2. 多相支架的生物材料

构建多相骨软骨支架的生物材料一般用于制作骨再生的含矿物层和软骨再生的聚合物层。在本综述的研究中，用于合成多相支架中的骨层的矿物质包括磷酸钙矿物(如羟基磷灰石或纳米羟基磷灰石、磷酸三钙（（TCP）)、生物活性玻璃，以及其他特定物质例如文石和硅灰石。用于合成多相支架中的软骨层的天然材料包括胶原蛋白、海藻酸盐、壳聚糖、丝素蛋白，明胶、以及各种合成聚合物，如聚乳酸-乙醇酸（PLGA）、聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）和聚乙二醇（PEG）。此外，少数研究发现含有PLGA微球的支架具有传送生长因子的功能。

2.1骨软骨支架中的矿物材料

磷酸钙矿物的骨传导和骨诱导特性有助于形成新骨。其中合成羟基磷灰石的化学成分与骨骼中的羟基磷灰石矿物成分一致，使得其在骨组织工程中应用广泛。羟基磷灰石可增加钙离子的局部浓度，从而激活成骨细胞的增殖以及促进间充质干细胞（MSCs）的生长与分化，促使新骨形成。据报道，在3D生物打印的骨软骨支架中，羟基磷灰石还可改善某些聚合物基质的机械性能，使复合材料更好地匹配天然骨强度。但是，羟基磷灰石在动物模型中的不足之处是其降解率非常缓慢。

磷酸三钙广泛运用于构建多相骨软骨支架的骨层。研究显示 β-TCP可增加软骨下骨的骨量、增强骨再生、优化新生血管在支架内的形成、拥有良好的生物相容性和降解率，并且无排斥反应。

生物活性玻璃具有无定形的二维结构，可以形成生物活性表面层，增强骨细胞的粘附性和促进新骨形成，以及有利于周围软组织的修复。此外，添加生物活性玻璃可能有助于调节支架的生物降解率。

其他特定陶瓷配方的骨软骨支架成分包括文石和硅灰石，前者是一种来自蚶子壳的碳酸钙材料，后者是一种硅酸钙矿物。两者都具有生物活性，有助于促进软骨下骨的修复。

虽然钛合金不是矿物质，但有两项研究使用其作为骨层的硬性替代物，通过3D打印制成多孔支架。结果显示，金属支架与周围原生组织可成功整合，以及提供软骨修复所需要的机械支持。

2.2 骨软骨支架中的聚合物材料

聚合物材料是构建骨软骨支架的主要材料，可作为构建软骨与骨层的基质。聚合物材料可通过模仿原生软骨的细胞外基质结构与功能来制作支架的软骨层，以及向其中添加矿物质、细胞和生长因子等。天然聚合物因来自生物系统，有较高的细胞兼容性，故常被选作软骨层的材料，也有助于软骨下骨再生。

胶原蛋白是一种存在于关节软骨和软骨下骨组织中的细胞外基质。含有胶原蛋白的多相支架可加强关节软骨的修复以及改善再生组织的外观，在修复兔子和羊的骨软骨缺损模型中有显著效果。有研究发现，在多孔钽支架上加入胶原蛋白膜作为软骨层，可促进细胞粘附，形成透明软骨。

海藻酸盐是一种从褐藻中提取出来的具有多功能性质的生物材料。它具有生物相容性，可以被加工成一系列形态，因此常被制作成水凝胶使用。但是，海藻酸盐的机械稳定性欠佳以及植入后的生物降解性较低，需要通过添加其他聚合物来制成复合材料从而改善这些问题。海藻酸盐作为骨软骨支架的软骨层组织，能够体现出与体内组织的生物相容性和展示出支架孔隙中的血管化现象。有研究表明，植入海藻酸盐后，植入体周围并无炎症细胞的出现。另一研究中使用了由海藻酸盐和透明质酸合成的支架，结果显示出软骨修复以及支架与宿主软骨有融合的迹象。

壳聚糖提取自甲壳类动物的甲壳素，具有生物相容性、生物可降解性和低毒性等优点，其结构与软骨细胞外基质中的糖胺聚糖 (GAG) 相似。壳聚糖基支架的机械性能可以接近原生关节软骨的强度和模量范围。由软骨层中的壳聚糖和骨层中的壳聚糖/β-TCP 复合材料组成的双层支架在 12 周后几乎完全修复了大鼠模型的骨软骨缺损，并显示出透明软骨的形成以及新组织与周围软骨的融合。

丝素蛋白是从蚕丝中提取的一种蛋白质，与大多数其他天然聚合物相比，丝素蛋白具有更好的机械性能，因此被广泛用于软骨和骨骼再生的支架中。含有丝素蛋白的多层支架在动物模型中已被证明能促进细胞粘附和增殖，以及组织浸润和体内骨软骨修复的作用。此外，含有丝素蛋白支架的压缩模量可达到 0.4 兆帕，接近人体关节软骨的压缩模量范围。

合成聚合物是由合成单体链聚合而成的。与天然聚合物不同，它们不利于细胞粘附，通常不具备生物活性。由于合成聚合物在制造过程中能够轻松调整单体排列，因此在复制原生组织生物力学方面具有更好、更可定制的机械特性，更有利于复制骨软骨组织的承重功能。与天然聚合物相比，合成聚合物还具有更可控和稳定的特性。有关骨软骨支架的研究已将合成聚合物用于软骨层和骨层，并频繁添加生长因子或细胞，以克服其惰性并改善再生效果。在骨层方面，合成聚合物可以用陶瓷颗粒增强，以改善软骨下骨的再生以及通过增强支架的机械强度与各层之间的整合间接促进软骨再生。

聚乳酸（PLGA）是乳酸和乙醇酸的共聚物。因其拥有良好的生物相容性和高度可定制的性能（包括机械特性和生物降解性），所以它是最常用于构建骨软骨支架的合成聚合物。PLGA 支架可在软骨层和骨层中构建不同几何形状的孔隙结构，形成双层骨软骨支架，已在兔子模型中显示出良好的修复效果。

聚己内酯（PCL） 是一种常用于组织工程的聚酯，因为它价格实惠，并且拥有易于修改的特征。PCL 可用于制造多孔双层支架，从而模仿骨软骨组织的原生结构。PCL支架在小鼠模型中显示出满意的修复效果，以及炎症调节的能力。

3. 多相支架设计

骨软骨支架的设计涉及整合支持软骨和骨再生的多种结构以及生物材料（图2）。

3.1 多层骨软骨支架

多层支架是目前最流行的骨软骨支架设计。大多数研究采用了软骨和骨的双层结构，也有一些研究采用了三层甚至四层结构，其中还包括钙化软骨的中间层（图3）。

由于天然和合成聚合物以及陶瓷材料需要不同的加工技术，因此有多种方法可用于制造多层支架结构，其中许多方法是针对支架中使用的特定材料组合而量身定制的。制造双层骨软骨支架的一种常用策略是通过相对独立的工艺技术制造软骨层和骨层，然后通过各种技术（如胶合或创建界面结合层）将它们整合在一起。这种策略可以相对容易地创建双相支架，为软骨和骨层分别提供更广泛的材料选择和形态，从而有助于更好地满足不同组织的再生要求。不过，这两个支架层相对独立，不通过中间界面连接。根据界面粘合的强度，支架在植入体内后可能会出现层间分层的问题。这个问题同样会影响一些其它的支架设计，比如用单独制造的陶瓷支架或3D打印支架作为骨层，加上含有一些生物成分如生长因子或促进软骨生成的细胞的软骨层。这些方法着重于软骨下骨的再生，认为骨修复成功后，软骨也会随之再生。其他策略包括溶剂浇铸和特定浸出、连续冷冻干燥、3D打印或生物打印等可制造更一体的连接层，但工序可能较复杂。更大胆的设计包括含有三层或四层的骨软骨支架，这些支架都涉及多步骤的、为所用材料类型量身定制的制造过程。

在骨软骨支架设计中添加更多层次正成为一种日益流行的策略。因此，它能够尽量高程度地还原骨软骨原生组织的复杂生理结构。软骨层与软骨下骨层之间的第三层或第四层可以帮助形成钙化标记，模拟钙化软骨和未钙化软骨之间的原生界面。这可能在为新形成的骨软骨组织提供稳定性以及防止软骨下骨过度生长到软骨区域（可能导致关节退化及病变）的方面起着至关重要的作用。一项研究报导了一种复杂的四层支架设计，设计中包含由天然聚合物组合而成的水凝胶，其中掺杂了羟基磷灰石颗粒以及各种生长因子，以形成软骨、钙化软骨和骨层，而骨层使用了电纺膜作为第四层。这种支架设计被认为能高度模仿骨软骨结构以及增强血管生成，为整体骨软骨修复提供更好的条件。

3.2 梯度骨软骨支架

梯度支架可采用多种方法制作，如3D打印、连续水凝胶沉积、添加微球或生物成分，以创建由相同材料组成的连续结构，但各阶段之间存在过渡差异，从而实现骨软骨再生。由于梯度支架具有连续的结构，细胞间的交流可在各层之间进行，且有可能更好地与原生组织进行体内整合。不过，梯度支架的制作过程相对较复杂，并需要确保制造过程中的一致性。另外，基于水凝胶的梯度支架的机械性能可能不足以支撑术后的立即承重。

有研究针对软骨和骨层的孔隙结构进行了不同的组合，得出的结论是与其他组合相比，软骨层与骨层的孔隙率分别为 92%与77%可在兔子模型内达到最好的骨软骨再生效果。这种孔隙率组合可产生新生软骨最佳的细胞形态、基质染色、表面规则性、厚度等。有趣的是，相比于改变孔径，添加富含血小板的血浆（PRP）等生物添加剂似乎对骨软骨再生的结果有更大的影响。

在小型和大型动物模型中，含有生长因子梯度的水凝胶支架显示出同时促进软骨和骨再生的良好能力。据观察，转化生长因子（TGF）和骨形态发生蛋白（BMP）家族中常用的生长因子对骨软骨再生有着不同且某些重叠的影响。

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4. 多相支架中添加生物成分

骨软骨支架中通常会加入生长因子或细胞等生物添加剂，以助于形成多相结构，并促进骨软骨各层内不同组织的再生（图 4）。与纯支架相比，绝大多数在支架内加入生物添加剂的研究显示了更好的骨软骨修复效果。

4.1 生长因子

在骨软骨支架中掺入生长因子，可促进细胞增殖、分化以及细胞外基质合成，从而改善组织修复效果。将生长因子融入支架设计的的研究主要集中在 TGF （尤其是TGF-β）和 BMP 家族，它们可分别诱导软骨和骨生成。其他生物大分子，如胰岛素样生长因子（IGF）-1、成纤维细胞生长因子（FGF）-2、白细胞介素（IL）-4 和岩白菜素等也已得到应用。

4.2 细胞

大部分研究将细胞纳入骨软骨支架，以促进组织修复。在对骨软骨支架进行体内测试的研究中，各种组织来源的间充质干细胞是迄今为止最常被选用的细胞类型，这些细胞大多来自骨髓，少数来自脂肪组织和脐带。

间充质干细胞可分化成软骨与骨细胞，且与软骨细胞和成骨细胞等原代细胞相比，间充质干细胞更易获得且更易在体外生长，因此是制作骨软骨支架的首选。在组织修复的早期阶段，间充质干细胞被认为能提高骨和软骨再生的效率。尽管加入细胞可更好地促进组织再生，但将细胞纳入骨软骨支架需要更高的制备要求，以及对制造后工艺和处理的要求。此外，通常需要大量细胞才能产生显著的治疗反应，而这些都会带来更高的成本，从实际角度来看可能并非最佳选择。

5. 最近的骨软骨支架临床研究成果

近期发表的临床研究中已报道了四种市售支架，其中包括意大利 Finceramica 公司的 MaioRegen®、美国 Smith & Nephew 公司的 Trufit®、以色列 CartiHeal 公司的 Agili-CTM 和瑞士 BioTissue 公司的 Chondrotissue® 。

MaioRegen®由胶原蛋白和羟基磷灰石组成，经冷冻干燥后排列成的三层支架，从2011年开始常用于治疗股骨髁、胫骨平台、髌骨和距骨的骨软骨缺损。Trufit®是具有双相结构的合成聚合物支架，骨层由聚羟基乙酸（PGA）纤维和硫酸钙组成，软骨层由聚乳酸（PLGA）组成。虽然它是第一种应用于临床实践的骨软骨支架，但由于其失败率较高，且作为纯支架植入物的临床效果普遍较差，现已退出市场。Agili-CTM是一种双层支架，由珊瑚提取的文石作为骨层和透明质酸作为软骨层组成。它已于 2021 年 3 月获得美国食品和药物管理局（FDA）的使用批准，是最新进入临床应用的骨软骨支架。Chondrotissue®是由PGA-透明质酸组成的单相支架，但因研究过程中随访时间太短，无法预测长期修复效果。除了一项使用 Trufit® 的研究在植入前将支架浸泡在 PRP 或骨髓浓缩物中外，所有支架均为无细胞植入而设计，并以此应用于临床研究中。

根据最近对相关临床研究的系统回顾和荟萃分析结果，在平均 28.4 个月、39.8 个月和 18.0 个月的随访中，接受 MaioRegen®、Trufit® 和 Agili-CTM 治疗的患者的总体失败率分别为 4.8%、9.9% 和 8.2%。对MaioRegen®和Agili-CTM的结果评分进行定量综合后发现，与基线相比，在1年、2年和≥3年的随访中，International Knee Documentation Committee（IKDC）主观评分与用Tegner评分评估的活动水平都有统计学意义上的显著改善。除已退出市场的 Trufit® 外，临床使用的多相支架在中短期随访中对骨软骨缺损有一定的治疗效果，不良反应发生率相对较低。

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6. 结论与未来展望

目前市售多相支架的临床结果表明，其完全修复骨软骨组织的能力有限。临床前运用骨软骨动物模型的研究表明，加入生物成分的多相支架可使骨软骨再生的效果普遍得到改善，具体表现为 GAG 和 II 型胶原含量增加、再生软骨的完整性提高，以及达到满意的缺损修复效果所需的时间缩短。将不同类型的细胞和生长因子结合起来，加上其他刺激方法，可发挥协同作用，增强骨软骨修复能力。同时，不同类型的多相设计，包括多层支架和梯度支架，已被证明能更好地模拟骨软骨的分层结构并使修复组织适当分区，从而提高临床前修复效果。

尽管取得了令人鼓舞的进展，但目前仍缺少一种 “理想 “支架，既能完美满足骨软骨修复的复杂和多方面要求，又能在临床应用有实际价值。未来研究可从3D生物打印技术、间充质干细胞及其衍生物（如细胞外囊泡）等方面探索更多的替代方案。对于实验模型的选择，目前使用诱导多能干细胞（iPSC）生产骨软骨组织器官的替代方法已有报道。与骨软骨组织体外建模相关的其他技术发展包括器官芯片系统，其目的是在微流控设备上再现体内细胞微环境。使用多相支架的组织工程学是临床上有效修复骨软骨损伤的一种前景广阔的策略，它将受益于生物制造、微/纳米器件和干细胞工程等创新方法的跨学科整合。