PCL基复合骨组织工程支架研究现状及发展

引言

骨组织工程致力于人体骨组织的个性化构建，以恢复骨组织缺损，目前正处于广泛研究中[1]。为了模拟个性化的骨组织结构，利用骨组织工程支架成本效益良好、制造简单和细胞分布可控等优势[2]，大量学者将其应用于骨组织工程领域中进行探索。近年来，由各种生物材料制成的支架已被用于该领域，试图促进体内不同的骨及软骨组织再生。为了获得与天然骨相似的组成、结构和功能，骨组织工程支架通常需要具有如下特征[1,3]：一是具有多孔结构，有利于细胞间营养物质及废物的运输；二是具有生物相容性和适宜、可调控的降解率和吸收率；三是具有适宜的表面化学特性，以促进细胞的生长、附着和分化；四是在临床环境中，具有可治疗患者个性化骨缺损的良好的机械性能。然而，单一的生物材料制备的支架往往难以满足所有要求。因此，复合多种生物材料，综合其各自的优点，能够极大提升复合支架的物理化学及生物性能。

聚已内酯(Polycapolactone,PCL)是一种人工合成的生物可降解聚合物，其重复结构单元包括5个非极性的亚甲基(—CH2—) 和1个极性酯基(—COO—)[4]，具有良好的生物相容性和良好的加工性能，降解速度相对较慢，与其他聚酯相比酸性分解产物较少，具有一定的力学性能，已被广泛应用于骨组织工程支架的制备；但纯PCL支架亲水性差、生物活性低，缺乏骨诱导性，限制了其在生物医学领域的应用[3-5]。将PCL与生物活性颗粒结合制备复合支架，是克服这些缺点的一种很有前途的方法[6]，如金属、氧化物、聚合物和碳基材料等都被用作PCL支架的复合材料。通过与其他生物活性材料复合，可调节PCL支架的力学性能，同时能改善其生物降解性、骨诱导性、亲水性等一系列性能。下面针对PCL基骨组织工程支架的复合材料选择，从性能改进及体内外成骨效果等方面进行综述。

1 PCL复合无机材料

用于骨组织工程的无机材料大体可分为天然可降解无机材料以及合成可降解无机填料：前者以珊瑚骨为代表，具有良好的骨传导性[7]；后者主要包括羟基磷灰石[8-11]、磷酸钙陶瓷[12-14]、生物活性玻璃[15-16]等，具有良好的生物相容性、骨诱导性等，在PCL基三维复合支架研究中已成为众多学者的材料选择。

1)羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)。是由70%的无机物组成，其化学本质类似于HA。HA作为一种类骨质生物活性材料，已被证实具有良好的生物相容性，且整合入骨组织材料中不会引起免疫反应[17-18]。共混法是将HA整合至PCL基支架中最为常用的方法，也就是将HA颗粒直接混入PCL中制备支架。共混法具有简单、高效、无毒害作用等优点，可分为：一种是熔融共混，鉴于PCL的高度热塑性，通常将PCL高温熔融后加入HA颗粒，物理搅拌后使HA均匀分散至PCL体系中，通过喷头喷出来制备复合支架[8,10]；另一种为溶解共混，先将PCL溶解于有机溶剂，然后混入HA，为消除有机溶剂的毒害作用，需另加处理[11]。HA的混入显示，复合材料具有较高的力学性能、表面粗糙度和较快的降解性能，并提高了支架的成骨性能。制备HA涂层是一种常用的装配方式，有学者利用超声波技术，在PCL支架上成功制备了纳米羟基磷灰石涂层，结果显示HA涂层均匀分布，厚度200～300 nm，实现了支架全覆盖，显著提高了支架的力学性能，涂层的多孔结构有利于骨细胞的早期黏附，能有效刺激新骨的形成[9]。

2)磷酸钙。这种生物材料是包含磷酸三钙、磷酸四钙等钙磷化合物的一类总称，其成份与骨组织的无机成份相似，并且具有良好的生物性能，被广泛用于骨组织工程的研究之中。磷酸三钙最为多见，由HA及磷酸三钙制成的两相磷酸钙生物陶瓷也成为了研究的热点[19]。β-磷酸三钙(β-TCP)是一种广泛应用的生物材料，具有良好的生物活性、骨传导性、生物相容性和降解性。这种物质也模仿了天然骨的矿物成分，为骨组织的成骨、骨整合和引导再生提供了良好的环境，常被用于骨组织工程中。大量研究表明，β-TCP的填入，使得支架的表面粗糙度、孔隙率和润湿性增加，有利于成骨细胞的黏附繁殖[13-14,20-21]，但也有学者提出，整合使支架的表面硬度有所下降、脆性增加[14]，因此对于β-TCP加入量的控制显得尤为重要。Shim等[22]用赖L-氨酸处理制备的PCL支架，得到氨化PCL支架，用肝素-多巴胺(Hep-DOPA)对两相磷酸钙纳米颗粒(BCPNPs)进行修饰，得到BCPNPs阴性带电表面， 然后通过静电相互作用，将BCPNPs固定在胺化PCL支架的表面，制备BCP纳米涂层，较大程度地促进了成骨细胞活性以及矿化能力。

3)生物活性玻璃颗粒。生物活性玻璃(bioactive glass，BG)最早由Hench教授提出，他开发的硅酸盐基45S5玻璃主要成分为SiO2(45%)-Na2O(24.5%)-CaO(24.5%)-P2O5(6%)；研究发现，当 45S5 活性玻璃植入体内与体液接触后，玻璃表面与宿主骨形成牢固的化学键合，形成类似于HA层的结构，具有良好的骨传导性和生物活性，所以被广泛用于成骨研究[23-25]。为了克服硅酸盐BG降解速率慢的缺点，硼酸盐BG随后也被研制出来，其生物活性更高，且可通过调整硼酸盐的含量，对整个BG材料的降解速率进行控制[24]。Tamjid 等[15]通过有机溶剂溶解PCL，再将不同直径大小(<100 nm，250 nm，6 μm)的生物活性玻璃混入其中制备支架，结果发现：纳米级生物活性玻璃颗粒的掺入明显改善了支架的生物活性，而微米级生物活性玻璃的嵌入主要使支架的机械性能有所提升。Murphy及其同事[16]成功制备了PCL/硼酸生物玻璃支架，发现随着支架的降解，生物活性玻璃可缓释长达14天，结果显示支架内部有大量的血管生成。

4)碳纳米材料。它是指尺寸在1～100 nm、主要由碳构成的材料，包括碳纳米泡沫、碳纳米管(CNT)、石墨烯等，由于其具有特殊的物理和化学性质，近年来在组织工程领域走进了人们的视野之中。Huang等[26]通过熔融混合的方法，制备了含有0.25、0.75 和 3 wt%CNT的PCL支架，结果表明CNTs加入PCL基体改变了支架的表面特性，提高CNTs的浓度会改变晶体结构；在含有3wt% CNTs的支架中，观察到较高的结晶度，具有相对接近松质骨的压缩模量(88 MPa)，说明CNT的加入有效促进细胞的黏附及蛋白的附着，提高了支架的成骨性能。亦有学者制备了PCL/HA/CNT复合支架，指出含有2 wt%CNT的支架具有最佳的力学性能和骨传导性[11]。Unagolla等[27]将PCL通过有机溶剂溶解后混入氧化石墨烯(GO)，3D打印制备了PCL/GO支架，发现少量氧化石墨烯的加入对支架的抗压强度没有明显影响，但可增加细胞附着和增殖。除此之外，Coleman等[28]发现，结合可降解聚合物，碳纳米材料的掺入可获得具有改善力学性能的电活性结构，从而直接将外界的微电流刺激传递给支架上的细胞。Wang等[29]将PCL与石墨烯混合制备支架，在大鼠颅骨缺损实验中，配合采用外源性微电流刺激PCL/石墨烯支架，结果表明：石墨烯的存在提高了支架的电活性，使其在微电流刺激下能促进蛋白质吸附和新组织的形成，调节骨的重塑。

总的来说，无机材料的填入通常增强了PCL基复合支架的机械性能，纳米颗粒材料涂层直接改善支架表面活性；随着材料的降解，大量钙、磷等活性成分的析出，又能进一步地改善支架的生物性能，赋予支架成骨诱导性，从而提高支架的成骨性能。

2 PCL复合水凝胶、胶原

天然水凝胶具有良好的有良好的生物相容性、生物降解性、多孔结构和内在抗菌性，但单纯的水凝胶支架其机械性能较差，不能承载骨植入物；PCL打印支架具有抗压强度[30-31]，引起了人们对PCL纤维增强的细胞负载水凝胶生物墨水3D生物打印的极大兴趣[32]。结合上述这两种材料，细胞可以在3D生物打印过程中准确地扩散到支架上。有研究表明，在临床植入前将细胞注射到支架的孔隙中，体内显示能够有效地促进成骨生长[33]。可用于细胞加载的水凝胶材料有很多，如海藻酸盐、琼脂糖、透明质酸、甲基丙烯酸明胶(GelMA)和BioINK(一种基于PEGMA的水凝胶)[32,37]。Andrew等[32]比较了这4种的水凝胶用于3D打印PCL复合支架在体外形成透明软骨或纤维软骨的能力，证明海藻酸盐和琼脂糖水凝胶能较好地支持透明软骨的形成，而GelMA和BioINK则支持纤维软骨样组织的形成。另外，Bahcecioglu等[36]通过3D打印，用PCL支架结合琼脂糖和GelMA水凝胶构建半月板，这种工程半月板在内侧呈软骨样，外侧呈纤维软骨样，具有替代全半月板置换的潜力。Stichler等[37]用紫外光照交联的方法，制备透明质酸/聚(甘油酸)混合水凝胶，负载人和马间充质干细胞后，通过双喷头3D打印技术，制备了PCL基支架系统，21天后细胞表现出良好的软骨分化前景。由此可见，将PCL与水凝胶复合，弥补了水凝胶机械性能差的缺点，同时水凝胶的存在更适于细胞的生长与繁殖。由于PCL的高度可塑性，结合3D打印技术，可使体外构建个性化仿生组织成为现实。

胶原蛋白已被广泛认为是促进各种组织再生的非常有前途的材料，它是细胞外基质的主要成分，具有良好的促细胞黏附及增殖的作用，其上有多种细胞特异性结合位点，对细胞功能有重要的调控作用，常被用作支架的表面修饰材料。有学者用化学交联的方法在PCL支架上制备了I型胶原涂层，结果表明这种涂层对支架的机械性能没有明显影响，同时极大促进了细胞的黏附与增殖[38-39]。有学者通过静电纺丝技术在PCL支架上制备了胶原微丝，在电镜下观察可见，支架表面以及间隙之间有大量胶原微丝附着，大大提高了支架的亲水性及生物活性[40]。

3 PCL复合金属元素

为进一步地提升支架的成骨性能，部分金属元素已被用于生物医学领域。金纳米粒子(GNPs)具有极高的生物相容性及较低的生物毒性，已成为研究的热点之一[41]，它具有促进成骨分化的能力，在骨组织工程中得到了广泛的应用。已有研究表明，金纳米粒子的成骨机制主要包括自噬通路、ERK/MAPK 通路以及p38/MARK通路[42-46]。已有学者进行研究，将金纳米涂层应用到了口腔种植体改性之中[47]。Lee[48]等通过3D打印出PCL支架，在其表面制备出聚多巴胺涂层，再将支架浸泡于不同浓度的HAuCl4中，用聚多巴胺作为还原剂，使纳米金颗粒沉积在支架表面，由此赋予支架良好的成骨分化能力。锂离子一直被用作为情绪安定剂，近年来被发现可以抑制GSK-3乙酰基化酶的活性，以保护β-连环蛋白不被降解，还可激活Sonic Hedgehog信号通路，从而促进成骨，抑制骨质的持续丢失，另外锂还具有促进血管生成的作用[49-52]。有研究者将PCL和碳酸锂粉末混合，通过熔融沉积3D打印技术制备出支架，发现锂的掺入保持了支架的力学性能，且测得超过7天的锂离子持续释放时间；细胞培养结果显示，锂的局部释放对巨噬细胞产生巨大作用，导致免疫调节因子明显上调，促炎因子降低，且大大抑制了破骨细胞的活性[53]。锶作为人类骨骼中的重要亲骨性元素，能够促进骨骼愈合，增大骨强度。大量的研究证实，掺锶磷酸盐、掺锶纳米羟基磷灰石、掺锶多孔生物活性玻璃能提高骨移植替代材料的成骨分化能力，且在牙周再生方面有一定潜力[54-57]。有学者用PCL和锶掺杂的生物活性玻璃制备支架，发现PCL的缓慢降解能够保证锶离子的缓慢释放，表现出较低的细胞毒性作用，明显上调成骨相关基因，促进骨的分化，有望成为骨科手术中的骨替代品[58]。

此外，在机体骨重建与改建的过程中，感染控制尤为重要。银离子良好的抗菌作用已被大量研究证实。Shao等[59]将PCL与不同比例Ag3PO4混合制备支架，银离子持续释放达6 天以上，细菌共培养显示，支架对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌表现出明显的抑制，提示载银离子支架对骨移植区域感染的早期控制或可发挥重要作用。

4 PCL复合小分子药物

为了获得更好的临床效果，不少学者在支架制备过程中向支架上负载治疗药物，随着PCL的缓慢降解，实现药物的局部长期缓释，发挥药效的作用。同时，相比口服给药，局部给药也极大地提高了药物的利用效率。双磷酸盐类药物作为临床治疗骨质疏松的一线药物，如唑来磷酸钠、阿伦磷酸钠、利塞磷酸钠等，是抑制骨吸收的代表药物；临床药理学研究表明，双磷酸盐与羟基磷灰石的亲和力是其作为异位钙化和骨吸收抑制剂的基础[60-61]。已有研究者将双磷酸盐类药物混入到生物活性玻璃颗粒中，证实混合颗粒具有比生物玻璃本身更强的再生骨缺陷的能力[62-63]。Terzopoulou等将伊班磷酸钠与生物活性玻璃颗粒混合后整合至PCL支架中，证实支架具有更高的成骨潜力[64]。也有学者[65]通过有机溶剂混溶的方式，成功制成药物含量的质量分数为1%和5%的PCL/阿仑磷酸钠支架，药物可随PCL的降解而得到缓慢释放，细胞实验结果显示，碱性磷酸酶(ALP)活性和钙含量呈药物剂量依赖性增加。除双磷酸盐类药物外，有研究显示，在35℃水浴情况下充分溶解PCL之后，在PCL溶液中直接加入不同质量的左氧氟沙星，头几天药物释放快速，随后持续缓慢释放，长达5周的时间[66]。Govender等[67]用聚乙烯醇-聚丙烯酸(PVA-PAA)水凝胶包裹吲哚美辛钠，在PCL支架间隙处制备成膜，第8 h药物释放率达到(83.36%±1.88%)，赋予支架抗炎镇痛作用。另外，利多卡因粉剂也被加载到PCL支架，以达到临床镇痛的作用，实现了利多卡因4～7天的持续缓释[59]。

5 PCL复合生物活性分子

骨组织工程支架为细胞黏附和增殖提供了一种支持结构，而细胞的活动是由微环境中的各种成分介导的，包括蛋白质、蛋白多糖和细胞因子等[68-69]。为了能够使骨细胞更好地发挥作用，用生物活性成分对支架进行修饰引起了学者们的极大的兴趣。

在Jang等的研究[70]中，他们在3D打印的PCL支架上制备了海藻酸盐/骨形态发生蛋白2(BMP-2)涂层，并在体内外实验的基础上证明，使用低剂量的BMP-2可以显著促进成骨。Hamlet等[71]用透明质酸包裹BMP-7，在PCL支架上实现了细胞体外三维培养，6周后发现矿化胶原基质形成，体内实验4周后见大量类骨质生成，说明BMP-7的修饰显著促进了成骨分化。同时，Kim等[72]也分别用BMP-2与富血小板血浆(PRP)修饰支架，评价其促进成骨的能力，并得出结论认为BMP-2更有效[72]。为了提高支架材料植入后的成血管能力，Eric等[73]构建了含有血管内皮生长因子(VEGF)微球的PCL支架，并将成纤维细胞生长因子2(FGF-2)加载到支架上，证明其内血管长入数量和血管通透性明显高于对照组的情况。同时，质粒DNA也被负载到支架上，有学者利用RGD-γ射线照射交联的方法，将海藻酸钠、纳米羟基磷灰石(nHPA)与质粒DNA(p DNA)络合，成功研制了一种基因活化的生物墨水。该墨水包埋骨髓间充质干细胞后，支架随后被植入皮下，呈现较高水平的血管化和矿化能力[74]。除此之外，精氨酸甘氨酸天冬氨酸(RGD)肽[75]、脐带血清[70]也被用来修饰支架，结果显示明显提高了支架的生物活性。

6 结论

综上可见，本文主要概述了PCL与多种材料结合形成复合支架在骨组织工程领域中的应用。为改善PCL复合支架的理化性能，多种材料成为众多学者的选择。为了使力学性能增强，钙磷类无机填料料及生物活性玻璃常以共混的方式被加入到PCL中，通过改变PCL支架的内部构成来提高支架强度[8-11,15]。针对PCL亲水性差的的问题，制备了亲水涂层[9,20]，从而提升了支架的表面性能，增加支架表面的孔隙率、粗糙度等，使支架的亲水性增加；同时，在PCL支架中结合带有亲水基团(如羟基、羧基等)的聚合物材料，也能有效改善支架的亲水性[77]。而碳纳米材料的填入增强了支架的电传导性，通过微电流刺激的方式提高PCL复合支架的成骨性能[28,31]。某种活性成分的填入，往往可以改善PCL复合支架多种性能，TCP、HAP、生物活性玻璃等与PCL结合，在改善复合骨组织工程支架力学性能的同时，钙、磷的析出可增强支架局部微环境的矿化能力，模拟天然骨基质，从而又提高支架的成骨潜能；而BMP-2、BMP-7等生活活性分子的加载，主要增强了支架的成骨诱导性，从而提高了支架的成骨性能[70-72]。现将PCL复合支架性能改善常见材料选择归纳于表1中。

表1 PCL复合支架性能改善常见材料选择

Tab.1 The common material choices for CPL composite scaffolds

为进一步提高支架的生物活性，水凝胶的应用使3D生物打印成为现实，细胞可包裹其内而直接打印到支架上，实现细胞的精准定位，成为近年来研究的热点；同时，PCL复合支架也可作为药物释放的载体，实现局部释药发挥药效作用。除此之外，其他生物活性分子，如蛋白、金属纳米颗粒和细胞因子等，也常被添加到支架中。

PCL复合支架用于骨或软骨组织工程的体内研究已经证明，该材料具有成骨潜力。然而，这些研究主要是在小动物(通常是大鼠和兔子)身上进行的，几乎没有进入人体试验阶段，还不能充分预测人类的临床应用效果。因此，复合PCL基骨组织

工程支架真正用于解决临床问题仍然有一定距离。但在未来的研究中，PCL仍是一种很有前途的生物材料。未来，希望能够开发出机械性能良好、可直接用于干细胞移植的3D复合支架，这需要进一步的探索与研究。