综述：组织工程在肌腱和韧带修复中的见解与进展

《VIEW》：Tissue engineering for tendon and ligament repair: Insights and advances

本综述系统探讨了肌腱和韧带（T/Ls）组织工程的前沿进展，聚焦于其结构功能特性、损伤修复机制及治疗挑战。文章详细评述了先进制造技术（如静电纺丝、3D打印、熔融电写）与生物材料（天然/合成聚合物）在构建仿生支架中的应用，强调了细胞来源（如MSCs、TSPCs）、生长因子（如TGF-β、BMPs）和生物活性分子在促进再生中的关键作用。同时，分析了动物模型选择与临床转化面临的瓶颈，为开发新型T/Ls修复策略提供了重要参考。

1 引言

肌腱和韧带（T/Ls）损伤是最常见的肌肉骨骼疾病之一，虽不直接危及生命，但会导致患者活动能力和生活质量严重下降。美国每年约有1700万人遭受T/Ls损伤，需医疗干预，相关医疗费用超过400亿美元。T/Ls作为肌肉与骨骼或骨与骨之间的连接组织，承担着力传递和关节稳定的功能，但其自愈能力有限，主要归因于低血管化和低细胞密度的组织特性。

目前手术修复仍是主要治疗手段，但存在术后并发症、慢性疼痛和再撕裂风险高等问题。组织工程（TE）通过结合工程学与生命科学原理，开发生物替代物以恢复或改善组织功能，为T/Ls修复提供了新途径。

1.1 T/Ls结构与组成

1.1.1 细胞外基质

T/Ls的细胞外基质（ECM）主要由I型和III型胶原构成，其中I型胶原占干重的65–80%。胶原纤维呈层次化排列，形成原纤维、纤维和纤维束。非胶原成分包括弹性蛋白、糖胺聚糖（GAGs）、蛋白聚糖（PGs）和糖蛋白（GPs），如装饰蛋白（DCN）、双糖链蛋白聚糖（BGN）、腱调蛋白（TNMD）和腱生蛋白-C（TNC），这些分子共同赋予组织机械强度和粘弹性。

肌腱-骨连接处（enthesis）呈过渡性结构，从肌腱到非钙化纤维软骨、钙化纤维软骨直至骨组织，细胞类型和ECM成分呈梯度分布，利于力传递。肌肉-肌腱连接处（MTJ）则通过胶原XXII等特殊分子形成交错结构，增强稳定性。

1.1.2 细胞

成熟T/Ls中90%为肌腱细胞（tenocytes）和肌腱前体细胞（tenoblasts），其余包括滑膜细胞、软骨细胞、血管细胞及肌腱干细胞/祖细胞（TSPCs）。TSPCs可分为I型和II型，分别位于外膜和内膜，具有不同分化潜能。肌腱细胞易在体外发生转分化，表达软骨、骨或脂肪相关标记物，因此培养时需控制氧张力、营养条件和基质拓扑结构以维持表型。

1.2 机械性能

T/Ls的机械性能依赖于胶原纤维的取向和含水量，表现出各向异性和粘弹性。应力-应变曲线包括四个区域：趾区（<2%应变，胶原卷曲伸直）、线性区（2–6%应变，弹性模量0.5–2 GPa）、微观断裂区和宏观断裂区（>8%应变）。不同解剖位置的T/Ls机械性能差异显著（详见表1），如跟腱弹性模量可达1900 MPa，而牙周韧带仅4.5 MPa。数字图像相关（DIC）等技术已用于高分辨率应变分析。

1.3 T/Ls损伤、愈合过程与治疗策略

T/Ls损伤分为急性（创伤性）和慢性（退行性），组织学表现为肌腱病（tendinopathy）、肌腱炎（tendinitis）或肌腱变性（tendinosis）。愈合过程分为炎症期（细胞招募和血凝块形成）、增殖期（ECM沉积和瘢痕形成）和重塑期（胶原重构和力学性能恢复）。保守治疗（休息、理疗、药物）效果有限，手术修复虽常用但再撕裂率高（小撕裂26%，大撕裂94%）。自体移植、异体移植和异种移植各有优缺点，但均无法完全恢复原生功能。

2 生物材料在支架设计中的作用

理想支架应模拟天然T/Ls的各向异性力学性能和层次化结构。聚合物（天然或合成）因其生物相容性和可加工性被广泛应用。天然聚合物（如胶原、壳聚糖、丝素）生物活性高但力学性能差；合成聚合物（如PLGA、PLA、PCL、PU）力学性能和降解速率可调但可能引起炎症反应。混合材料可兼顾双方优势。

2.1 天然聚合物

天然聚合物支架如微生物产生的聚羟基脂肪酸酯、壳聚糖-明胶基质、藻酸盐-透明质酸-明胶-纤维蛋白原水凝胶等，具有良好的细胞相容性，但存在批次差异和力学不足问题。

2.2 合成聚合物

合成聚合物如PLGA功能化PDGF-AA、PGA-PLA复合支架、PU纳米纤维等，可通过表面修饰和混合策略改善生物性能。例如，PDGF-AA功能化支架能增强胶原合成，力学加载可促进体内再生。

3 优化生物物理与结构线索

机械刺激（静态/动态拉伸）通过频率、应变和休息间隔等参数调节细胞行为。生物反应器可模拟体内环境，促进tenogenic分化。支架孔隙结构和纤维排列也直接影响细胞迁移、增殖和ECM沉积。取向拓扑结构能引导胶原纤维排列和细胞伸长。

4 支架制造技术

4.1 3D打印

3D打印可实现高精度定制，但纤维取向控制不如静电纺丝。材料包括GelMA/PCL、PCL、PLA、PLGA/胶原/纤维蛋白等，在体内外实验中显示促进再生和抑制异位骨化潜力。

4.2 静电纺丝

静电纺丝能产生纳米纤维，具有高比表面积和孔隙互连性，但溶剂残留和产量低是挑战。变体技术如同轴静电纺丝、湿法静电纺丝等可用于功能化设计。波浪形纤维结构可模拟天然组织，增强细胞排列和力学性能。

4.3 熔融电写（MEW）

MEW可打印直径2–50 μm的纤维，精确控制孔隙结构。例如，PCL/胶原支架、p(e-CL-AC)材料等，但墨水粘度控制是关键难题。

4.4 混合制造技术

结合多种技术（如静电纺丝+编织、3D打印+电纺）可构建多尺度支架，模拟天然层次结构。例如，SF/PLLA纳米纱与PLLA微纱编织、PLGA电纺与PCL 3D打印结合等，均显示良好力学和生物性能。

4.5 脱细胞组织支架

脱细胞ECM支架保留天然结构和生物活性，但来源有限且工艺复杂。动物来源（大鼠、牛、猪）的脱细胞肌腱已用于研究，并开展初步临床试验。

5 细胞来源

5.1 干细胞

间充质干细胞（MSCs）如骨髓MSCs（BMSCs）、脂肪干细胞（ASCs）具有多向分化潜能，但可能异位成骨。肌腱干细胞（TSPCs）更倾向tenogenic分化，但来源受限。

5.2 成纤维细胞

皮肤成纤维细胞易获取，可表达胶原等ECM成分，但可能致纤维增生。

5.3 肌腱细胞

肌腱细胞无需定向分化，但增殖能力低且获取 invasive。

6 生物活性组分

6.1 生长因子

TGF-β3、FGF-2、BMP-12/14、PDGF-BB等生长因子可调节细胞增殖、分化和ECM合成。例如，TGF-β3增强SCX和COL1A1表达，FGF-2促进胶原沉积，BMP-12上调TNMD。但成本高、半衰期短和剂量优化是挑战。

6.2 药物

局部递送药物如罗苏伐他汀（RSV）、塞来昔布、萘普生、甲基泼尼松龙等，可抗炎、抗菌和减少粘连。载药支架可实现缓释，但释放速率需精确控制。

6.3 填料

银纳米颗粒（AgNPs）、生物活性玻璃（BG）、锶-硬硅钙石（Sr-HT）等可增强力学性能、抗菌或促血管生成。例如，AgNPs/PLA支架抗菌并促tenogenic标记物表达，BG/PCL-PGS复合材料提高细胞活力。

6.4 miRNA

miRNA-21-5p、miR-210、miR-135a等通过调控基因表达影响愈合，但递送系统（病毒/非病毒载体）的安全性和特异性需优化。

7 动物模型

小鼠、大鼠用于初步研究，兔、狗、羊、猪、马等大动物模型更接近人体解剖和力学环境。选择需考虑研究目标、成本和技术可行性。

8 结论与未来挑战

T/Ls组织工程需克服结构仿生、规模化生产和临床转化难题。多材料复合支架、先进制造技术、细胞与生物因子协同策略是发展方向。大动物模型和标准化评估体系将加速临床应用。