射ECM水凝胶递送BMSCs促进半月板修复示意图
4. 机械增强型水凝胶在半月板修复中的应用
具有各种功能的水凝胶在半月板修复中具有较强的应用价值。可以负载药物或细胞因子促进纤维软骨生成，并通过重新植入干细胞促进软骨分化，从而更好满足生物功能需要。但是水凝胶材料柔软且机械强度低，因此无法实现强大机械负载和承重功能。目前，提升水凝胶支架机械性能的常用方法是通过掺杂聚合物或纳米粒子来制造复合水凝胶。有研究表明，提高前溶液的粘度可增强水凝胶支架的机械性能。新型高强度水凝胶包括双网络水凝胶和离子交联水凝胶等，能满足膝关节等人体承重结构机械负载需求，并超越普通水凝胶机械特性。挤压式3D打印技术在生物材料领域应用十分广泛，具有打印不同粘度生物材料的高驱动压力和多通道梯度打印能力，挤压式打印已成为生产坚硬3D打印水凝胶支架最广泛的方法。
图8 水凝胶注射后半月板再生情况评估
5. 半月板生理作用及水凝胶支架促进半月板修复步骤总结
半月板损伤是膝关节疾病中常见的运动损伤性疾病，经常发生于青少年人群。突然的加速运动和方向变化会导致急性半月板撕裂。篮球、足球和排球等球类运动需要反复跳跃、急停和速度变化，这些都是造成此类损伤的常见原因。因此，保持半月板结构和功能的完整性对运动员和普通人都至关重要。半月板是位于股骨髁和胫骨平台之间的纤维软骨。半月板的功能包括充当垫片、提供稳定性、负重、吸收冲击
润滑膝关节。由于人类是直立动物，因此在站立、行走、跑步或跳跃等活动中，膝关节往往承受很大的负荷。在负重期间半月板充当垫片作用，通过避免股骨髁和胫骨平台之间直接接触，减轻对胫骨平台顶部的压力。有助于保护膝关节免受损伤。
图9 先进水凝胶促进半月板修复步骤示意图
6. 水凝胶支架应用于半月板修复的挑战与展望
半月板在下肢机械传导中起至关重要的作用，半月板撕裂或损伤会严重影响运动功能并加重骨关节炎形成。最近，用于半月板修复的水凝胶材料取得重大进展。随着对半月板结构和功能理解的加深，以及三维打印等制备方法和水凝胶等新型功能材料的进步，半月板缺损的再生修复进入组织工程新阶段。目前，3D打印技术可实现半月板各向异性。同时，具有优异机械特性的高强度超分子聚合物水凝胶可以保护软骨不被降解，改善骨关节炎。一系列先进材料的应用为临床医生提供更多选择。半月板修复技术正从传统修复切除转向组织工程重建。新型复合水凝胶为半月板修复带来巨大变革，但是目前仍然存在一些局限性，需要重点关注。
文章来源：https://doi.org/10.1002/adfm.202312276
