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【关键词】 软组织移植
解决软组织移植物和骨组织之间难以牢固愈合的问题是骨组织工程学中的一项重要难题。一个缓冲界面的出现对于修复韧带和肌腱病损应用的移植物的远期成功率非常重要。骨和软组织通过二者之间的界面组织连接，其主要的功能是使2种不同类型组织之间的复杂的载荷和应变重新分布。同时，对于象肌腱和韧带这样缺乏血管的组织，界面组织还可以起到输送养分和细胞的中转站作用。在韧带、肌腱损伤的修复重建术后以及初期愈合阶段，移植物和骨间的界面是生物力学最薄弱的地方。但目前的软组织移植物还不能恢复正常交界组织特有的结构和功能。以下以前交叉韧带(ACL)为例说明韧带—骨交界处的结构和力学特点。
1 界面组织的结构和力学特点
ACL通过胶原纤维与矿化组织相连，这种连接是以一种逐渐过渡的组织形式体现出来的。组织结构上可以分为4个区域：韧带、纤维软骨、矿化的纤维软骨和骨。在此区域内可以检测到Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅸ和X型胶原［1,2］。 Ⅰ、Ⅱ型胶原含量最高，前者主要位于韧带和骨区域内，由细小网状纤维构成的Ⅲ型胶原位于I型胶原束之间；后者与Ⅸ、Ⅹ型胶原主要分布在纤维软骨和矿化的纤维软骨区域内，其中Ⅹ型胶原作为软骨细胞肥大和矿化的特异性标记物，只能在矿化的纤维软骨区域内被发现。从软组织到坚硬的骨组织间界面组织的区域性变化被认为有利于防止出现组织性质的突然性改变和附着点的应力集中。胶原成分的变化认为是决定界面组织力学特性差别的决定因素。
由于界面组织只有500 μm～1 mm宽，因此直接测量其应力和应变很困难，所以目前关于界面组织的力学特性了解不多。Spakazzi等［3］通过超声成像技术对ACL、ACL与骨交界部位持续张应力作用下的应变情况进行检测，发现最大的应变位于界面组织处，同时发现界面组织内部应变的发生也不一致，从韧带到骨方向应变值逐渐递减，这些结果使作者认为在组织工程韧带的设计上应该具有不均一性。值得关注的是主要由矿化或未矿化的纤维软骨构成的界面组织，有利于压缩载荷的传导，而力学因素对于界面组织中纤维软骨区域的发生和维持，又起了不可缺少的作用［4］。纤维软骨区坚实度逐渐递增的特性，可以减少失败的机率。Thomopoulos等［5］研究发现界面组织内的胶原纤维与韧带内不同，其平均角度轻度偏离韧带长轴，据此推断可以起到防止由于局部应力集中而造成破裂的作用。
以上研究结果表明ACL-骨交界处组织的结构可能与界面组织的力学特性和其所承担的功能有关。因此，研制富含非钙化及钙化的纤维软骨成分的组织工程界面组织移植物或许可以促进ACL移植物与骨的牢固连接。并且，这种界面组织移植物应该具有从韧带到松质骨小梁逐渐变化的力学特性。
2 ACL重建术后的韧带—骨愈合
深入理解韧带—骨愈合的生物学过程对研制适合的界面组织工程移植物很重要。目前关于ACL重建术后界面组织生化成分和功能的研究报道不多。Goradia等［6］通过山羊半腱肌重建ACL动物模型发现腱与骨的直接连接发生在术后24周，移植物和连接组织纠缠在一起并被固定在骨上，起到连接固定作用的胶原纤维具有类似于Sharpey’s纤维的外表，但是这种愈合形成的界面组织与正常的ACL界面组织在强度方面仍存在很大差异。Petersen等［7］在对分别用腘绳肌腱和髌韧带重建ACL病人进行翻修术时取材并进行组织学检查，发现腘绳肌腱重建ACL的界面组织结构偏向于纤维性的，而髌韧带重建ACL的界面组织结构偏向于软骨性的，据此认为髌韧带比腘绳肌腱更适用于ACL的重建。Weiler等［8］在山羊动物模型中通过聚乳酸可吸收螺钉将腱性移植物加压固定在解剖位置上，发现移植物与骨性管道之间只是部分的形成了纤维性的连接组织，据此认为当腱性移植物与骨之间被施加了压力的时候，二者之间的直接接触愈合或许是有可能的，不用再形成纤维性的过渡区域。徐钢等［9］观察了低强度超声对韧带-骨交界部位恢复的影响，发现纤维母细胞、成骨细胞增生活跃。Qin L等［10］和Lu H等［11］研究发现低强度超声对交界部位愈合过程中的新骨、纤维软骨、软骨性化生、肌腱中的基质硬度均有增强的作用，提示低强度超声可以促进交界部位的早期恢复。
以上研究对韧带—骨愈合过程提供了有价值的信息，同时也说明对界面组织还有必要进行深入研究。但值得强调的是，在大多数研究中，不论有没有固定的条件下，韧带—骨愈合并不是通过和正常的ACL-骨交界区类似的正常的过渡组织的彻底重建实现的。由于在腱性移植物与骨之间不能完全从结构和功能上复制正常的界面组织，必然会削弱移植物传递机械应力到骨的能力，从而导致软组织和骨之间的界面组织的应力集中。
3 界面组织工程移植物的研究策略
在体外实验中组织工程学通过提供功能性组织移植物实现生物性再生，从而具备了成为解决目前存在的与ACL重建相关问题的有效方法的潜能。上面已经讨论过移植物和骨的交界处是初期愈合的最薄弱点，最近ACL组织工程学研究的重点开始放在考虑如何促进移植物与骨的愈合上。
3.1 界面组织工程学中的多相支架系统
界面组织工程学中的支架设计很重要，因为在修复的早期阶段，好的支持底物对于维持移植物机械强度、提供结构支持和有利的生长环境很重要。以正常的界面组织为参考，模拟设计多相支架系统，让其具备梯度化学成分、结构性质和力学性质，有利于维持交界区域复杂的应力、应变传递作用，并有利于多组织成份的生长、连接。目前在界面组织工程中进行多相支架的研究报导很少。
多相支架应该拥有分别具备有利于韧带组织形成和骨组织形成的功能区域，从而可以促进软组织和骨的连接固定。如果能设计出在细胞类型、密度和胶原分布的区域性变化方面适合的多相支架，就可以得到功能性的拟生态的支架系统。在这种具有梯度变化特性的支架上共培养成骨细胞、韧带纤维细胞，就可以获得由多种组织而不是单一组织构成的移植物。Cooper等［12］和Lu等［13］应用可生物降解聚乙烯纤维编织成三维支架，此支架分为3个部分，中间区具有较高的孔隙率而有利于韧带的生长，两边的骨附着部分具有较小的孔隙直径和较低的孔隙率，体外、体内研究显示这种支架促进了兔ACL细胞的附着和生长。
3.2 体外细胞共培养模型的现状
在构成正常ACL附着点的4个不同区域形成的过程中，可以发现以下几种细胞类型：韧带纤维细胞、软骨细胞、肥大软骨细胞、成骨细胞、破骨细胞和骨细胞。在功能性交界组织形成的过程中，各类型细胞之间的相互作用很关键。多类型细胞的引进和独特的共培养系统的研究对于促进目前界面组织工程的发展很重要，并会有助于加深界面组织发展过程的理解。
目前关于共培养系统的文献不多，尤其是关于肌肉骨骼系统的。Spalaazzi等［14］报导了对成骨细胞一韧带纤维细胞共培养的初步研究成果。培养14 d时，韧带纤维细胞和成骨细胞都增殖并扩展出了初期的培养区域，彼此接触形成一连续、难以分开的交界区域。Jiang等［15］研究了犬成骨细胞和软骨细胞在3维多聚陶瓷支架上共培养的情况，发现软骨细胞Ⅱ型胶原和氨基葡聚糖的分泌、成骨细胞碱性磷酸酶的分泌得以维持，但是氨基葡聚糖的沉积和成骨细胞介导的基质矿化速度明显低于单独培养组，表明这种共培养系统促进了软骨源性细胞表型的维持。并逐渐发生了更大量的细胞增值和间质形成。这表明对组织工程支架共培养系统中细胞间相互反应的深入研究是有必要的，这将为界面组织工程支架的研究提供有价值的信息，促进将共培养系统和多相支架配合应用的实现。
4 总结和远期展望
界面组织工程是一个相对较新的领域，尚有许多问题亟待解决。由于目前存在ACL移植物亚临床满意率以及移植物不能和骨牢固连接方面的原因，因而促进了界面组织工程的兴起。对韧带—骨交界组织从纳米水平到肉眼观水平的系统研究肯定会促进新型ACL移植物的设计，共培养系统和多相支架系统的发展对于目前的界面组织工程学必将起到推动作用。通过设计具有适合的细胞类型、细胞密度和胶原分布的区域性变化的多相支架系统，应该可以获得功能性的组织工程移植物。
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作者单位：(第二军医大学附属长征医院骨科关节外科中心，上海 200003)