1、 临床论文胶原蛋白在软骨组织工程中的应用【摘要】软骨组织工程的出现为解决软骨修复的临床难题提供了新的方法。 然而，寻找合适的生物载体材料是目前软骨组织工程研究的热点。 胶原蛋白是一种天然的支架材料，具有良好的生物相容性、可降解性和生物活性。可作为三维细胞生长支架，具有维持种子细胞增殖、黏附和分化的能力。 本文综述了胶原及其复合材料在软骨组织工程中的应用现状和前景。 【关键词】胶原蛋白；软骨修复；组织摘要:最近，组织工程软骨细胞移植被尝试用于治疗全层软骨缺损。在众多被研究的支架材料中，胶原蛋白具有良好的生物相容性、生物可降解性和生物活性，对细胞的增殖、附着和分化具有许多有利的特性。本文综述了胶原
2、蛋白在软骨组织工程中的应用及前景。关键词:胶原蛋白；软骨修复；组织工程软骨组织自我修复能力差，如何修复各种疾病引起的软骨缺损成为临床医生面临的一大难题。 轻微的关节软骨损伤可能导致进一步的损伤和恶化。 传统的上软骨修复主要包括关节成形术、自体软骨膜或骨膜移植等。 但是，这些方法都有一定的局限性，不能达到长期修复的效果1 最近，组织工程已成为组织或器官移植的替代方法，包括种子细胞和可生物降解的支架材料，并被证明是最有前途的软骨修复方法2 支架作为组织工程种子细胞生长、营养和代谢的载体，在组织工程方法中非常重要。 目前软骨组织工程支架分为天然支架和合成支架。 人工支架(如PLA和PLGA)已被证明
3、有利于细胞粘附、增殖和分化。 但也存在一些局限性，如缺乏细胞识别信号、亲水性差、细胞吸附能力差以及降解产物如聚乳酸易引起非炎症反应等。 天然材料最突出的优点是抗原性低，生物相容性好，有细胞识别信号，有利于细胞行为。 在软骨组织工程中，由于胶原蛋白具有上述优点，并且是软骨基质的主要成分，其在软骨修复中的应用越来越受到重视，成为软骨组织工程中最具潜力的支架材料，但也存在一些缺点，如机械强度不足3 本文就胶原蛋白在软骨组织工程中的应用综述如下。 简单胶原支架材料在软骨组织工程中的应用胶原是软骨组织中的主要结构蛋白，使软骨组织具有其独特的力学性能。 胶原蛋白还有利于细胞粘附、增殖和分化，可降解为新组织
4、提供足够的空间，并能刺激软骨细胞分泌新的胶原蛋白。 I型和II型胶原主要用于软骨组织工程。 Buma等4发现，用型和型胶原基质修复兔全层关节软骨缺损时，型胶原基质更有利于软骨下区细胞进入缺损区，而型胶原基质引导较少细胞进入缺损区，但侵入细胞更快表现出软骨样表型。 Nehrer等人5发现I型胶原诱导成纤维细胞样形态和纤维基质形成；型胶原诱导软骨细胞样形态和糖胺聚糖基质形成。 Stark等6将软骨细胞种植在不同的胶原基质上，结果显示软骨细胞在胶原基质上具有较高的活力，呈三维排列，大量表达软骨细胞特异性产物型胶原。 1.1型胶原支架材料I型胶原具有胶原蛋白的优点，因其分布最广，提取容易，被广泛应用于
5、组织工程软骨。 主要有海绵和凝胶形式。 Wanmbach等7以I型胶原为支架培养软骨细胞，软骨细胞存活并表达自身表型，产生细胞外基质。 Yates等8在胶原海绵支架上种植牛关节软骨细胞4周，通过定量软骨细胞组成和基因表达产物对支架进行评价。所得数据表明胶原海绵支架有利于软骨细胞的黏附、增殖、分化和表型维持。 威勒斯等9采用基质诱导自体软骨细胞移植(MACl)将软骨细胞接种在I型胶原膜支架上，植入软骨缺损3 mm的兔膝关节。结果细胞-支架复合体增殖分化为健康软骨，软骨缺损在12周时完全修复。 Wakitani等人10利用I型胶原凝胶混合软骨细胞和间充质干细胞修复兔膝关节软骨全层缺损，取得了满意的
6、效果。 陆丁等11构建I型胶原支架，与兔骨髓基质细胞共培养，然后移植到兔膝关节全层软骨缺损处。结果骨髓间充质干细胞在I型胶原支架材料上黏附良好，并分泌细胞外基质。 术后12周组织学检查显示透明软骨样修复。 1.2型胶原支架材料型胶原主要由软骨细胞产生，能促进软骨细胞的分化，为软骨细胞的黏附提供基础。 在体外，II型胶原蛋白可以刺激软骨形成。 李思明等12将型胶原海绵植入兔膝关节软骨缺损处，结果显示实验组2周内出现新的软骨细胞。 并迁移到缺陷处。 12周后，新的骨和软骨组织填充缺损区，并与周围组织融合。 杨晓鸿等人13观察了修复软骨缺损的II型胶原海绵的组织学。结果表明，型胶原具有较强的诱导软骨
7、细胞生长的能力，经型胶原诱导的新生软骨具有正常透明软骨的表型和功能。 Lee等14将自体软骨细胞在型胶原支架中体外培养4周，修复犬关节软骨缺损，发现缺损区形成的组织中纤维组织明显减少，但修复组织的强度仅为正常关节软骨的1/20。 Atsushi F等15采用型胶原凝胶混合兔软骨细胞，移植到兔右膝缺损处进行软骨修复。 结果表明，移植后12 24周，出现了与周围软骨颜色相近、整合良好的新软骨。 胶原复合胶原作为软骨组织工程支架有很多优点，但也存在加工性差、缺乏柔韧性、抗拉强度低等缺点。 为了提高胶原蛋白的力学性能，根据仿生学原理模拟软骨组织的成分，研究人员制备了胶原蛋白与其他材料(如壳聚糖、蛋白聚
8、糖等)的复合材料。)以获得理想的组织工程支架材料16 26 2.1胶原蛋白-透明质酸复合软骨主要由胶原蛋白和糖胺聚糖组成。 透明质酸和硫酸软骨素是糖胺聚糖的主要成分。 氨基多糖可以结合和调节生长因子和细胞因子，并抑制蛋白酶降解。 它还影响细胞粘附、迁移、增殖和分化，并在组织发育和修复过程中发挥重要作用。 Florin A等16制成胶原-透明质酸海绵材料，加入软骨细胞悬液中进行培养。表明低浓度透明质酸与胶原共价结合可促进软骨细胞合成蛋白聚糖和硫酸软骨素，促进特定软骨细胞的基质聚集和基因表达。 体外实验表明，胶原透明质酸复合物对软骨形成具有良好的相容性和可重复性。 吴伟等17制成胶原-透明质酸海绵
9、材料，复合材料具有良好的三维结构和生物相容性，软骨细胞在材料上生长良好，基质有分泌性。 2.2胶原蛋白-壳聚糖复合壳聚糖能促进透明质酸等糖胺聚糖的分泌，加速伤口愈合，抑制成纤维细胞生长，减少瘢痕形成。 壳聚糖和胶原蛋白的结合不仅能促进伤口愈合，还能增强其力学性能。 壳聚糖属于多糖，胶原蛋白属于蛋白质。蛋白质和糖之间可能存在氢键和静电相互作用。再加上交联，氨基和羟基相互交联，进一步提高其机械强度。 史等18采用冷冻干燥法，以脱乙酰度为88%的I型胶原和壳聚糖为原料制备多孔海绵状三维支架。该支架具有良好的孔结构，经碳二亚胺交联后机械强度提高。 皮下植入试验证明其具有良好的生物相容性和可降解性。 体
10、外培养软骨细胞和支架复合体，发现支架促进软骨细胞的增殖和分化，并保持其表型。 倪云峰等19研究了以壳聚糖-胶原共混膜为三维支架材料的同种异体软骨细胞构建组织工程软骨的能力。 倒置显微镜下，将兔软骨细胞接种于壳聚糖-胶原共混膜上，使其分裂、增殖并向周围延伸。 史德海等20也用壳聚糖和型胶原制成了组织工程软骨的三维多孔支架，并测试了其理化性能。 结果表明，细胞生长良好，但体外降解比单独壳聚糖支架快。 2.3胶原蛋白-硫酸软骨素复合物中糖胺聚糖的主要成分之一是硫酸软骨素，约占软骨架重量的20%。 因此，型胶原-硫酸软骨素复合物是培养软骨组织再生的合适环境。 曹等21用碳二亚胺和N-羟基酰亚胺交联型胶
11、原和硫酸软骨素，通过冷冻和冷冻干燥制备多孔基质。 体外评价显示软骨细胞在复合支架中高表达蛋白多糖和型胶原，组织学分析显示支架边缘形成较厚的软骨层。 2.4胶原蛋白-聚乙烯醇复合材料聚乙烯醇具有良好的杨氏模量和抗拉强度，适用于许多软组织的研究22，但纯PVA对细胞的吸附能力有限23 因此，在PVA中加入胶原蛋白来提高其细胞粘附性，使其更适合软骨组织工程材料的研究。 叶春婷等24将胶原蛋白和PVA复合，研制出一种凝胶状材料，并对该材料的细胞相容性和组织相容性进行了评价。PVA-胶原蛋白材料无毒副作用，细胞可以在上面三维生长。体内植入四周后，异物反应消失，材料与组织相互融合，表明该材料具有良好的细胞
12、相容性和组织相容性，可作为软组织植入材料和组织替代材料。 2.5胶原蛋白-壳聚糖-透明质酸复合材料由于软骨成分复杂，研究人员也对各种材料的复合进行了研究，希望得到一种理想的组织工程软骨支架。 Yan等25通过冷冻干燥制成壳聚糖-胶原-透明质酸多孔支架。经测试，这种混合支架具有水溶性好、降解慢、耐压性好的特点。 与单独在胶原支架中培养相比，软骨细胞在该支架中体外和体内培养21天后，复合支架被软骨样组织覆盖，DNA和糖胺聚糖(GAG)含量显著增加。 2.6胶原-透明质酸-硫酸软骨素复合支架材料张启清等26利用胶原-透明质酸-硫酸软骨素复合支架材料模拟软骨基质成分，加入软骨细胞悬液，培养21天后形成
13、软骨样组织，结构稳定。 与合成材料相比，该复合支架具有更好的生物相容性和低免疫原性，其降解产物无毒。 挑战与展望:理想的支架材料应具有一定的孔结构，并可降解，使细胞保持其增殖和分化能力。 良好的生物相容性和生物力学强度为种子细胞提供了适宜的生长微环境，有利于在缺损处形成新的功能性软骨组织。 胶原蛋白作为一种组织工程材料，具有与组织相容性好，植入人体后无毒、无刺激，促进细胞粘附和增殖，加速伤口愈合，可被人体分解吸收，分解产物无不良反应，可塑性好，易于加工成型等优点。 目前已应用于组织工程修复的各个方面。 多年来的研究也表明，胶原蛋白的特性可以用作各种细胞的培养基。 胶原蛋白在组织工程软骨中也得到
14、了广泛的研究，并取得了一定的进展，但仍存在一些问题。 胶原支架缺乏一定的机械强度，而人工支架机械强度较好，但细胞吸附性差，降解产物有毒。 因此，目前组织工程软骨支架材料中胶原蛋白研究的重点之一是通过改进胶原蛋白支架材料及其制备工艺，进一步研究材料的交联方法，将胶原蛋白与人工材料或其他天然材料复合制备软骨支架，从而提高胶原蛋白的机械强度。 此外，以骨髓间充质干细胞作为组织工程软骨的种子细胞，以胶原蛋白作为载体基质仍需进一步研究27 目前有复合生长因子的胶原材料用于软骨修复。将胶原蛋白与细胞或生长因子混合，可获得复合生物活性材料，并可获得良好的组织工程软骨。 总之，胶原蛋白作为一种天然生物材料，在
15、软骨组织修复的体内外研究中已被证明具有良好的应用价值和可行性。 以胶原为基础的复合生物活性材料的开发将促进关节软骨修复问题的解决。 参考文献 1 Chajra H，Rousseau CF，Cortical D，等.胶原基生物材料与软骨工程.骨软骨缺损的应用J.生物医学材料与工程，2008，1:33-45。2 Riesle J，Hollander AP，Langer，等.组织工程软骨中的胶原:类型，结构和交联J.j细胞生物化学，1998年，3: 13-27。3朱莉琪，王水池.组织工程用胶原支架材料J.生物聚合物，2007，5:338-344。4 Buma P，Pieper JS，Tienen T
16、V，等.交联型和型胶原基质修复全层关节软骨缺损的实验研究J.生物材料，2003，19:3255-3263。5 Nehrer S，Breinan HA，Ramappa A，等.基质胶原类型和孔径对接种犬软骨细胞行为的影响J.生物材料，1997，11:769-776。6史思杰，苏克凯，卡斯珀，等.胶原基质在软骨组织工程中的应用J.中国生物医学，2002 .有毒物质实验，2006，4:305-311。7巴，张，等.以型胶原为基质的甲状软骨细胞构建软骨组织工程J.喉镜，2000，12:2008-2011。8 Yates KE，Allemann F，格洛瓦契基J .在三维胶原海绵中培养的牛软骨细胞的表型
17、分析:血清替代物的作用J.细胞组织库，2005年，1:45-54。9威勒斯C，陈J，伍德D，等.胶原生物支架自体软骨细胞移植治疗兔骨软骨缺损J.组织工程，2005，7-8:1065-1076。10Wakitani S，Goto T，Young RG，等.用包埋在胶原凝胶中的所有移植关节软骨细胞修复大的全层关节软骨缺损J.组织工程，1998，4:429-444。11陆华鼎，蔡，等.型胶原负载骨髓基质细胞修复兔膝关节软骨缺损J.中国骨关节损伤杂志，6: 453-456。12李思明，杨晓鸿，李放J.中华创伤骨科杂志，2008，9: 844-849。13，叶，等.型胶原海绵修复兔膝关节软骨缺损的组织学
18、观察J.中国骨科杂志，2003，3-4: 20。Spector M .在型胶原支架中传代的软骨细胞对机械压力的生物合成反应J.中国生物学报.生物医学材料研究，2003年，3:560-569。15Atsushi F，Yasuo N .在兔模型中使用包埋有培养软骨细胞的可注射II型胶原凝胶修复全层关节软骨缺损J.整形外科科学杂志，2008年，3:225-232。等.透明质酸对三维胶原支架中工程化关节软骨细胞外基质基因表达的影响J.生物医学材料研究，2001年，1: 13-19。17吴伟，毛，等.胶原-透明质酸支架的制备及其与软骨细胞共培养的实验研究J.中华修复重建外科杂志，2007，4: 401-
19、405。18 Shidh等.仿生壳聚糖/型胶原软骨组织工程支架的开发潜力J.中国医学杂志，2005，17:1436-1443。19倪云峰，李小飞，刘源，等.以壳聚糖-胶原共混膜为三维支架构建同种异体工程软骨J.生物医学工程与临床医学，2003: 125-127。20史德海，蔡，周长仁等.壳聚糖与型胶原4:278-282 .21曹H，徐SY。EDC/NHS交联型胶原-硫酸软骨素支架:表征及体外评价J.医学科学硕士杂志，2008年，2:567-575。22施美伦RH，马斯特斯KS，等.可用于组织工程的可光交联聚乙烯醇水凝胶J.生物材料，2002，22:4325-4332。23Nuttelman C
20、R，Mortisen DJ，等.纤连蛋白与聚乙烯醇水凝胶的结合促进NIH3T3细胞的粘附、增殖和迁移J.生物医学材料研究，2001年，2: 217-223。24叶春婷，邹海燕，陈洪辉，等.聚乙烯醇-胶原凝胶的制备及其作为组织替代材料的探讨J.制药生物技术，2006，5: 370-30。等.胶原-壳聚糖-壬烷三元共聚物支架在骨组织工程中的应用J.人工细胞血液凝固生物技术，2006，1: 27-39 .26颜，刘玲荣，等.胶原-透明质酸-硫酸软骨素复合支架体外构建组织工程软骨的实验研究J.中华修复重建外科杂志，2006，2:130-133。27陈FH，段RS。间充质干细胞与关节炎疾病J.关节炎研究杂志，2008，5:223。
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