軟骨組織的少細胞、低神經分布和血管營養缺乏特性使其在受損之后的自愈能力較差，軟骨組織工程的發展為臨床中損傷軟骨的修復提供了新的治療思路。通過靜電紡絲技術構建的纖維膜具有類細胞外基質的三維結構，可為細胞生長和生物活性因子裝載提供適宜的生物微環境，滿足軟骨組織工程的需求。該文從成分優化、結構優化和多技術聯合等方面，介紹了靜電紡絲通過模擬天然軟骨高度分層的結構和獨特的力學特征修復損傷軟骨的研究進展。
引用本文： 何玲霞, 樊之瑀, 杜雨佳, 張馳, 孫富華. 靜電紡絲技術在軟骨修復中的應用. 華西醫學, 2023, 38(10): 1559-1563. doi: 10.7507/1002-0179.202304092 復制
關節軟骨中的軟骨細胞密度低，無神經和血管，受損后的自身修復能力差[1]。創傷、病變或慢性微創傷往往會導致骨關節炎，當損傷部位擴大時，往往引起功能障礙、疼痛和畸形。目前臨床上移植手術是治療軟骨損傷的首選，如自體移植、同種異體移植或人工關節移植，但因二次傷害、免疫排斥反應及移植物受限等因素限制了臨床應用[2]。軟骨組織工程作為一種新興的治療技術，利用細胞、支架和生長因子等使無法自愈的組織快速康復或再生，為軟骨修復提供了新的思路[1，3]。
生物支架作為組織修復和再生的支撐結構，是組織工程技術的關鍵因素，理想的生物支架能夠模仿細胞外基質（extracellular matrix, ECM）的微環境，與宿主間具有良好的相容性和匹配的力學性能，可促進組織細胞再生[2-3]。納米纖維基支架結構與軟骨 ECM 中的納米纖維樣結構相接近，具有高比表面積、可控的力學性能和結構的特性，可以更好地模擬骨和軟骨組織的 ECM，有利于細胞的黏附和增殖[4]。
納米纖維的制備方法有熱致相分離法、自組裝法和靜電紡絲[5-8]。其中靜電紡絲技術利用高壓電場作用使聚合物溶液或熔體沿著電場方向加速噴出，經歷溶劑揮發、纖維拉伸、沉積和固化，最終得到連續納米纖維[5]。靜電紡絲納米纖維的形態和性能受很多因素的影響，通過調控溶液濃度、黏度等系統參數和電壓大小接收距離等工藝參數，可以得到具有不同功能、結構和機械性能的納米纖維，以滿足應用需求[5]。本文從成分優化、結構優化和與技術聯合等方面，介紹靜電紡絲技術在關節軟骨損傷修復中的優勢，并展望未來的發展方向。
1 成分優化
1.1 基質選擇
基質材料作為支架的關鍵因素，良好的化學、物理和生物學性能是促進細胞的黏附、增殖、分化、血管化和宿主整合的關鍵[2]。靜電紡絲的基質材料主要包括天然高分子材料和合成高分子材料[5]。
靜電紡絲天然高分子材料用于軟骨修復具有獨特的優勢，如膠原蛋白[9-10]、明膠[11-12]、殼聚糖[13-15]、絲素蛋白（silk fibroin, SF）[16-17]等具有細胞識別功能，能與細胞良好相互作用，可促進細胞黏附而不引起任何免疫排斥反應。天然高分子纖維具有良好的生物相容性和生物降解性，可以模擬軟骨的 ECM 成分和結構，用于軟骨組織工程。但天然高分子的機械強度差、降解速率無法調控等限制了臨床應用。與天然材料相比，合成高分子材料的生物相容性較差但物化性能的可控性較好，如聚乳酸（poly lactic acid, PLA）[17]、聚己內酯（poly-caprolactone, PCL）[18-20]、聚乙醇酸[19]、聚乙烯醇[9]等表現出良好的可紡性和機械性能，可應用于組織修復和傳遞系統方面，但較差的生物相容性，使其與細胞的親和性成為阻礙應用的短板，甚至可能產生弱免疫或毒性反應。
天然材料與合成材料的結合可以彌補兩者的不足，調節生物化學、力學和降解性能，提高生物活性，滿足軟骨組織工程的應用要求。有研究通過調控明膠和 PCL 的比例得到不同的纖維膜，當兩者的含量相當時，可以更好的促進軟骨細胞形成均勻的軟骨組織，表現出較好的軟骨再生能力[21]。木質素作為一種天然抗氧化生物材料，可作為軟骨組織工程的抗氧化支架，通過開環聚合將 PLA 接枝到木質素中能夠調整納米纖維的物理化學性質，包括纖維直徑、力學和黏彈性性質以及抗氧化活性。可以保護骨髓間充質干細胞（mesenchymal stem cell, MSC）免受氧化應激，促進其軟骨分化，可作為一種抗氧化組織工程支架，促進骨性關節炎軟骨再生[22]。
1.2 摻雜納米粒子
高嶺土納米管：Movahedi 等[23]將疏水聚羥基丁酸酯和親水淀粉作為基質材料，通過摻雜高嶺土納米管可使電紡纖維孔徑和孔隙率更合適，可支持軟骨細胞附著和生長。Ghadirian 等[15]用聚羥基丁酸酯改性的殼聚糖作為電紡基質構建軟骨再生支架，結果證明高嶺土納米管的添加減緩了生物降解速度，增加了纖維膜的親水性，增強軟骨細胞的細胞活力，有望用于軟骨再生。
鈦酸鋇：Barbosa 等[24]以鈦酸鋇為壓電材料，將其摻雜于 PCL/聚苯胺復合導電納米纖維支架中，通過電壓、形態評估、接觸角、力學測試和 MTT 試驗（MTT 比色法）來評估納米纖維支架的物化性能和生物相容性，結果顯示復合纖維膜具有高導電性、壓電特性和親水性，使其成為細胞附著和蛋白質相互作用的理想支架，表明壓電/導電納米復合材料支架在軟骨組織工程應用中具有較好的潛力。
多壁碳納米管：碳納米管具有高表面比、高機械強度和導電性，可增強高分子纖維的力學性能，并改善支架的親水性和細胞行為[25]。Mirmusavi 等[14]以 PCL/殼聚糖為基質材料，通過添加不同含量的羧基功能化多壁碳納米管得到性能不同的電紡納米復合支架。當多壁碳納米管含量為 0.5 wt%時，纖維直徑最小，抗拉強度最高，孔隙率保持在 80%以上，軟骨細胞表現出更高的細胞活力，具有更好的生物活性和軟骨愈合率。有研究進一步聯合 3D 打印和靜電紡絲構建了 PCL/納米羥基磷灰石/多壁碳納米管支架，支持和促進軟骨下骨的長入，為軟骨下骨的再生提供了新思路。
1.3 藥物緩釋
單純的生物材料修復軟骨損傷的能力有限，可利用電紡纖維的高比表面積和高孔隙率三維結構裝載多種藥物以促進軟骨再生或者預防感染的發生。
Kartogenin（KGN）是一種小分子藥物，可通過選擇性刺激內源性骨髓 MSC 的成軟骨分化，來促進軟骨修復過程中微骨折的愈合。Elder 等[19]利用靜電紡絲構建了負載 KGN 的 PCL/PLA-羥基乙酸共聚物復合纖維支架，藥物的負載率接近 100%，且未與基質材料發生化學反應。KGN 表現出雙相藥物釋放特征，藥物在 24 h 內的釋放量約 30%，隨后的釋放速度得以控制，且速率恒定，最長可達 28 d。Silva 等[26]將 KGN 裝載在同軸聚癸二酸甘油［poly(glycerol sebacate), PGS］/PCL 纖維中，在 21 d 內表現出更可控和持續的釋放行為。負載 KGN 的支架明顯提高了 MSC 的增殖、硫酸氨基葡糖多聚糖分泌量和軟骨形成標志物基因表達水平，更有利于軟骨再生。
三水合頭孢克肟是一種水溶性極低的廣譜抗菌藥物，常用于術后治療。Samie 等[27]采用靜電紡絲法制備了負載三水合頭孢克肟的 PCL/PLA/SF 復合纖維支架，具有相互連通的孔隙、類似軟骨組織的機械性能。三水合頭孢克肟的釋放速度得到有效抑制和延長，在體外靜態條件下對革蘭陽性球菌和陰性球菌具有較好的抗菌活性，且可促進細胞的黏附和生長，作為軟骨組織工程支架可以預防感染的發生。
1.4 蛋白質改性
在軟骨再生中，生長因子可以調控細胞的趨化生長和軟骨分化，單獨的生長因子在體內濃度低、保持活性難度大，電紡纖維的高比表面積和良好的生物相容性是負載生長因子的常用載體，可用于軟骨修復。
Malinauskas 等[28]通過靜電紡絲構建 PCL 纖維支架，經臭氧處理后，改善了支架的親水性，再負載轉化生長因子（transforming growth factor, TGF）-β3。兔肌肉來源干細胞在載蛋白纖維上表現出更好的增殖和軟骨分化能力，進一步通過關節鏡評分和軟骨機電定量參數從宏觀和微觀/組織學評估來確定軟骨再生結果，接種兔肌肉來源干細胞的載蛋白纖維支架表現出最好的軟骨修復能力，是一種有前途的軟骨再生支架。
誘導軟骨分化之前，增加遷移到缺損部位并進入支架的干細細胞的數量，可增強軟骨愈合的程度，因此賦予支架干細胞趨化能力是構建功能支架的關鍵。Martin 等[29]開發了一種靜電紡絲無細胞纖維透明質酸支架，并用于裝載基質細胞衍生因子-1α和 TGF-β3。將復合纖維支架植入在全層軟骨缺損修復的大型動物模型中，結果顯示 SDF 和 TGF 均可促進細胞遷移，TGF 可促進 MSC 的軟骨基質形成，證明了復合支架的雙重生長因子釋放的能力及作為大型動物軟骨修復的治療手段。
2 結構優化
2.1 核殼結構
核殼結構納米纖維主要是通過同軸靜電紡絲構建，常作為生物活性因子傳遞系統，釋放過程可受到更好的控制。Silva 等[26]采用同軸靜電紡絲法制備了同軸 PGS/PCL 纖維（芯：PGS/殼：PCL），KGN 裝載于核心 PGS 中，與負載 KGN 的單軸纖維和無負載組對照，評估了 KGN 釋放動力學和支架生物性能。同軸 PGS-KGN/PCL 納米纖維比單軸 PCL-KGN 納米纖維在 21 d 內表現出更可控和持續的 KGN 釋放，可更好的促進細胞增殖和軟骨分化。核殼結構纖維也為多種活性因子時序控釋提供了條件，Han 等[30]采用靜電紡絲技術構建了分別裝載 TGF-β3 和布洛芬的核殼納米纖維支架；結果證實，布洛芬的快速釋放改善了炎癥微環境，而 TGF-β3 的持續釋放促進新生 ECM 的形成和椎間盤纖維環的再生。
2.2 取向纖維
取向纖維相較于無規排列的纖維具有更高的耐磨性能，且細胞受表面結構的影響會按取向纖維的排列方向生長，細胞數量與 ECM 的分泌也相對無規則取向排列纖維有所提高。Kadir 等[31]將 MSC 分別接種于取向和無規纖維膜上，評估了纖維結構對細胞的軟骨分化、遷移、增殖、炎癥調節和生存方面的影響。該研究發現纖維膜提高了 MSC 和軟骨細胞的分泌組產量和分布，增強了 MSC 和軟骨細胞的遷移和增殖，促進了 MSC 的軟骨分化，減輕了 MSC 和軟骨細胞的炎癥，并保護了軟骨細胞免于凋亡；且取向纖維更好地促進細胞增殖和軟骨形成[31]。Olvera 等[32]發現取向纖維上的 MSC 比無規纖維上的 MSC 表現出更高水平的聚集蛋白基因表達，TGF-β3 刺激取向纖維上的 MSC 可形成細胞聚集體，Ⅱ型膠原表達和酸氨基葡糖多聚糖分泌量更多，軟骨分化程度更高。取向纖維支架可用于促進軟骨內、軟骨形成、纖維軟骨形成。
2.3 多層結構
由于關節軟骨復雜的三維微結構，其組織成分、力學特性和生化組成呈現三維不對稱結構，當發生病變并發展為骨關節炎后，軟骨修復成為再生醫學的巨大挑戰。但單層結構的纖維支架為軟骨 ECM 的生成提供空間支撐的能力有限，Gir?o 等[33]利用聚乙二醇犧牲微粒通過電紡絲-電噴涂的順序調控來構建 PCL 雙層纖維支架，在孔隙劑浸出后，雙層 PCL 支架不僅能夠呈現類似天然軟骨深度依賴的纖維取向結構，且還具有類似胞外基質的機械特征和孔隙度，以促進細胞生長和分化。在 21 d 的培養過程中，在 3D 各向異性纖維網絡中保證適當的細胞黏附、增殖和遷移的能力。Riazi Moghadam 等[17]設計和制造了 3 層 PLA 纖維/水凝膠支架，包括纖維蛋白包被纖維層、纖維蛋白凝膠層和垂直于關節面圓柱形排列的纖維膜包埋層，分別作為支架的上層、中層和底層。研究發現復合支架中加入纖維結構可以提高黏彈性性能，添加 0.25%短切纖維顯著提高了纖維蛋白基質的含水量，且具有良好的細胞相容性。3 層復合結構成功地模擬了關節軟骨的物理力學和微觀結構特征，可以作為一種潛在的軟骨組織再生支架。
3 技術聯合
3.1 聯合水凝膠
水凝膠的高含水量，三維互穿網絡結構，可為細胞的生長和分化提供適宜微環境，是軟骨組織工程常用的支架。Chen 等[34]以天然軟骨為靈感，采用靜電紡絲、凍融和退火技術，聚乙烯醇/聚丙烯酸/氧化石墨烯多層有序電紡膜對聚乙烯醇/聚丙烯酸/氧化石墨烯水凝膠進行逐層改性，構建了具有優異力學性能和低摩擦系數的靜電紡絲纖維膜增強水凝膠。纖維膜增強水凝膠的摩擦系數低至 0.039，比未添加纖維膜的水凝膠的摩擦系數小 2 倍，可廣泛應用于軟骨置換等組織工程領域。Riazi Moghadam 等[17]以天然軟骨的結構特征為靈感，通過靜電紡絲技術構建了 3 層聚左旋乳酸纖維/水凝膠復合支架，模擬了軟骨的各層結構和力學性能。
3.2 聯合 3D 打印
創傷或骨關節炎引起的骨軟骨缺損是目前臨床治療的一大挑戰，軟骨下骨的再生和重塑對軟骨再生起積極作用。結合 3D 打印和靜電紡絲優勢，可分別在微尺度和納米尺度上模擬軟骨下骨的復雜性和層次結構。Cao 等[18]采用靜電紡絲和分層 3D 打印相結合的方法，成功構建了 3D 打印-靜電紡絲 PCL/納米羥基磷灰石/多壁碳納米管支架，復合支架可改善細胞間的相互作用，從而支持體外骨髓 MSC 的黏附、增殖、活性和形態，并隨促進 MSC 的成骨分化，為軟骨下骨的再生提供了新方法。短切后的纖維也可作為支架的增強劑，提高支架的機械性能，Wang 等[35]采用靜電紡絲法和氨解反應制備聚左旋乳酸短纖維，摻入氧化藻酸鹽生物墨水中作為 3D 打印的復合墨水。其結果表明，聚左旋乳酸短纖維的摻入不僅提高了打印保真度，且有利于形成機械強度較高的結構，并表現出良好的生物相容性，支持體外軟骨形成。
3.3 聯合其他技術
為了模擬天然軟骨的三維架構，氣體發泡和冷凍干燥也被用于結合靜電紡絲技術構建三維多孔支架。Chen 等[36]構建了二維聚左旋丙交酯-己內酯/SF 纖維，并與透明質酸交聯，通過原位氣體發泡和冷凍干燥，成功模擬原生軟骨的微觀結構。三維支架表現出更好的軟骨細胞增殖和表型維持，形成的軟骨組織更為成熟。在兔全層關節軟骨模型中植入支架，支架的修復能力可達 12 周，宏觀和組織學結果顯示典型的軟骨樣特征，三維支架與宿主組織邊界更好融合。該團隊用共軛靜電紡絲法制備二維聚左旋丙交酯-己內酯/SF 基支架，與硫酸軟骨素交聯，通過在密閉模具中原位氣體發泡，冷凍干燥，成功制備了三維復合支架，進一步提高了力學和生物學性能[37]。復合支架具有孔隙率高、吸水快、力學性能穩定等特點，更好的細胞播種效率和軟骨保護作用。三維支架在兔關節軟骨缺損模型中表現出更成熟的軟骨樣組織的形成。
4 小結與展望
靜電紡絲技術在關節軟骨修復中具有明顯優勢，其構建的多孔纖維結構可以模擬天然軟骨的胞外基質，通過調控各項參數和技術改進可構建更接近軟骨空間結構的仿生支架。靜電紡絲技術修復軟骨的研究中仍存在一些問題：① 目前靜電紡絲實用的生物材料生物降解速度及生物力學變化過程難以與新生軟骨完全匹配，難以得到滿足臨床需求的理想支架。② 近年來的研究主要從體外實驗和簡單的動物模型，驗證靜電紡絲在軟骨修復中的應用潛力，很少有體內和臨床轉化研究。因此，探索不同性能材料的配合和優化靜電紡絲工藝參數對于構建理想軟骨組織工程支至關重要，而且需要進一步系統的體內和臨床研究。靜電紡絲纖維支架在臨床中關節軟骨修復中的應用還有很大的發展空間。
利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。
關節軟骨中的軟骨細胞密度低，無神經和血管，受損后的自身修復能力差[1]。創傷、病變或慢性微創傷往往會導致骨關節炎，當損傷部位擴大時，往往引起功能障礙、疼痛和畸形。目前臨床上移植手術是治療軟骨損傷的首選，如自體移植、同種異體移植或人工關節移植，但因二次傷害、免疫排斥反應及移植物受限等因素限制了臨床應用[2]。軟骨組織工程作為一種新興的治療技術，利用細胞、支架和生長因子等使無法自愈的組織快速康復或再生，為軟骨修復提供了新的思路[1，3]。
生物支架作為組織修復和再生的支撐結構，是組織工程技術的關鍵因素，理想的生物支架能夠模仿細胞外基質（extracellular matrix, ECM）的微環境，與宿主間具有良好的相容性和匹配的力學性能，可促進組織細胞再生[2-3]。納米纖維基支架結構與軟骨 ECM 中的納米纖維樣結構相接近，具有高比表面積、可控的力學性能和結構的特性，可以更好地模擬骨和軟骨組織的 ECM，有利于細胞的黏附和增殖[4]。
納米纖維的制備方法有熱致相分離法、自組裝法和靜電紡絲[5-8]。其中靜電紡絲技術利用高壓電場作用使聚合物溶液或熔體沿著電場方向加速噴出，經歷溶劑揮發、纖維拉伸、沉積和固化，最終得到連續納米纖維[5]。靜電紡絲納米纖維的形態和性能受很多因素的影響，通過調控溶液濃度、黏度等系統參數和電壓大小接收距離等工藝參數，可以得到具有不同功能、結構和機械性能的納米纖維，以滿足應用需求[5]。本文從成分優化、結構優化和與技術聯合等方面，介紹靜電紡絲技術在關節軟骨損傷修復中的優勢，并展望未來的發展方向。
1 成分優化
1.1 基質選擇
基質材料作為支架的關鍵因素，良好的化學、物理和生物學性能是促進細胞的黏附、增殖、分化、血管化和宿主整合的關鍵[2]。靜電紡絲的基質材料主要包括天然高分子材料和合成高分子材料[5]。
靜電紡絲天然高分子材料用于軟骨修復具有獨特的優勢，如膠原蛋白[9-10]、明膠[11-12]、殼聚糖[13-15]、絲素蛋白（silk fibroin, SF）[16-17]等具有細胞識別功能，能與細胞良好相互作用，可促進細胞黏附而不引起任何免疫排斥反應。天然高分子纖維具有良好的生物相容性和生物降解性，可以模擬軟骨的 ECM 成分和結構，用于軟骨組織工程。但天然高分子的機械強度差、降解速率無法調控等限制了臨床應用。與天然材料相比，合成高分子材料的生物相容性較差但物化性能的可控性較好，如聚乳酸（poly lactic acid, PLA）[17]、聚己內酯（poly-caprolactone, PCL）[18-20]、聚乙醇酸[19]、聚乙烯醇[9]等表現出良好的可紡性和機械性能，可應用于組織修復和傳遞系統方面，但較差的生物相容性，使其與細胞的親和性成為阻礙應用的短板，甚至可能產生弱免疫或毒性反應。
天然材料與合成材料的結合可以彌補兩者的不足，調節生物化學、力學和降解性能，提高生物活性，滿足軟骨組織工程的應用要求。有研究通過調控明膠和 PCL 的比例得到不同的纖維膜，當兩者的含量相當時，可以更好的促進軟骨細胞形成均勻的軟骨組織，表現出較好的軟骨再生能力[21]。木質素作為一種天然抗氧化生物材料，可作為軟骨組織工程的抗氧化支架，通過開環聚合將 PLA 接枝到木質素中能夠調整納米纖維的物理化學性質，包括纖維直徑、力學和黏彈性性質以及抗氧化活性。可以保護骨髓間充質干細胞（mesenchymal stem cell, MSC）免受氧化應激，促進其軟骨分化，可作為一種抗氧化組織工程支架，促進骨性關節炎軟骨再生[22]。
1.2 摻雜納米粒子
高嶺土納米管：Movahedi 等[23]將疏水聚羥基丁酸酯和親水淀粉作為基質材料，通過摻雜高嶺土納米管可使電紡纖維孔徑和孔隙率更合適，可支持軟骨細胞附著和生長。Ghadirian 等[15]用聚羥基丁酸酯改性的殼聚糖作為電紡基質構建軟骨再生支架，結果證明高嶺土納米管的添加減緩了生物降解速度，增加了纖維膜的親水性，增強軟骨細胞的細胞活力，有望用于軟骨再生。
鈦酸鋇：Barbosa 等[24]以鈦酸鋇為壓電材料，將其摻雜于 PCL/聚苯胺復合導電納米纖維支架中，通過電壓、形態評估、接觸角、力學測試和 MTT 試驗（MTT 比色法）來評估納米纖維支架的物化性能和生物相容性，結果顯示復合纖維膜具有高導電性、壓電特性和親水性，使其成為細胞附著和蛋白質相互作用的理想支架，表明壓電/導電納米復合材料支架在軟骨組織工程應用中具有較好的潛力。
多壁碳納米管：碳納米管具有高表面比、高機械強度和導電性，可增強高分子纖維的力學性能，并改善支架的親水性和細胞行為[25]。Mirmusavi 等[14]以 PCL/殼聚糖為基質材料，通過添加不同含量的羧基功能化多壁碳納米管得到性能不同的電紡納米復合支架。當多壁碳納米管含量為 0.5 wt%時，纖維直徑最小，抗拉強度最高，孔隙率保持在 80%以上，軟骨細胞表現出更高的細胞活力，具有更好的生物活性和軟骨愈合率。有研究進一步聯合 3D 打印和靜電紡絲構建了 PCL/納米羥基磷灰石/多壁碳納米管支架，支持和促進軟骨下骨的長入，為軟骨下骨的再生提供了新思路。
1.3 藥物緩釋
單純的生物材料修復軟骨損傷的能力有限，可利用電紡纖維的高比表面積和高孔隙率三維結構裝載多種藥物以促進軟骨再生或者預防感染的發生。
Kartogenin（KGN）是一種小分子藥物，可通過選擇性刺激內源性骨髓 MSC 的成軟骨分化，來促進軟骨修復過程中微骨折的愈合。Elder 等[19]利用靜電紡絲構建了負載 KGN 的 PCL/PLA-羥基乙酸共聚物復合纖維支架，藥物的負載率接近 100%，且未與基質材料發生化學反應。KGN 表現出雙相藥物釋放特征，藥物在 24 h 內的釋放量約 30%，隨后的釋放速度得以控制，且速率恒定，最長可達 28 d。Silva 等[26]將 KGN 裝載在同軸聚癸二酸甘油［poly(glycerol sebacate), PGS］/PCL 纖維中，在 21 d 內表現出更可控和持續的釋放行為。負載 KGN 的支架明顯提高了 MSC 的增殖、硫酸氨基葡糖多聚糖分泌量和軟骨形成標志物基因表達水平，更有利于軟骨再生。
三水合頭孢克肟是一種水溶性極低的廣譜抗菌藥物，常用于術后治療。Samie 等[27]采用靜電紡絲法制備了負載三水合頭孢克肟的 PCL/PLA/SF 復合纖維支架，具有相互連通的孔隙、類似軟骨組織的機械性能。三水合頭孢克肟的釋放速度得到有效抑制和延長，在體外靜態條件下對革蘭陽性球菌和陰性球菌具有較好的抗菌活性，且可促進細胞的黏附和生長，作為軟骨組織工程支架可以預防感染的發生。
1.4 蛋白質改性
在軟骨再生中，生長因子可以調控細胞的趨化生長和軟骨分化，單獨的生長因子在體內濃度低、保持活性難度大，電紡纖維的高比表面積和良好的生物相容性是負載生長因子的常用載體，可用于軟骨修復。
Malinauskas 等[28]通過靜電紡絲構建 PCL 纖維支架，經臭氧處理后，改善了支架的親水性，再負載轉化生長因子（transforming growth factor, TGF）-β3。兔肌肉來源干細胞在載蛋白纖維上表現出更好的增殖和軟骨分化能力，進一步通過關節鏡評分和軟骨機電定量參數從宏觀和微觀/組織學評估來確定軟骨再生結果，接種兔肌肉來源干細胞的載蛋白纖維支架表現出最好的軟骨修復能力，是一種有前途的軟骨再生支架。
誘導軟骨分化之前，增加遷移到缺損部位并進入支架的干細細胞的數量，可增強軟骨愈合的程度，因此賦予支架干細胞趨化能力是構建功能支架的關鍵。Martin 等[29]開發了一種靜電紡絲無細胞纖維透明質酸支架，并用于裝載基質細胞衍生因子-1α和 TGF-β3。將復合纖維支架植入在全層軟骨缺損修復的大型動物模型中，結果顯示 SDF 和 TGF 均可促進細胞遷移，TGF 可促進 MSC 的軟骨基質形成，證明了復合支架的雙重生長因子釋放的能力及作為大型動物軟骨修復的治療手段。
2 結構優化
2.1 核殼結構
核殼結構納米纖維主要是通過同軸靜電紡絲構建，常作為生物活性因子傳遞系統，釋放過程可受到更好的控制。Silva 等[26]采用同軸靜電紡絲法制備了同軸 PGS/PCL 纖維（芯：PGS/殼：PCL），KGN 裝載于核心 PGS 中，與負載 KGN 的單軸纖維和無負載組對照，評估了 KGN 釋放動力學和支架生物性能。同軸 PGS-KGN/PCL 納米纖維比單軸 PCL-KGN 納米纖維在 21 d 內表現出更可控和持續的 KGN 釋放，可更好的促進細胞增殖和軟骨分化。核殼結構纖維也為多種活性因子時序控釋提供了條件，Han 等[30]采用靜電紡絲技術構建了分別裝載 TGF-β3 和布洛芬的核殼納米纖維支架；結果證實，布洛芬的快速釋放改善了炎癥微環境，而 TGF-β3 的持續釋放促進新生 ECM 的形成和椎間盤纖維環的再生。
2.2 取向纖維
取向纖維相較于無規排列的纖維具有更高的耐磨性能，且細胞受表面結構的影響會按取向纖維的排列方向生長，細胞數量與 ECM 的分泌也相對無規則取向排列纖維有所提高。Kadir 等[31]將 MSC 分別接種于取向和無規纖維膜上，評估了纖維結構對細胞的軟骨分化、遷移、增殖、炎癥調節和生存方面的影響。該研究發現纖維膜提高了 MSC 和軟骨細胞的分泌組產量和分布，增強了 MSC 和軟骨細胞的遷移和增殖，促進了 MSC 的軟骨分化，減輕了 MSC 和軟骨細胞的炎癥，并保護了軟骨細胞免于凋亡；且取向纖維更好地促進細胞增殖和軟骨形成[31]。Olvera 等[32]發現取向纖維上的 MSC 比無規纖維上的 MSC 表現出更高水平的聚集蛋白基因表達，TGF-β3 刺激取向纖維上的 MSC 可形成細胞聚集體，Ⅱ型膠原表達和酸氨基葡糖多聚糖分泌量更多，軟骨分化程度更高。取向纖維支架可用于促進軟骨內、軟骨形成、纖維軟骨形成。
2.3 多層結構
由于關節軟骨復雜的三維微結構，其組織成分、力學特性和生化組成呈現三維不對稱結構，當發生病變并發展為骨關節炎后，軟骨修復成為再生醫學的巨大挑戰。但單層結構的纖維支架為軟骨 ECM 的生成提供空間支撐的能力有限，Gir?o 等[33]利用聚乙二醇犧牲微粒通過電紡絲-電噴涂的順序調控來構建 PCL 雙層纖維支架，在孔隙劑浸出后，雙層 PCL 支架不僅能夠呈現類似天然軟骨深度依賴的纖維取向結構，且還具有類似胞外基質的機械特征和孔隙度，以促進細胞生長和分化。在 21 d 的培養過程中，在 3D 各向異性纖維網絡中保證適當的細胞黏附、增殖和遷移的能力。Riazi Moghadam 等[17]設計和制造了 3 層 PLA 纖維/水凝膠支架，包括纖維蛋白包被纖維層、纖維蛋白凝膠層和垂直于關節面圓柱形排列的纖維膜包埋層，分別作為支架的上層、中層和底層。研究發現復合支架中加入纖維結構可以提高黏彈性性能，添加 0.25%短切纖維顯著提高了纖維蛋白基質的含水量，且具有良好的細胞相容性。3 層復合結構成功地模擬了關節軟骨的物理力學和微觀結構特征，可以作為一種潛在的軟骨組織再生支架。
3 技術聯合
3.1 聯合水凝膠
水凝膠的高含水量，三維互穿網絡結構，可為細胞的生長和分化提供適宜微環境，是軟骨組織工程常用的支架。Chen 等[34]以天然軟骨為靈感，采用靜電紡絲、凍融和退火技術，聚乙烯醇/聚丙烯酸/氧化石墨烯多層有序電紡膜對聚乙烯醇/聚丙烯酸/氧化石墨烯水凝膠進行逐層改性，構建了具有優異力學性能和低摩擦系數的靜電紡絲纖維膜增強水凝膠。纖維膜增強水凝膠的摩擦系數低至 0.039，比未添加纖維膜的水凝膠的摩擦系數小 2 倍，可廣泛應用于軟骨置換等組織工程領域。Riazi Moghadam 等[17]以天然軟骨的結構特征為靈感，通過靜電紡絲技術構建了 3 層聚左旋乳酸纖維/水凝膠復合支架，模擬了軟骨的各層結構和力學性能。
3.2 聯合 3D 打印
創傷或骨關節炎引起的骨軟骨缺損是目前臨床治療的一大挑戰，軟骨下骨的再生和重塑對軟骨再生起積極作用。結合 3D 打印和靜電紡絲優勢，可分別在微尺度和納米尺度上模擬軟骨下骨的復雜性和層次結構。Cao 等[18]采用靜電紡絲和分層 3D 打印相結合的方法，成功構建了 3D 打印-靜電紡絲 PCL/納米羥基磷灰石/多壁碳納米管支架，復合支架可改善細胞間的相互作用，從而支持體外骨髓 MSC 的黏附、增殖、活性和形態，并隨促進 MSC 的成骨分化，為軟骨下骨的再生提供了新方法。短切后的纖維也可作為支架的增強劑，提高支架的機械性能，Wang 等[35]采用靜電紡絲法和氨解反應制備聚左旋乳酸短纖維，摻入氧化藻酸鹽生物墨水中作為 3D 打印的復合墨水。其結果表明，聚左旋乳酸短纖維的摻入不僅提高了打印保真度，且有利于形成機械強度較高的結構，并表現出良好的生物相容性，支持體外軟骨形成。
3.3 聯合其他技術
為了模擬天然軟骨的三維架構，氣體發泡和冷凍干燥也被用于結合靜電紡絲技術構建三維多孔支架。Chen 等[36]構建了二維聚左旋丙交酯-己內酯/SF 纖維，并與透明質酸交聯，通過原位氣體發泡和冷凍干燥，成功模擬原生軟骨的微觀結構。三維支架表現出更好的軟骨細胞增殖和表型維持，形成的軟骨組織更為成熟。在兔全層關節軟骨模型中植入支架，支架的修復能力可達 12 周，宏觀和組織學結果顯示典型的軟骨樣特征，三維支架與宿主組織邊界更好融合。該團隊用共軛靜電紡絲法制備二維聚左旋丙交酯-己內酯/SF 基支架，與硫酸軟骨素交聯，通過在密閉模具中原位氣體發泡，冷凍干燥，成功制備了三維復合支架，進一步提高了力學和生物學性能[37]。復合支架具有孔隙率高、吸水快、力學性能穩定等特點，更好的細胞播種效率和軟骨保護作用。三維支架在兔關節軟骨缺損模型中表現出更成熟的軟骨樣組織的形成。
4 小結與展望
靜電紡絲技術在關節軟骨修復中具有明顯優勢，其構建的多孔纖維結構可以模擬天然軟骨的胞外基質，通過調控各項參數和技術改進可構建更接近軟骨空間結構的仿生支架。靜電紡絲技術修復軟骨的研究中仍存在一些問題：① 目前靜電紡絲實用的生物材料生物降解速度及生物力學變化過程難以與新生軟骨完全匹配，難以得到滿足臨床需求的理想支架。② 近年來的研究主要從體外實驗和簡單的動物模型，驗證靜電紡絲在軟骨修復中的應用潛力，很少有體內和臨床轉化研究。因此，探索不同性能材料的配合和優化靜電紡絲工藝參數對于構建理想軟骨組織工程支至關重要，而且需要進一步系統的體內和臨床研究。靜電紡絲纖維支架在臨床中關節軟骨修復中的應用還有很大的發展空間。
利益沖突：所有作者聲明不存在利益沖突。