引用本文： 李晓龙, 孔清泉. 纤维环组织工程的发展及挑战. 中国修复重建外科杂志, 2015, 29(4): 498-502. doi: 10.7507/1002-1892.20150106 复制
椎间盘退变是临床常见病，外科治疗手段包括髓核摘除术、人工椎间盘置换术和减压固定融合术等。手术在多数情况下可缓解症状，但无法逆转退变，术后手术节段或相邻节段椎间盘退变加速，导致髓核再次突出、腰椎节段不稳、腰椎管狭窄等疾病。近年来，通过组织工程技术再生修复椎间盘成为热点。目前椎间盘组织工程多集中在髓核，但若只修复髓核而不修复纤维环，无法恢复椎间盘的正常生物力学环境，再生髓核会很快退变或加速退变。因此，髓核的再生修复需与纤维环再生修复协同，才符合生理椎间盘要求。椎间盘退变早期常伴纤维环断裂，因此利用组织工程方法构建符合生理结构与功能的纤维环是预防和治疗椎间盘退变的理想方案。纤维环组织工程通过制备良好生物相容性和可降解性的支架材料，将种子细胞种植于支架内，并添加合适的生物活性分子，模拟细胞生存所需三维环境，促进细胞表型表达，形成组织工程纤维环。本文就目前纤维环组织工程的种子细胞、 生物活性因子和支架材料三个方面进行讨论分析。
1 种子细胞
自体或同种异体纤维环细胞、MSCs均可作为纤维环组织工程的种子细胞，不同来源种子细胞各有利弊。自体或同种异体纤维环细胞均可获得免疫豁免，但细胞难以培养，易衰老，且来源有限，常需手术获取，移植中细胞状态不佳，移植后不易存活，且有诱发椎间盘退变风险。MSCs是属于中胚层的一类多能干细胞，来源广泛，可从骨髓、脂肪和滑膜等组织获取，可获得免疫豁免或仅有轻微免疫反应，是种子细胞的理想选择。但它作为种子细胞也有以下缺点：缺少细胞分化标志物；植入细胞无法附着；无法长期耐受椎间盘环境；诱发肿瘤风险。当纤维环细胞和MSCs联合培养时，MSCs可促进纤维环细胞增殖和细胞外基质合成，同时联合培养也可诱导MSCs向纤维环细胞方向分化。Tsai等[1]在细胞外基质模拟支架上联合培养人纤维环细胞和MSCs，在与纤维环细胞阳性对照组和MSCs阴性组对照研究中发现，纤维环细胞和MSCs联合培养比例分别为 2∶1、1∶1和 1∶2时，纤维环细胞标记物Sox9、Ⅰ型胶原（collagen type Ⅰ，COL1A1）、Ⅱ型胶原（collagen typeⅡ，COL2A1）、V型胶原、聚集蛋白聚糖和丝氨酸蛋白酶（HtrA1）的mRNA表达有很大差异，同时纤维环细胞能诱导MSCs向纤维环细胞系分化，分化程度与联合培养比例相关。当两者联合培养比例为2∶1时，mRNA表达水平与纤维环细胞阳性对照组最接近。可以认为，用于纤维环组织工程的纤维环细胞和MSCs联合培养最佳比例为2∶1。
2 生物活性分子
退变椎间盘中细胞活力和营养成分会明显减少，因此在构建组织工程纤维环的过程中加入生物活性分子很有必要。生物活性分子通过内分泌、旁分泌和自分泌等方式促进细胞外基质分泌、维持椎间盘内环境稳态及代谢平衡。参与椎间盘细胞外基质合成与分解代谢的生物活性分子包括生长因子、形态因子、酶抑制剂和细胞内调节剂[2]。生长因子主要有IGF-1、PDGF、EGF、FGF、NGF等，其中IGF-1主要促进氨基葡聚糖（glycosaminoglycans，GAGs）和胶原蛋白合成；PDGF和EGF促进椎间盘细胞增殖；FGF可促进纤维环细胞生长、分裂，维持纤维环细胞表型；NGF可加快椎间盘中神经、血管生长速度[3]。形态因子包括TGF-β、BMP-2、BMP-7、BMP-13、生长分化因子5（growth differentiation factor 5，GDF-5）等，BMP-2主要作用是上调胶原蛋白和聚集蛋白聚糖合成，BMP-7增加椎间盘细胞中蛋白多糖和胶原蛋白含量，BMP-12促进细胞外基质合成[4]；GDF-5增加椎间盘细胞合成代谢，TGF-β促进椎间盘细胞增殖和基质合成[3]。酶抑制剂包括金属蛋白酶组织抑制剂（tissue inhibitor of metallo-proteinases，TIMP）、抗TNF-α抗体、抗金属蛋白酶抗体等，主要作用是抑制金属蛋白酶等诱发椎间盘退变，减少基质分解[5]。细胞内调节剂包括连接蛋白合成肽（synthetic peptide of link protein，Link N）、SMADs蛋白（Sma-Mad proteins，SMADs）、Sox9蛋白、潜伏膜蛋白1（latent membrane protein 1，LMP-1）等，Sox9主要作用是增加蛋白多糖和胶原蛋白合成，Link N主要促进细胞外基质合成，LMP-1主要促进BMP-2和BMP-7分泌及细胞外基质合成，SMADs主要通过介导BMP受体信号发挥类似BMP-2作用，如增加胶原蛋白和聚集蛋白聚糖合成[3]。
Thompson等[6]在成年犬椎间盘的纤维环、髓核及两者交界区域分别加入IGF-1、EGF、 FGF和TGF-β 4种生长因子以评估细胞增殖反应，他们发现，EGF和TGF-β促进纤维环细胞增殖和GAGs合成作用优于IGF-1和FGF。富血小板血浆或血小板裂解液[7]含有高浓度的EGF和TGF-β等生长因子，可用于纤维环组织工程，促进基质合成和细胞生长。
3 生物支架
生物支架是纤维环组织工程的关键部分，支架设计原则是模拟纤维环的生理结构，要求具有纤维环组织力学性能，同时能促进细胞外基质合成。常用技术包括冷冻干燥、盐浸、编织和非编织、热诱导相分离和静电纺丝[8]，其中静电纺丝是主要技术。
纤维环生物支架材料需满足一定要求：① 良好的生物相容性、低免疫原性和生物可降解性；② 模拟天然纤维环生理组织结构；③ 有一定生物活性，可诱导细胞生长、分化；④ 有一定机械强度，符合纤维环的力学性能，有一定可塑性；⑤ 有多孔性，有利于种子细胞生长、增殖及细胞外基质合成[9]。可分为天然材料、人工合成材料和复合材料。
3.1 天然材料
天然材料在纤维环组织工程中应用广泛，具有良好的生物相容性、降解产物无明显细胞毒性等。已报道的有藻酸盐、壳聚糖、琼脂糖、胶原蛋白、蛋白多糖、丝素蛋白、脱矿骨基质、小肠黏膜下层。Shao等[10]构建藻酸盐-壳聚糖复合支架，观察到生长良好的纤维环细胞及细胞外基质分泌。胶原蛋白是纤维环内层基质的主要成分，也是理想的天然材料[11]。Bowles等[12]制作胶原凝胶蛋白支架培养羊纤维环细胞，发现纤维环细胞的排列和形状与生理状态下相似。关于纤维蛋白凝胶能否用于纤维环组织工程仍存在争议。Gruber等[13]将海绵状胶原、纤维蛋白凝胶、胶原凝胶、藻酸盐和琼脂糖分别与人纤维环细胞联合培养，并分析细胞生长及细胞外基质合成情况，发现纤维蛋白凝胶组中人纤维环细胞无法分泌细胞生长必需的聚集蛋白聚糖及6-硫酸软骨素磺基转移酶，因此认为纤维蛋白凝胶并不适用于纤维环组织工程。Sato等[14]设计了一种以胶原为原料的蜂巢形支架，接种的纤维环细胞生长良好，同时可检测到胶原蛋白和蛋白多糖分泌。Le等[15]应用猪小肠黏膜下层设计了一种支架，接种纤维环细胞后，细胞增殖良好，细胞外基质分泌增加。Schek等[16]将京尼平交联纤维蛋白凝胶用于纤维环修复，即使在超负荷应力下也表现出良好的细胞附着，培养中纤维环细胞生长缓慢，提示京尼平交联纤维蛋白凝胶可能更适用于缺损较小的纤维环修复或作为大的纤维环缺损修复的补充手段。蚕丝有良好的机械性能和生物相容性，但存在一定免疫原性，通过提取其中的丝素蛋白可减低其免疫原性。这种提取的丝素蛋白材料在纤维环组织工程中应用前景广阔。Park等[17]和Chang等[18]分别设计了一种丝素蛋白支架，接种纤维环细胞后细胞均生长良好，均能检测到细胞外基质的分泌。
已报道的天然材料支架可以支持细胞生长，也表现出固有力学强度弱等缺陷。因此，目前研究重点在于制备具有良好机械性能的支架，以更好满足纤维环组织工程要求。
3.2 人工合成材料
人工合成材料可塑性强，可以克服天然材料机械强度弱的不足，同时还具有可重复性、可控性、无免疫原性、易于加工等优点。已开发的人工合成材料以脂肪族聚酯类为代表，包括聚乳酸[poly（D，L-lactic acid），PLA]、聚羟基乙酸（polyg-lycolic acid，PGA）、聚乳酸聚羟基乙酸共聚物（polylactide/polyglycolide copolymer，PLGA）、聚己内酯[poly（ε-caprolactone），PCL]、苹果酸/聚酯聚合物[poly（1，8-octanediol malate），POM]、聚已酸内酯苹果酸三醇[poly（polycaprolactone triol malate），PPCLM]、聚酰胺（polyamid，PA）、聚氨酯（polyurethane，PU）。
Mizuno等[19]将纤维环细胞接种至PLGA支架后植入裸鼠体内，观察到新形成的纤维环组织在大体形态、组织学、生物化学及生物力学方面与生理状态下相似，支架内纤维环细胞能维持细胞表型稳定，同时也检测到细胞外基质的分泌；不足在于PLGA降解后产生的酸性物质有一定细胞毒性。多数人工合成材料不具有纤维环的天然弹性，如Wan等[20]通过缩聚反应制备的生物可降解POM支架具有良好生物相容性，但力学强度差。他们将苹果酸与聚已内酯三元醇进一步聚合改良得到的PPCLM支架，则很好解决了POM支架机械强度不足的问题[21]。Nerurkar等[22]介绍了PCL支架生成新的类似纤维环组织的能力，它由数层类似生理结构并已特定角度定向排列的纳米纤维组成，能模拟纤维环组织的各向异性和非线性，被认为最适合纤维环细胞、MSCs细胞黏附和定向细胞外基质分泌，同时可获良好力学性能。Gruber等[13]将人纤维环细胞接种到PA纳米纤维支架上，发现细胞附着、生长良好，并检测到COL2A1和硫酸软骨素等基质合成。PU纳米纤维支架是近年来研究热点。Mauth等[23]最先制作的PU支架已被证明对纤维环细胞具有支持作用，可改善纤维环细胞黏附。后来，Yang等[24]将阴离子二羟基低聚物与PU结合，改良支架可分泌更多的纤维环细胞外基质。最近，Iu等[25]通过测定对比PU支架内接种的内层纤维环（inner annulus fibrosus，IAF）细胞与外层纤维环（outer annulus fibrosus，OAF）细胞中COL2A1、聚集蛋白聚糖、多功能蛋白聚糖和COL1A1基因表达水平，发现IAF细胞能高表达 COL2A1、聚集蛋白聚糖、多功能蛋白聚糖基因，而COL1A1基因低表达，认为PU支架可以维持IAF细胞的表型特征，和OAF细胞相鉴别。该研究可能对未来纤维环组织工程中纤维环细胞功能和表型的体外诊断具有重要意义。
尽管上述研究显示人工合成材料在纤维环组织工程中有较广阔的应用前景和空间，但人工合成材料仍有一些不足，如缺少生物活性、细胞亲和力差、引起组织无菌性炎症等。为解决上述问题，复合材料越来越受到重视。
3.3 复合材料
将天然材料和（或）合成材料相互组合形成的复合材料，在综合性能方面明显优于单一材料。依据材料组合的不同又可分为天然-天然复合支架、合成-合成复合支架和天然-合成复合支架。已报道的应用于纤维环修复和再生的复合材料包括胶原蛋白-透明质酸（hyaluronic acid，HA）、HA-聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）、骨基质明胶-聚已酸内酯苹果酸三醇、聚左旋乳酸[poly（dl-lactic acid），PDLLA]-生物玻璃、丝素蛋白-羟丁基壳聚糖和透明质酸纳米纤维（hyaluronic acid-nanofibrous，HANF）。
Alini等[26]在COL1A1-HA复合支架上接种牛纤维环细胞，细胞生长良好，并监测到 COL1A1和蛋白多糖合成。Hegewald等[27]设计了一种HA-PEG复合支架，在接种纤维环细胞后，细胞增殖及细胞外基质分泌均良好。Wan等[20]从骨皮质中提取骨基质明胶（bone matrix gelatin，BMG），与PPCLM结合制备PPCLM/BMG双相支架，与POM支架相比，能更好模拟纤维环生理结构，且拉伸应力与天然纤维环更接近。Helen等[28]将PDLLA结合生物玻璃制备复合支架，发现纤维环细胞黏附良好，也能维持纤维环细胞表型表达，同时有硫酸氨基葡聚糖、胶原蛋白等细胞外基质分泌；此外，PDLLA降解产生的酸性物质可被生物玻璃稀释，不产生细胞毒性；PDLLA-生物玻璃复合支架的生物力学和降解率可通过PDLLA浓度、温度和溶剂来控制。Zhang等[29]利用静电纺丝技术设计了一种丝素蛋白-羟丁基壳聚糖支架，这种支架的力学性能，尤其是拉伸强度比单纯丝素蛋白支架更大。Nesti等[30]设计的生物可降解HANF双相支架接种人MSCs后，加入TGF-β，细胞组织学、生物化学、免疫组织化学和基因表达分析均显示人MSCs向类纤维环细胞分化，加入TGF-β可避免细胞因子集中释放，延长细胞因子作用时间。此外，将支架材料与细胞因子结合也是一种支架材料设计手段。Vadalà等[31]将TGF-β与PDLLA结合设计支架，接种牛纤维环细胞，发现支架降解后TGF-β仍持续缓慢释放，显著增加了胶原蛋白和糖胺聚糖的合成。
新兴的3D生物打印技术为构建纤维环组织工程带来美好前景。立体平板印刷可根据预定几何结构制备3D实物。目前已有学者[32]依靠立体平板印刷技术将橡胶状聚三亚甲基碳酸酯用于制备纤维环组织工程支架。现阶段制作复合材料有生产成本高、工艺复杂等不足，但随着工业技术的不断成熟，这一难题也会逐渐解决。
4 总结
目前纤维环组织工程研究尚处于体外动物实验阶段，虽已取得部分成果，但从实验室过渡至临床应用仍需解决诸多问题，如细胞来源有限、细胞培养困难、缺少纤维环细胞特定标记物、细胞植入技术复杂、移植细胞存活率低等。此外，当前研究主要针对小动物，人和小动物椎间盘的结构功能存在很大差异，未来寻找与人椎间盘相似的大型动物模型进行椎间盘组织工程研究意义重大。
椎间盘退变是临床常见病，外科治疗手段包括髓核摘除术、人工椎间盘置换术和减压固定融合术等。手术在多数情况下可缓解症状，但无法逆转退变，术后手术节段或相邻节段椎间盘退变加速，导致髓核再次突出、腰椎节段不稳、腰椎管狭窄等疾病。近年来，通过组织工程技术再生修复椎间盘成为热点。目前椎间盘组织工程多集中在髓核，但若只修复髓核而不修复纤维环，无法恢复椎间盘的正常生物力学环境，再生髓核会很快退变或加速退变。因此，髓核的再生修复需与纤维环再生修复协同，才符合生理椎间盘要求。椎间盘退变早期常伴纤维环断裂，因此利用组织工程方法构建符合生理结构与功能的纤维环是预防和治疗椎间盘退变的理想方案。纤维环组织工程通过制备良好生物相容性和可降解性的支架材料，将种子细胞种植于支架内，并添加合适的生物活性分子，模拟细胞生存所需三维环境，促进细胞表型表达，形成组织工程纤维环。本文就目前纤维环组织工程的种子细胞、 生物活性因子和支架材料三个方面进行讨论分析。
1 种子细胞
自体或同种异体纤维环细胞、MSCs均可作为纤维环组织工程的种子细胞，不同来源种子细胞各有利弊。自体或同种异体纤维环细胞均可获得免疫豁免，但细胞难以培养，易衰老，且来源有限，常需手术获取，移植中细胞状态不佳，移植后不易存活，且有诱发椎间盘退变风险。MSCs是属于中胚层的一类多能干细胞，来源广泛，可从骨髓、脂肪和滑膜等组织获取，可获得免疫豁免或仅有轻微免疫反应，是种子细胞的理想选择。但它作为种子细胞也有以下缺点：缺少细胞分化标志物；植入细胞无法附着；无法长期耐受椎间盘环境；诱发肿瘤风险。当纤维环细胞和MSCs联合培养时，MSCs可促进纤维环细胞增殖和细胞外基质合成，同时联合培养也可诱导MSCs向纤维环细胞方向分化。Tsai等[1]在细胞外基质模拟支架上联合培养人纤维环细胞和MSCs，在与纤维环细胞阳性对照组和MSCs阴性组对照研究中发现，纤维环细胞和MSCs联合培养比例分别为 2∶1、1∶1和 1∶2时，纤维环细胞标记物Sox9、Ⅰ型胶原（collagen type Ⅰ，COL1A1）、Ⅱ型胶原（collagen typeⅡ，COL2A1）、V型胶原、聚集蛋白聚糖和丝氨酸蛋白酶（HtrA1）的mRNA表达有很大差异，同时纤维环细胞能诱导MSCs向纤维环细胞系分化，分化程度与联合培养比例相关。当两者联合培养比例为2∶1时，mRNA表达水平与纤维环细胞阳性对照组最接近。可以认为，用于纤维环组织工程的纤维环细胞和MSCs联合培养最佳比例为2∶1。
2 生物活性分子
退变椎间盘中细胞活力和营养成分会明显减少，因此在构建组织工程纤维环的过程中加入生物活性分子很有必要。生物活性分子通过内分泌、旁分泌和自分泌等方式促进细胞外基质分泌、维持椎间盘内环境稳态及代谢平衡。参与椎间盘细胞外基质合成与分解代谢的生物活性分子包括生长因子、形态因子、酶抑制剂和细胞内调节剂[2]。生长因子主要有IGF-1、PDGF、EGF、FGF、NGF等，其中IGF-1主要促进氨基葡聚糖（glycosaminoglycans，GAGs）和胶原蛋白合成；PDGF和EGF促进椎间盘细胞增殖；FGF可促进纤维环细胞生长、分裂，维持纤维环细胞表型；NGF可加快椎间盘中神经、血管生长速度[3]。形态因子包括TGF-β、BMP-2、BMP-7、BMP-13、生长分化因子5（growth differentiation factor 5，GDF-5）等，BMP-2主要作用是上调胶原蛋白和聚集蛋白聚糖合成，BMP-7增加椎间盘细胞中蛋白多糖和胶原蛋白含量，BMP-12促进细胞外基质合成[4]；GDF-5增加椎间盘细胞合成代谢，TGF-β促进椎间盘细胞增殖和基质合成[3]。酶抑制剂包括金属蛋白酶组织抑制剂（tissue inhibitor of metallo-proteinases，TIMP）、抗TNF-α抗体、抗金属蛋白酶抗体等，主要作用是抑制金属蛋白酶等诱发椎间盘退变，减少基质分解[5]。细胞内调节剂包括连接蛋白合成肽（synthetic peptide of link protein，Link N）、SMADs蛋白（Sma-Mad proteins，SMADs）、Sox9蛋白、潜伏膜蛋白1（latent membrane protein 1，LMP-1）等，Sox9主要作用是增加蛋白多糖和胶原蛋白合成，Link N主要促进细胞外基质合成，LMP-1主要促进BMP-2和BMP-7分泌及细胞外基质合成，SMADs主要通过介导BMP受体信号发挥类似BMP-2作用，如增加胶原蛋白和聚集蛋白聚糖合成[3]。
Thompson等[6]在成年犬椎间盘的纤维环、髓核及两者交界区域分别加入IGF-1、EGF、 FGF和TGF-β 4种生长因子以评估细胞增殖反应，他们发现，EGF和TGF-β促进纤维环细胞增殖和GAGs合成作用优于IGF-1和FGF。富血小板血浆或血小板裂解液[7]含有高浓度的EGF和TGF-β等生长因子，可用于纤维环组织工程，促进基质合成和细胞生长。
3 生物支架
生物支架是纤维环组织工程的关键部分，支架设计原则是模拟纤维环的生理结构，要求具有纤维环组织力学性能，同时能促进细胞外基质合成。常用技术包括冷冻干燥、盐浸、编织和非编织、热诱导相分离和静电纺丝[8]，其中静电纺丝是主要技术。
纤维环生物支架材料需满足一定要求：① 良好的生物相容性、低免疫原性和生物可降解性；② 模拟天然纤维环生理组织结构；③ 有一定生物活性，可诱导细胞生长、分化；④ 有一定机械强度，符合纤维环的力学性能，有一定可塑性；⑤ 有多孔性，有利于种子细胞生长、增殖及细胞外基质合成[9]。可分为天然材料、人工合成材料和复合材料。
3.1 天然材料
天然材料在纤维环组织工程中应用广泛，具有良好的生物相容性、降解产物无明显细胞毒性等。已报道的有藻酸盐、壳聚糖、琼脂糖、胶原蛋白、蛋白多糖、丝素蛋白、脱矿骨基质、小肠黏膜下层。Shao等[10]构建藻酸盐-壳聚糖复合支架，观察到生长良好的纤维环细胞及细胞外基质分泌。胶原蛋白是纤维环内层基质的主要成分，也是理想的天然材料[11]。Bowles等[12]制作胶原凝胶蛋白支架培养羊纤维环细胞，发现纤维环细胞的排列和形状与生理状态下相似。关于纤维蛋白凝胶能否用于纤维环组织工程仍存在争议。Gruber等[13]将海绵状胶原、纤维蛋白凝胶、胶原凝胶、藻酸盐和琼脂糖分别与人纤维环细胞联合培养，并分析细胞生长及细胞外基质合成情况，发现纤维蛋白凝胶组中人纤维环细胞无法分泌细胞生长必需的聚集蛋白聚糖及6-硫酸软骨素磺基转移酶，因此认为纤维蛋白凝胶并不适用于纤维环组织工程。Sato等[14]设计了一种以胶原为原料的蜂巢形支架，接种的纤维环细胞生长良好，同时可检测到胶原蛋白和蛋白多糖分泌。Le等[15]应用猪小肠黏膜下层设计了一种支架，接种纤维环细胞后，细胞增殖良好，细胞外基质分泌增加。Schek等[16]将京尼平交联纤维蛋白凝胶用于纤维环修复，即使在超负荷应力下也表现出良好的细胞附着，培养中纤维环细胞生长缓慢，提示京尼平交联纤维蛋白凝胶可能更适用于缺损较小的纤维环修复或作为大的纤维环缺损修复的补充手段。蚕丝有良好的机械性能和生物相容性，但存在一定免疫原性，通过提取其中的丝素蛋白可减低其免疫原性。这种提取的丝素蛋白材料在纤维环组织工程中应用前景广阔。Park等[17]和Chang等[18]分别设计了一种丝素蛋白支架，接种纤维环细胞后细胞均生长良好，均能检测到细胞外基质的分泌。
已报道的天然材料支架可以支持细胞生长，也表现出固有力学强度弱等缺陷。因此，目前研究重点在于制备具有良好机械性能的支架，以更好满足纤维环组织工程要求。
3.2 人工合成材料
人工合成材料可塑性强，可以克服天然材料机械强度弱的不足，同时还具有可重复性、可控性、无免疫原性、易于加工等优点。已开发的人工合成材料以脂肪族聚酯类为代表，包括聚乳酸[poly（D，L-lactic acid），PLA]、聚羟基乙酸（polyg-lycolic acid，PGA）、聚乳酸聚羟基乙酸共聚物（polylactide/polyglycolide copolymer，PLGA）、聚己内酯[poly（ε-caprolactone），PCL]、苹果酸/聚酯聚合物[poly（1，8-octanediol malate），POM]、聚已酸内酯苹果酸三醇[poly（polycaprolactone triol malate），PPCLM]、聚酰胺（polyamid，PA）、聚氨酯（polyurethane，PU）。
Mizuno等[19]将纤维环细胞接种至PLGA支架后植入裸鼠体内，观察到新形成的纤维环组织在大体形态、组织学、生物化学及生物力学方面与生理状态下相似，支架内纤维环细胞能维持细胞表型稳定，同时也检测到细胞外基质的分泌；不足在于PLGA降解后产生的酸性物质有一定细胞毒性。多数人工合成材料不具有纤维环的天然弹性，如Wan等[20]通过缩聚反应制备的生物可降解POM支架具有良好生物相容性，但力学强度差。他们将苹果酸与聚已内酯三元醇进一步聚合改良得到的PPCLM支架，则很好解决了POM支架机械强度不足的问题[21]。Nerurkar等[22]介绍了PCL支架生成新的类似纤维环组织的能力，它由数层类似生理结构并已特定角度定向排列的纳米纤维组成，能模拟纤维环组织的各向异性和非线性，被认为最适合纤维环细胞、MSCs细胞黏附和定向细胞外基质分泌，同时可获良好力学性能。Gruber等[13]将人纤维环细胞接种到PA纳米纤维支架上，发现细胞附着、生长良好，并检测到COL2A1和硫酸软骨素等基质合成。PU纳米纤维支架是近年来研究热点。Mauth等[23]最先制作的PU支架已被证明对纤维环细胞具有支持作用，可改善纤维环细胞黏附。后来，Yang等[24]将阴离子二羟基低聚物与PU结合，改良支架可分泌更多的纤维环细胞外基质。最近，Iu等[25]通过测定对比PU支架内接种的内层纤维环（inner annulus fibrosus，IAF）细胞与外层纤维环（outer annulus fibrosus，OAF）细胞中COL2A1、聚集蛋白聚糖、多功能蛋白聚糖和COL1A1基因表达水平，发现IAF细胞能高表达 COL2A1、聚集蛋白聚糖、多功能蛋白聚糖基因，而COL1A1基因低表达，认为PU支架可以维持IAF细胞的表型特征，和OAF细胞相鉴别。该研究可能对未来纤维环组织工程中纤维环细胞功能和表型的体外诊断具有重要意义。
尽管上述研究显示人工合成材料在纤维环组织工程中有较广阔的应用前景和空间，但人工合成材料仍有一些不足，如缺少生物活性、细胞亲和力差、引起组织无菌性炎症等。为解决上述问题，复合材料越来越受到重视。
3.3 复合材料
将天然材料和（或）合成材料相互组合形成的复合材料，在综合性能方面明显优于单一材料。依据材料组合的不同又可分为天然-天然复合支架、合成-合成复合支架和天然-合成复合支架。已报道的应用于纤维环修复和再生的复合材料包括胶原蛋白-透明质酸（hyaluronic acid，HA）、HA-聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）、骨基质明胶-聚已酸内酯苹果酸三醇、聚左旋乳酸[poly（dl-lactic acid），PDLLA]-生物玻璃、丝素蛋白-羟丁基壳聚糖和透明质酸纳米纤维（hyaluronic acid-nanofibrous，HANF）。
Alini等[26]在COL1A1-HA复合支架上接种牛纤维环细胞，细胞生长良好，并监测到 COL1A1和蛋白多糖合成。Hegewald等[27]设计了一种HA-PEG复合支架，在接种纤维环细胞后，细胞增殖及细胞外基质分泌均良好。Wan等[20]从骨皮质中提取骨基质明胶（bone matrix gelatin，BMG），与PPCLM结合制备PPCLM/BMG双相支架，与POM支架相比，能更好模拟纤维环生理结构，且拉伸应力与天然纤维环更接近。Helen等[28]将PDLLA结合生物玻璃制备复合支架，发现纤维环细胞黏附良好，也能维持纤维环细胞表型表达，同时有硫酸氨基葡聚糖、胶原蛋白等细胞外基质分泌；此外，PDLLA降解产生的酸性物质可被生物玻璃稀释，不产生细胞毒性；PDLLA-生物玻璃复合支架的生物力学和降解率可通过PDLLA浓度、温度和溶剂来控制。Zhang等[29]利用静电纺丝技术设计了一种丝素蛋白-羟丁基壳聚糖支架，这种支架的力学性能，尤其是拉伸强度比单纯丝素蛋白支架更大。Nesti等[30]设计的生物可降解HANF双相支架接种人MSCs后，加入TGF-β，细胞组织学、生物化学、免疫组织化学和基因表达分析均显示人MSCs向类纤维环细胞分化，加入TGF-β可避免细胞因子集中释放，延长细胞因子作用时间。此外，将支架材料与细胞因子结合也是一种支架材料设计手段。Vadalà等[31]将TGF-β与PDLLA结合设计支架，接种牛纤维环细胞，发现支架降解后TGF-β仍持续缓慢释放，显著增加了胶原蛋白和糖胺聚糖的合成。
新兴的3D生物打印技术为构建纤维环组织工程带来美好前景。立体平板印刷可根据预定几何结构制备3D实物。目前已有学者[32]依靠立体平板印刷技术将橡胶状聚三亚甲基碳酸酯用于制备纤维环组织工程支架。现阶段制作复合材料有生产成本高、工艺复杂等不足，但随着工业技术的不断成熟，这一难题也会逐渐解决。
4 总结
目前纤维环组织工程研究尚处于体外动物实验阶段，虽已取得部分成果，但从实验室过渡至临床应用仍需解决诸多问题，如细胞来源有限、细胞培养困难、缺少纤维环细胞特定标记物、细胞植入技术复杂、移植细胞存活率低等。此外，当前研究主要针对小动物，人和小动物椎间盘的结构功能存在很大差异，未来寻找与人椎间盘相似的大型动物模型进行椎间盘组织工程研究意义重大。