作者：湖北中医药大学针灸骨伤学院      曹莘

腰痛是一种常见的临床症状，它往往影响着人们的工作和生活。据统计，腰痛的发病率在全球各种肌肉骨骼疾病中位居第一。椎间盘退变是引起腰痛的重要原因之一。引起椎间盘退变的原因可能与衰老、炎症、细胞凋亡、活性氧及线粒体功能障碍等因素有关。椎间盘退变常始于髓核，继而引起纤维环的损伤。纤维环损伤和炎症是加速椎间盘退变的主要因素。

椎间盘由髓核、纤维环和软骨终板组成。其中，纤维环的作用主要是限制髓核的突出，保证椎间盘结构和功能的完整。纤维环的主要成分是水、Ⅰ型和Ⅱ型胶原纤维、蛋白聚糖及其他蛋白质。纤维环可分为外纤维环（主要对抗张力和剪切力）和内纤维环（主要对抗压力），两层呈渐进性变化。有很多因素会导致纤维环损伤，如衰老、机械载荷、医源性损伤等。传统的纤维环破裂治疗方法（如手术疗法）虽能减轻症状，但会进一步破坏椎间盘的结构，加速椎间盘退变。组织工程旨在通过构建符合椎间盘纤维环结构与功能的植入体，来恢复纤维环的完整性和生理功能。其中支架的作用主要是为细胞提供生存和增殖的空间，同时作为载体将相关细胞植入受损椎间盘组织中，对纤维环进行修复。本文主要总结了通过生物支架修复纤维环的相关成果，以期为未来该领域的研究方向和成果转化提供参考和思路。

纤维环修复的途径

椎间盘是人体内最大的无脉管结构，与身体其他具有自我更新能力的组织器官不同，其内部细胞获取氧气与营养物质的方式主要依赖于邻近椎体的血管中汲取相应物质。因此外源性干细胞很难顺利抵达椎间盘组织内部。同时，椎间盘的微环境不利于干细胞的迁移、黏附和分化。因此，椎间盘组织难以自行修复并容易发生退变。纤维环修复的手段主要是手术修复和射频热疗。射频热疗适用于纤维环破坏程度较轻的患者，对于纤维环完全撕裂的患者效果较差。手术修复常用的术式有椎板开窗纤维环缝合、显微内镜下纤维环缝合、经皮椎间孔镜下纤维环缝合、单侧双通道脊柱内镜下纤维环缝合。但无论采用哪种术式只能做到机械闭合，无法恢复纤维环的生理结构，无法让退变纤维环中的细胞外基质环境恢复至正常，无法弥补缺失的功能性细胞和组织，因此修复后椎间盘承受压力的能力会较前减退。同时，在手术修补的过程中，不可避免会对纤维环造成新的伤害。手术还可能引起术中神经损伤、加速相邻椎间盘退变等不良后果。所以，单纯通过手术修复纤维环无法取得满意的效果。

纤维环作为固定髓核、承载椎间盘压力的重要结构，受损后会影响脊柱的正常活动功能。由于纤维环自身的修复能力较弱，射频消融与手术修复又有着各自的局限性，对于新修复手段的探索显得至关重要。组织工程在纤维环修复领域已经获得一定研究进展。其核心在于将种子细胞和支架植入纤维环缺损的部位，通过细胞再生使纤维环得到生物学修复，最终恢复正常的生理功能。其中，支架能填补纤维环缺损，为后续种子细胞的植入、生长分化，细胞外基质（ECM）的重生奠定结构基础。

各类生物支架材料的特点与比较

在纤维环修复中，支架的核心功能是为细胞的附着及组织的生长营造稳固的结构支撑环境，对整个修复过程起到关键的基础性作用。一个理想的组织工程纤维环支架，要具备以下特点：①生物相容性；②可降解性；③良好的力学特性。支架的材料可大致分为天然材料、合成材料和水凝胶。

天然材料       天然材料本身即是椎间盘细胞外基质的组成部分，具有亲水性好、易于大规模生产、生物相容性好、降解产物无毒性等优点，临床得到了广泛应用。常用材料包括细胞外基质、脱矿脱细胞骨基质环、海藻酸钠、壳聚糖、琼脂、透明质酸及丝素等。SaghariFard等研究了一种由可吸收的聚乙醇酸（PGA）和透明质酸（HA）制成的支架，用于修复绵羊椎间盘纤维环缺陷，实验得出该支架在蛋白聚糖染色、修复组织结构方面有着显著优势，并且未出现囊肿变性、血管周围浸润、炎症和坏死等现象。这些初步结果表明，PGA-HA支架可能对人类纤维环破裂后的修复组织形成有类似效果。

Borem等从脱细胞猪心包膜制备角铺层生物材料支架（AFRP），并在AFRP中添加糖胺聚糖（GAG）基的层间基质，使实验组的蠕变位移、阻尼系数、轴向运动范围等参数恢复至正常水平，说明AFRP可恢复因环形损伤而显著改变的轴向运动学参数，有良好的抗冲击能力和防止椎间盘突出的能力，并有助于恢复脊柱运动学。Jin等从新鲜牛尾中获取纤维环组织，通过对脱细胞化和干燥方法的优化，制备出具有良好生物相容性和类似天然纤维环结构与性能的支架；通过单轴压缩试验得出的该支架弹性模量与天然纤维环相似；电镜下可见排列整齐的多孔结构；与未经特殊处理的对照组相比，支架植入后未出现异物肉芽肿炎症和血管化，仅有少量T细胞和巨噬细胞，具有免疫原性低的特点，是纤维环再生的潜在生物材料。

Yu等用大鼠椎间盘细胞进行实验发现，载有岩藻依聚糖的聚（醚碳酸酯聚氨酯）脲纳米纤维支架［F-PECUU］可通过改善退变椎间盘的微环境，促进纤维环修复，岩藻依聚糖可调节椎间盘微环境，促进纤维环来源干细胞（AFSCs）增殖和细胞外基质合成，F-PECUU支架在体内可维持椎间盘高度和含水量，降低纤维环细胞（AFCs）中的活性氧水平，显著降低炎症因子、基质金属蛋白酶和聚糖酶基因的表达，提高抗氧化蛋白、主要细胞外基质基因的表达；影像学上，椎间盘高度指数和相对含水量与正常组织相近（分别为75%和85%）；其纤维环（AF）组织结构与压缩性能均接近正常椎间盘。天然材料虽然生物相容性好，但是其生物力学性能较差，往往难以满足椎间盘的压力负荷要求，容易因长期压缩后结构破坏而失效。而且天然材料的免疫原性强，在临床使用前常需要进行去细胞化。目前的天然材料还无法满足纤维环修复所需的生物支架材料，仍需探索具有良好力学性能的新材料（见表1）。

合成材料      与天然材料相比，合成材料有着更优秀的力学性能，无免疫原性，而且方便加工，可以在生产过程中精细调节理化性质，具有极高的可塑性和可控性。目前用于纤维环修复的合成材料主要包括聚己内酯、聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸/乙醇酸、聚氨酯等。张维昊等研究发现，将聚二恶烷酮添加入聚己内酯中，能够使其满足纤维环对于力学性能及生物相容性方面的要求，并且有效规避了单纯采用聚己内酯时所存在的降解过慢这一缺陷。另外，该团队开创性地选取不同比例的聚己内酯与聚二恶烷酮混合物作为原材料，借助熔融纺丝技术成功制备出了纤维环支架，其中聚己内酯/聚二恶烷酮70/30和50/50组支架在结构、降解性、力学性能和生物相容性等方面表现良好，适合用于组织工程纤维环支架构建。何冠宇等将兔纤维环细胞接种于采用反向致孔技术制备的取向微通道丝素蛋白支架上，分析细胞在支架上的存活能力和增殖情况，得到取向微通道丝素支架的孔隙率为（89.0±3.3）%，压缩模量为（2.65±0.11）kPa，与对照支架比较差异有统计学意义（P＜0.05），能够模拟天然纤维环的结构，拥有良好的力学性能；镜下见其细胞可迁移至支架内约150μm深度，CCK-8检测显示吸光度显著高于对照组，提示其具有良好的生物相容性，是构建纤维环支架合适的生物支架。

Zhang等利用湿纺法和层压分层组装制备了角度铺层多层聚己内酯/丝素蛋白（PCL/SF）复合纤维环支架，电镜显示AF细胞附着在PCL/SF微纤维条带表面并沿微纤维方向扩散，CCK-8的吸光值从第1～7d逐渐增加，表明支架支持细胞增殖且无细胞毒性，引导细胞和细胞外基质形成有序结构，与天然纤维环组织结构相似，为椎间盘的生物材料治疗提供了新思路。Zhu等运用3D打印和静电纺丝构建的仿生人工椎间盘支架，其拉伸模量均高于天然纤维环阈值，可满足椎间盘复杂力学环境要求；在动物实验中，实验组在6个月观察期内均成功维持了80%以上的椎间盘高度；组织学方面，在1个月和6个月时，胶原蛋白和蛋白聚糖在纤维环和髓核部分显著分布，且含量高于天然椎间盘，表明该支架可维持椎间盘高度，促进蛋白聚糖沉积，是退变或损伤椎间盘再生的潜在候选材料。Zheng等通过同轴静电纺丝制备的全氟三丁胺（PFTBA）核壳氧供应支架，可释放氧气保护AFSCs，促进细胞迁移和细胞外基质再生，预防椎间盘切除术后退变，为纤维环修复提供了新的策略。但其存在着局限性，如难以测量体内组织的氧气水平，需进一步在大动物模型中研究。Liu等基于高分辨率电液动力3D打印技术，以聚己内酯为核心材料制备的仿生纤维环支架，其核心设计为“x”型角铺设结构，模拟天然纤维环中胶原纤维与水平层呈30°～45°交错的特征，经有限元分析验证，相比传统“+”型（纤维0°/90°排列）支架更利于力的分散、降低失效风险。该支架生物相容性良好，体外可支持纤维环细胞黏附、生长并形成类天然纤维环的结构；植入大鼠尾椎后，能维持椎间盘高度、减少髓核含水量流失、部分恢复椎间盘生物力学功能，还可与邻近组织良好整合并促进新组织形成。Chuah等的研究中，采用了“无支架”策略，聚二甲基硅氧烷（PDMS）并非最终的组织支架，而是临时的细胞培养基底。

PDMS的作用是帮助诱导细胞按特定方向排列：其被制成带微沟槽的结构，让骨髓基质细胞在上面形成定向的细胞片，后续这些细胞片会被组装成纤维环样组织。待细胞片组装完成后，PDMS会被移除，避免了传统支架可能带来的降解毒性、组织层间障碍等问题，为纤维环修复提供了新的可能。合成材料虽然有效克服了天然材料力学性能不足的缺点，但其生物活性低、细胞亲和力差并且容易引起异物炎症反应，目前还不是用于修复纤维环的理想支架材料（见表2）。未来的研究应着手于提高合成材料的生物相容性，并改进材料的制备工艺。

水凝胶     水凝胶（hydrogel）是一类具有三维网络结构的高分子聚合物，它具有吸水性、溶胀性和生物相容性。在组织工程中，水凝胶可以作为细胞的载体和生长环境，为细胞提供三维的支撑和营养物质的传输通道，促进细胞的增殖、分化和组织的再生。作为支架的凝胶材料，因其具有高强度的粘连性，常用于封堵纤维环的缺损，但因其力学强度有限，目前多数情况下会选择将水凝胶材料和其他复合材料进行交联处理后再投入使用。京尼平因其细胞毒性较低且具有较好的生物学稳定性，现被广泛用于关节软骨及椎间盘组织工程的研究。

Sloan等采用了联合治疗策略，通过注射透明质酸（HA）增强髓核细胞和使用光交联胶原贴片修复纤维环，在绵羊腰椎间盘切除术后预防椎间盘退变，实验结果表明，联合治疗组的椎间盘在退变程度、缺损组织填充、力学性能等方面均优于对照组，具有很大的研究潜力。脱细胞纤维环基质（DAFM）与天然纤维环结构相似，是理想的支架材料，但其机械性能差，Liu等将经处理制备DAFM溶液，与壳聚糖、京尼平溶液混合冻干成水凝胶，经实验发现含碱性成纤维细胞生长因子的DAFM/壳聚糖杂化水凝胶能提高表达的Ⅰ型和Ⅱ型胶原蛋白与聚集蛋白聚糖基因水平，分泌更多的相应蛋白和糖胺聚糖，有望成为纤维环支架的理想材料。DiStefano等开发了一种由双修饰糖胺聚糖和互穿网络水凝胶组成的两部分生物材料修复策略，并在体外牛椎间盘模型中进行了评估，通过优化水凝胶与纤维环组织的界面黏附强度及选择合适的水凝胶弹性，实现了较好的修复效果和较低的突出风险。Panebianco等开发了一种结合了细胞负载的氧化海藻酸钠微珠和京尼平交联纤维蛋白的材料，在大型动物椎间盘器官培养模型中，能有效修复椎间盘损伤，降低突出风险，恢复椎间盘高度和动态刚度，促进细胞存活和细胞外基质合成，防止椎间盘退变。

Peng等开发了一种可注射的京尼平交联脱细胞纤维环水凝胶（g-DAF-G），并对其性能进行了评估，影像和组织学分析结果显示，该水凝胶能恢复髓核水分含量和椎间盘结构，在诱导人间充质干细胞向纤维环细胞分化及椎间盘再生方面为纤维环损伤修复提供了一种新的治疗选择。Yang等为解决水凝胶因力学强度低、与支架界面结合薄弱而难以满足椎间盘修复需求的问题，该研究开发了一种负泊松比聚己内酯支架增强海藻酸钠/明胶混合水凝胶系统，该系统可分别模仿髓核（NP）的粘弹性与纤维环的刚度，体外实验显示其对NP细胞无毒性且支持细胞增殖，大鼠体内植入实验证实其能维持椎间盘高度并恢复椎间盘生理功能，最终表明该混合水凝胶在椎间盘修复领域具有良好应用潜力。Yadav等开发出透明质酸包被的Ⅰ型胶原（Col-ⅠHA）水凝胶支架，该支架干态拉伸强度接近天然纤维环，湿态具良好弹性与粘弹性。体外实验显示其无细胞毒性，能促进纤维环细胞与大鼠骨髓间充质干细胞定向生长、增殖，并上调ECM再生标志物；离体与在体实验表明，支架可恢复椎间盘力学性能，缓解疼痛，为椎间盘退变治疗提供生物材料新方案。Xin等为修复纤维环，研发出含单宁酸、Mn²+、载卡托辛纳米纤维及基质细胞衍生因子-1α（SDF-1α）模拟肽的水凝胶。其力学性能接近天然纤维环，能抗氧化、抗炎，还可缓慢释药促干细胞募集与软骨分化；兔体内实验证实其能维持椎间盘功能、促纤维环再生，为纤维环修复提供潜力方案。此外，正常的椎间盘需要承受拉伸、压缩、剪切、弯曲、扭转和侧屈压力，现有的水凝胶材料暂时不能满足其力学性能。目前可通过机械训练、定向冷冻、纳米颗粒填充等方法来构建高强度、高韧性的水凝胶材料。尽管凝胶技术在实验室试验取得了成功，但目前凝胶交联剂种类繁多，缺乏最佳选择（见表3）。

复合材料     在纤维环修复中，单一材料往往难以同时满足生物活性、力学性能和长期稳定性的需求。因此，部分研究团队将不同种类的材料结合在一起，充分发挥了各自的优势，一定程度上克服了单一材料的局限性。Liu等成功制备了高亲水性和高孔隙率的脱细胞纤维环基质（DAFM）/聚（醚碳酸酯聚氨酯）脲（PECUU）混合纤维电纺支架，该混合支架结合了脱细胞纤维环基质的生物活性和聚（醚碳酸酯聚氨酯）脲的力学性能；培养1周后，DAFM/PECUU支架上AFSCs分泌的Ⅰ型、Ⅱ型胶原蛋白和蛋白聚糖含量高于对照组支架，且植入兔子体内后炎症因子TNF-ɑ和IL-6基因表达低于对照支架，表明该支架是纤维环组织工程的有潜力候选者。Li等介绍了一种由3D打印热塑性聚氨酯网和坚韧水凝胶组成的复合水凝胶密封剂，用于纤维环修复研究。通过优化材料和几何设计，对其弯曲模量、断裂韧性和黏附性能评估，结果显示该密封剂在结构和力学性能上可模拟天然纤维环，具有良好的修复效果。Wei等选择氧化透明质酸（OHA）、多巴胺（dopamine,DA）、聚丙烯酰胺（PAM）构建复合水凝胶，用胶原蛋白模拟肽（CMP）修饰并添加转化生长因子β1（TGF-β1），开发了一种创新的OHA-DAPAM/CMP/TGF-β1复合水凝胶用于纤维环修复，这种混合水凝胶结合了OHA的黏附性、CMP的细胞招募能力及TGF-β1的促分化作用，具有良好的机械性能、生物黏附性和自愈合能力，可通过招募内源性细胞和调节微环境促进纤维环修复，缓解椎间盘退变。Han等通过微溶胶静电纺丝技术制备的多层纳米纤维支架，外层为聚乳酸提供力学支撑，内层负载TGF-β3和布洛芬，分别促进纤维环细胞分化和抑制炎症。在纤维环箱状缺损模型和椎间盘置换模型中，该支架均表现出良好的修复和再生效果，为椎间盘修复提供了新的思路和方法。

Jiang等受椎间盘纤维环负泊松比特性启发，成功制备了具有负泊松比的聚吡咯涂层PCL支架作为纤维环植入物，力学测试和有限元模拟显示其性能优良，体外生物分析和体内植入实验证实其具有良好生物相容性和修复椎间盘功能的潜力，为椎间盘修复提供了新选择。Tu等通过透明质酸微溶胶静电纺丝与Ⅰ型胶原（Col-Ⅰ）自组装技术，构建出可缓释碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）的层状仿生微纳米纤维支架。Col-Ⅰ在支架表面模拟ECM微环境，既提升了支架亲水性与力学强度，又为AFCs提供黏附、增殖的结构，显著促进了AFCs活性及Col-Ⅰ、Col-Ⅱ等ECM成分的表达。体内实验显示，该复合支架能维持椎间盘高度指数（DHI）与NP含水量，减少NP突出，促进缺损纤维环的修复，且无明显炎症反应，为临床治疗提供了具有潜力的组织工程方案。这些研究不仅验证了材料组合策略在生物活性与力学性能上的优势，也为纤维环修复提供了多样化的解决方案，其总结如表4所示。但复合材料仍需进一步优化各类材料的比例和组合，以最大程度上平衡力学性能和材料降解速率之间的关系。另外，运用复合材料制备生物支架配方复杂，难以大规模生产，临床转化难度大。

讨论

椎间盘退变最早作用于髓核，它会使更多负荷直接作用于纤维环，最终导致纤维环破裂。而纤维环损伤会降低椎间盘的稳定性，从而导致椎间盘突出。纤维环损伤引发的炎症反应还会导致椎间盘内微环境的紊乱，加速椎间盘的退变。尽早封闭纤维环意义重大，其一方面能够有效阻拦髓核再突出，另一方面则有助于椎间盘内压的恢复，从而为椎间盘再生构筑起有利的微环境。

本文回顾了近几年纤维环修复生物支架材料相关的研究进展，概括总结了各类材料的优缺点。但是受限于文章篇幅，未能详细阐述各类支架材料的作用原理及纤维环修复的其他组织工程方法。尽管生物支架在实验室研究中展现出修复纤维环的巨大潜力，但其临床转化仍面临以下挑战：①仿生支架依赖高精度技术（如3D打印、静电纺丝），其设备成本高、工艺复杂，难以实现大规模生产；②缺少理想的动物模型，小型动物（如大鼠）椎间盘力学负荷、尺寸与人类差异显著，大型动物（如猪、羊）成本高昂且实验周期长；③现有研究多聚焦单一指标（如椎间盘高度），缺乏整合力学、影像学、分子学及行为学的多维评价体系；④部分材料降解后的副产物可能引起局部炎症反应，对人体的安全性有待验证。未来的研究可以重点关注以下几点：①继续寻找和制备力学性能优秀、生物相容性好、耐久度高的支架材料；②开发更接近人类椎间盘环境的动物脊柱和椎间盘模型；③完善评估方法，采用更全面的指标（包括机械性能、生化指标、影像资料和临床症状等）来监测椎间盘修复情况；④进一步改进生物支架的制备、消毒、保存和植入等技术，为未来的临床转化奠定基础；⑤开展大样本、多类型动物实验，为后续临床试验提供坚实的基础数据支撑。期望早日研发出成熟的纤维环修复技术，以更好地延缓椎间盘退变的进程，为众多腰痛患者带来福音。

来源：生物骨科材料与临床研究2026年04月第23卷第2期