引用本文： 李曉龍, 孔清泉. 纖維環組織工程的發展及挑戰. 中國修復重建外科雜志, 2015, 29(4): 498-502. doi: 10.7507/1002-1892.20150106 復制
椎間盤退變是臨床常見病，外科治療手段包括髓核摘除術、人工椎間盤置換術和減壓固定融合術等。手術在多數情況下可緩解癥狀，但無法逆轉退變，術后手術節段或相鄰節段椎間盤退變加速，導致髓核再次突出、腰椎節段不穩、腰椎管狹窄等疾病。近年來，通過組織工程技術再生修復椎間盤成為熱點。目前椎間盤組織工程多集中在髓核，但若只修復髓核而不修復纖維環，無法恢復椎間盤的正常生物力學環境，再生髓核會很快退變或加速退變。因此，髓核的再生修復需與纖維環再生修復協同，才符合生理椎間盤要求。椎間盤退變早期常伴纖維環斷裂，因此利用組織工程方法構建符合生理結構與功能的纖維環是預防和治療椎間盤退變的理想方案。纖維環組織工程通過制備良好生物相容性和可降解性的支架材料，將種子細胞種植于支架內，并添加合適的生物活性分子，模擬細胞生存所需三維環境，促進細胞表型表達，形成組織工程纖維環。本文就目前纖維環組織工程的種子細胞、 生物活性因子和支架材料三個方面進行討論分析。
1 種子細胞
自體或同種異體纖維環細胞、MSCs均可作為纖維環組織工程的種子細胞，不同來源種子細胞各有利弊。自體或同種異體纖維環細胞均可獲得免疫豁免，但細胞難以培養，易衰老，且來源有限，常需手術獲取，移植中細胞狀態不佳，移植后不易存活，且有誘發椎間盤退變風險。MSCs是屬于中胚層的一類多能干細胞，來源廣泛，可從骨髓、脂肪和滑膜等組織獲取，可獲得免疫豁免或僅有輕微免疫反應，是種子細胞的理想選擇。但它作為種子細胞也有以下缺點：缺少細胞分化標志物；植入細胞無法附著；無法長期耐受椎間盤環境；誘發腫瘤風險。當纖維環細胞和MSCs聯合培養時，MSCs可促進纖維環細胞增殖和細胞外基質合成，同時聯合培養也可誘導MSCs向纖維環細胞方向分化。Tsai等[1]在細胞外基質模擬支架上聯合培養人纖維環細胞和MSCs，在與纖維環細胞陽性對照組和MSCs陰性組對照研究中發現，纖維環細胞和MSCs聯合培養比例分別為 2∶1、1∶1和 1∶2時，纖維環細胞標記物Sox9、Ⅰ型膠原（collagen type Ⅰ，COL1A1）、Ⅱ型膠原（collagen typeⅡ，COL2A1）、V型膠原、聚集蛋白聚糖和絲氨酸蛋白酶（HtrA1）的mRNA表達有很大差異，同時纖維環細胞能誘導MSCs向纖維環細胞系分化，分化程度與聯合培養比例相關。當兩者聯合培養比例為2∶1時，mRNA表達水平與纖維環細胞陽性對照組最接近。可以認為，用于纖維環組織工程的纖維環細胞和MSCs聯合培養最佳比例為2∶1。
2 生物活性分子
退變椎間盤中細胞活力和營養成分會明顯減少，因此在構建組織工程纖維環的過程中加入生物活性分子很有必要。生物活性分子通過內分泌、旁分泌和自分泌等方式促進細胞外基質分泌、維持椎間盤內環境穩態及代謝平衡。參與椎間盤細胞外基質合成與分解代謝的生物活性分子包括生長因子、形態因子、酶抑制劑和細胞內調節劑[2]。生長因子主要有IGF-1、PDGF、EGF、FGF、NGF等，其中IGF-1主要促進氨基葡聚糖（glycosaminoglycans，GAGs）和膠原蛋白合成；PDGF和EGF促進椎間盤細胞增殖；FGF可促進纖維環細胞生長、分裂，維持纖維環細胞表型；NGF可加快椎間盤中神經、血管生長速度[3]。形態因子包括TGF-β、BMP-2、BMP-7、BMP-13、生長分化因子5（growth differentiation factor 5，GDF-5）等，BMP-2主要作用是上調膠原蛋白和聚集蛋白聚糖合成，BMP-7增加椎間盤細胞中蛋白多糖和膠原蛋白含量，BMP-12促進細胞外基質合成[4]；GDF-5增加椎間盤細胞合成代謝，TGF-β促進椎間盤細胞增殖和基質合成[3]。酶抑制劑包括金屬蛋白酶組織抑制劑（tissue inhibitor of metallo-proteinases，TIMP）、抗TNF-α抗體、抗金屬蛋白酶抗體等，主要作用是抑制金屬蛋白酶等誘發椎間盤退變，減少基質分解[5]。細胞內調節劑包括連接蛋白合成肽（synthetic peptide of link protein，Link N）、SMADs蛋白（Sma-Mad proteins，SMADs）、Sox9蛋白、潛伏膜蛋白1（latent membrane protein 1，LMP-1）等，Sox9主要作用是增加蛋白多糖和膠原蛋白合成，Link N主要促進細胞外基質合成，LMP-1主要促進BMP-2和BMP-7分泌及細胞外基質合成，SMADs主要通過介導BMP受體信號發揮類似BMP-2作用，如增加膠原蛋白和聚集蛋白聚糖合成[3]。
Thompson等[6]在成年犬椎間盤的纖維環、髓核及兩者交界區域分別加入IGF-1、EGF、 FGF和TGF-β 4種生長因子以評估細胞增殖反應，他們發現，EGF和TGF-β促進纖維環細胞增殖和GAGs合成作用優于IGF-1和FGF。富血小板血漿或血小板裂解液[7]含有高濃度的EGF和TGF-β等生長因子，可用于纖維環組織工程，促進基質合成和細胞生長。
3 生物支架
生物支架是纖維環組織工程的關鍵部分，支架設計原則是模擬纖維環的生理結構，要求具有纖維環組織力學性能，同時能促進細胞外基質合成。常用技術包括冷凍干燥、鹽浸、編織和非編織、熱誘導相分離和靜電紡絲[8]，其中靜電紡絲是主要技術。
纖維環生物支架材料需滿足一定要求：① 良好的生物相容性、低免疫原性和生物可降解性；② 模擬天然纖維環生理組織結構；③ 有一定生物活性，可誘導細胞生長、分化；④ 有一定機械強度，符合纖維環的力學性能，有一定可塑性；⑤ 有多孔性，有利于種子細胞生長、增殖及細胞外基質合成[9]。可分為天然材料、人工合成材料和復合材料。
3.1 天然材料
天然材料在纖維環組織工程中應用廣泛，具有良好的生物相容性、降解產物無明顯細胞毒性等。已報道的有藻酸鹽、殼聚糖、瓊脂糖、膠原蛋白、蛋白多糖、絲素蛋白、脫礦骨基質、小腸黏膜下層。Shao等[10]構建藻酸鹽-殼聚糖復合支架，觀察到生長良好的纖維環細胞及細胞外基質分泌。膠原蛋白是纖維環內層基質的主要成分，也是理想的天然材料[11]。Bowles等[12]制作膠原凝膠蛋白支架培養羊纖維環細胞，發現纖維環細胞的排列和形狀與生理狀態下相似。關于纖維蛋白凝膠能否用于纖維環組織工程仍存在爭議。Gruber等[13]將海綿狀膠原、纖維蛋白凝膠、膠原凝膠、藻酸鹽和瓊脂糖分別與人纖維環細胞聯合培養，并分析細胞生長及細胞外基質合成情況，發現纖維蛋白凝膠組中人纖維環細胞無法分泌細胞生長必需的聚集蛋白聚糖及6-硫酸軟骨素磺基轉移酶，因此認為纖維蛋白凝膠并不適用于纖維環組織工程。Sato等[14]設計了一種以膠原為原料的蜂巢形支架，接種的纖維環細胞生長良好，同時可檢測到膠原蛋白和蛋白多糖分泌。Le等[15]應用豬小腸黏膜下層設計了一種支架，接種纖維環細胞后，細胞增殖良好，細胞外基質分泌增加。Schek等[16]將京尼平交聯纖維蛋白凝膠用于纖維環修復，即使在超負荷應力下也表現出良好的細胞附著，培養中纖維環細胞生長緩慢，提示京尼平交聯纖維蛋白凝膠可能更適用于缺損較小的纖維環修復或作為大的纖維環缺損修復的補充手段。蠶絲有良好的機械性能和生物相容性，但存在一定免疫原性，通過提取其中的絲素蛋白可減低其免疫原性。這種提取的絲素蛋白材料在纖維環組織工程中應用前景廣闊。Park等[17]和Chang等[18]分別設計了一種絲素蛋白支架，接種纖維環細胞后細胞均生長良好，均能檢測到細胞外基質的分泌。
已報道的天然材料支架可以支持細胞生長，也表現出固有力學強度弱等缺陷。因此，目前研究重點在于制備具有良好機械性能的支架，以更好滿足纖維環組織工程要求。
3.2 人工合成材料
人工合成材料可塑性強，可以克服天然材料機械強度弱的不足，同時還具有可重復性、可控性、無免疫原性、易于加工等優點。已開發的人工合成材料以脂肪族聚酯類為代表，包括聚乳酸[poly（D，L-lactic acid），PLA]、聚羥基乙酸（polyg-lycolic acid，PGA）、聚乳酸聚羥基乙酸共聚物（polylactide/polyglycolide copolymer，PLGA）、聚己內酯[poly（ε-caprolactone），PCL]、蘋果酸/聚酯聚合物[poly（1，8-octanediol malate），POM]、聚已酸內酯蘋果酸三醇[poly（polycaprolactone triol malate），PPCLM]、聚酰胺（polyamid，PA）、聚氨酯（polyurethane，PU）。
Mizuno等[19]將纖維環細胞接種至PLGA支架后植入裸鼠體內，觀察到新形成的纖維環組織在大體形態、組織學、生物化學及生物力學方面與生理狀態下相似，支架內纖維環細胞能維持細胞表型穩定，同時也檢測到細胞外基質的分泌；不足在于PLGA降解后產生的酸性物質有一定細胞毒性。多數人工合成材料不具有纖維環的天然彈性，如Wan等[20]通過縮聚反應制備的生物可降解POM支架具有良好生物相容性，但力學強度差。他們將蘋果酸與聚已內酯三元醇進一步聚合改良得到的PPCLM支架，則很好解決了POM支架機械強度不足的問題[21]。Nerurkar等[22]介紹了PCL支架生成新的類似纖維環組織的能力，它由數層類似生理結構并已特定角度定向排列的納米纖維組成，能模擬纖維環組織的各向異性和非線性，被認為最適合纖維環細胞、MSCs細胞黏附和定向細胞外基質分泌，同時可獲良好力學性能。Gruber等[13]將人纖維環細胞接種到PA納米纖維支架上，發現細胞附著、生長良好，并檢測到COL2A1和硫酸軟骨素等基質合成。PU納米纖維支架是近年來研究熱點。Mauth等[23]最先制作的PU支架已被證明對纖維環細胞具有支持作用，可改善纖維環細胞黏附。后來，Yang等[24]將陰離子二羥基低聚物與PU結合，改良支架可分泌更多的纖維環細胞外基質。最近，Iu等[25]通過測定對比PU支架內接種的內層纖維環（inner annulus fibrosus，IAF）細胞與外層纖維環（outer annulus fibrosus，OAF）細胞中COL2A1、聚集蛋白聚糖、多功能蛋白聚糖和COL1A1基因表達水平，發現IAF細胞能高表達 COL2A1、聚集蛋白聚糖、多功能蛋白聚糖基因，而COL1A1基因低表達，認為PU支架可以維持IAF細胞的表型特征，和OAF細胞相鑒別。該研究可能對未來纖維環組織工程中纖維環細胞功能和表型的體外診斷具有重要意義。
盡管上述研究顯示人工合成材料在纖維環組織工程中有較廣闊的應用前景和空間，但人工合成材料仍有一些不足，如缺少生物活性、細胞親和力差、引起組織無菌性炎癥等。為解決上述問題，復合材料越來越受到重視。
3.3 復合材料
將天然材料和（或）合成材料相互組合形成的復合材料，在綜合性能方面明顯優于單一材料。依據材料組合的不同又可分為天然-天然復合支架、合成-合成復合支架和天然-合成復合支架。已報道的應用于纖維環修復和再生的復合材料包括膠原蛋白-透明質酸（hyaluronic acid，HA）、HA-聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）、骨基質明膠-聚已酸內酯蘋果酸三醇、聚左旋乳酸[poly（dl-lactic acid），PDLLA]-生物玻璃、絲素蛋白-羥丁基殼聚糖和透明質酸納米纖維（hyaluronic acid-nanofibrous，HANF）。
Alini等[26]在COL1A1-HA復合支架上接種牛纖維環細胞，細胞生長良好，并監測到 COL1A1和蛋白多糖合成。Hegewald等[27]設計了一種HA-PEG復合支架，在接種纖維環細胞后，細胞增殖及細胞外基質分泌均良好。Wan等[20]從骨皮質中提取骨基質明膠（bone matrix gelatin，BMG），與PPCLM結合制備PPCLM/BMG雙相支架，與POM支架相比，能更好模擬纖維環生理結構，且拉伸應力與天然纖維環更接近。Helen等[28]將PDLLA結合生物玻璃制備復合支架，發現纖維環細胞黏附良好，也能維持纖維環細胞表型表達，同時有硫酸氨基葡聚糖、膠原蛋白等細胞外基質分泌；此外，PDLLA降解產生的酸性物質可被生物玻璃稀釋，不產生細胞毒性；PDLLA-生物玻璃復合支架的生物力學和降解率可通過PDLLA濃度、溫度和溶劑來控制。Zhang等[29]利用靜電紡絲技術設計了一種絲素蛋白-羥丁基殼聚糖支架，這種支架的力學性能，尤其是拉伸強度比單純絲素蛋白支架更大。Nesti等[30]設計的生物可降解HANF雙相支架接種人MSCs后，加入TGF-β，細胞組織學、生物化學、免疫組織化學和基因表達分析均顯示人MSCs向類纖維環細胞分化，加入TGF-β可避免細胞因子集中釋放，延長細胞因子作用時間。此外，將支架材料與細胞因子結合也是一種支架材料設計手段。Vadalà等[31]將TGF-β與PDLLA結合設計支架，接種牛纖維環細胞，發現支架降解后TGF-β仍持續緩慢釋放，顯著增加了膠原蛋白和糖胺聚糖的合成。
新興的3D生物打印技術為構建纖維環組織工程帶來美好前景。立體平板印刷可根據預定幾何結構制備3D實物。目前已有學者[32]依靠立體平板印刷技術將橡膠狀聚三亞甲基碳酸酯用于制備纖維環組織工程支架。現階段制作復合材料有生產成本高、工藝復雜等不足，但隨著工業技術的不斷成熟，這一難題也會逐漸解決。
4 總結
目前纖維環組織工程研究尚處于體外動物實驗階段，雖已取得部分成果，但從實驗室過渡至臨床應用仍需解決諸多問題，如細胞來源有限、細胞培養困難、缺少纖維環細胞特定標記物、細胞植入技術復雜、移植細胞存活率低等。此外，當前研究主要針對小動物，人和小動物椎間盤的結構功能存在很大差異，未來尋找與人椎間盤相似的大型動物模型進行椎間盤組織工程研究意義重大。
椎間盤退變是臨床常見病，外科治療手段包括髓核摘除術、人工椎間盤置換術和減壓固定融合術等。手術在多數情況下可緩解癥狀，但無法逆轉退變，術后手術節段或相鄰節段椎間盤退變加速，導致髓核再次突出、腰椎節段不穩、腰椎管狹窄等疾病。近年來，通過組織工程技術再生修復椎間盤成為熱點。目前椎間盤組織工程多集中在髓核，但若只修復髓核而不修復纖維環，無法恢復椎間盤的正常生物力學環境，再生髓核會很快退變或加速退變。因此，髓核的再生修復需與纖維環再生修復協同，才符合生理椎間盤要求。椎間盤退變早期常伴纖維環斷裂，因此利用組織工程方法構建符合生理結構與功能的纖維環是預防和治療椎間盤退變的理想方案。纖維環組織工程通過制備良好生物相容性和可降解性的支架材料，將種子細胞種植于支架內，并添加合適的生物活性分子，模擬細胞生存所需三維環境，促進細胞表型表達，形成組織工程纖維環。本文就目前纖維環組織工程的種子細胞、 生物活性因子和支架材料三個方面進行討論分析。
1 種子細胞
自體或同種異體纖維環細胞、MSCs均可作為纖維環組織工程的種子細胞，不同來源種子細胞各有利弊。自體或同種異體纖維環細胞均可獲得免疫豁免，但細胞難以培養，易衰老，且來源有限，常需手術獲取，移植中細胞狀態不佳，移植后不易存活，且有誘發椎間盤退變風險。MSCs是屬于中胚層的一類多能干細胞，來源廣泛，可從骨髓、脂肪和滑膜等組織獲取，可獲得免疫豁免或僅有輕微免疫反應，是種子細胞的理想選擇。但它作為種子細胞也有以下缺點：缺少細胞分化標志物；植入細胞無法附著；無法長期耐受椎間盤環境；誘發腫瘤風險。當纖維環細胞和MSCs聯合培養時，MSCs可促進纖維環細胞增殖和細胞外基質合成，同時聯合培養也可誘導MSCs向纖維環細胞方向分化。Tsai等[1]在細胞外基質模擬支架上聯合培養人纖維環細胞和MSCs，在與纖維環細胞陽性對照組和MSCs陰性組對照研究中發現，纖維環細胞和MSCs聯合培養比例分別為 2∶1、1∶1和 1∶2時，纖維環細胞標記物Sox9、Ⅰ型膠原（collagen type Ⅰ，COL1A1）、Ⅱ型膠原（collagen typeⅡ，COL2A1）、V型膠原、聚集蛋白聚糖和絲氨酸蛋白酶（HtrA1）的mRNA表達有很大差異，同時纖維環細胞能誘導MSCs向纖維環細胞系分化，分化程度與聯合培養比例相關。當兩者聯合培養比例為2∶1時，mRNA表達水平與纖維環細胞陽性對照組最接近。可以認為，用于纖維環組織工程的纖維環細胞和MSCs聯合培養最佳比例為2∶1。
2 生物活性分子
退變椎間盤中細胞活力和營養成分會明顯減少，因此在構建組織工程纖維環的過程中加入生物活性分子很有必要。生物活性分子通過內分泌、旁分泌和自分泌等方式促進細胞外基質分泌、維持椎間盤內環境穩態及代謝平衡。參與椎間盤細胞外基質合成與分解代謝的生物活性分子包括生長因子、形態因子、酶抑制劑和細胞內調節劑[2]。生長因子主要有IGF-1、PDGF、EGF、FGF、NGF等，其中IGF-1主要促進氨基葡聚糖（glycosaminoglycans，GAGs）和膠原蛋白合成；PDGF和EGF促進椎間盤細胞增殖；FGF可促進纖維環細胞生長、分裂，維持纖維環細胞表型；NGF可加快椎間盤中神經、血管生長速度[3]。形態因子包括TGF-β、BMP-2、BMP-7、BMP-13、生長分化因子5（growth differentiation factor 5，GDF-5）等，BMP-2主要作用是上調膠原蛋白和聚集蛋白聚糖合成，BMP-7增加椎間盤細胞中蛋白多糖和膠原蛋白含量，BMP-12促進細胞外基質合成[4]；GDF-5增加椎間盤細胞合成代謝，TGF-β促進椎間盤細胞增殖和基質合成[3]。酶抑制劑包括金屬蛋白酶組織抑制劑（tissue inhibitor of metallo-proteinases，TIMP）、抗TNF-α抗體、抗金屬蛋白酶抗體等，主要作用是抑制金屬蛋白酶等誘發椎間盤退變，減少基質分解[5]。細胞內調節劑包括連接蛋白合成肽（synthetic peptide of link protein，Link N）、SMADs蛋白（Sma-Mad proteins，SMADs）、Sox9蛋白、潛伏膜蛋白1（latent membrane protein 1，LMP-1）等，Sox9主要作用是增加蛋白多糖和膠原蛋白合成，Link N主要促進細胞外基質合成，LMP-1主要促進BMP-2和BMP-7分泌及細胞外基質合成，SMADs主要通過介導BMP受體信號發揮類似BMP-2作用，如增加膠原蛋白和聚集蛋白聚糖合成[3]。
Thompson等[6]在成年犬椎間盤的纖維環、髓核及兩者交界區域分別加入IGF-1、EGF、 FGF和TGF-β 4種生長因子以評估細胞增殖反應，他們發現，EGF和TGF-β促進纖維環細胞增殖和GAGs合成作用優于IGF-1和FGF。富血小板血漿或血小板裂解液[7]含有高濃度的EGF和TGF-β等生長因子，可用于纖維環組織工程，促進基質合成和細胞生長。
3 生物支架
生物支架是纖維環組織工程的關鍵部分，支架設計原則是模擬纖維環的生理結構，要求具有纖維環組織力學性能，同時能促進細胞外基質合成。常用技術包括冷凍干燥、鹽浸、編織和非編織、熱誘導相分離和靜電紡絲[8]，其中靜電紡絲是主要技術。
纖維環生物支架材料需滿足一定要求：① 良好的生物相容性、低免疫原性和生物可降解性；② 模擬天然纖維環生理組織結構；③ 有一定生物活性，可誘導細胞生長、分化；④ 有一定機械強度，符合纖維環的力學性能，有一定可塑性；⑤ 有多孔性，有利于種子細胞生長、增殖及細胞外基質合成[9]。可分為天然材料、人工合成材料和復合材料。
3.1 天然材料
天然材料在纖維環組織工程中應用廣泛，具有良好的生物相容性、降解產物無明顯細胞毒性等。已報道的有藻酸鹽、殼聚糖、瓊脂糖、膠原蛋白、蛋白多糖、絲素蛋白、脫礦骨基質、小腸黏膜下層。Shao等[10]構建藻酸鹽-殼聚糖復合支架，觀察到生長良好的纖維環細胞及細胞外基質分泌。膠原蛋白是纖維環內層基質的主要成分，也是理想的天然材料[11]。Bowles等[12]制作膠原凝膠蛋白支架培養羊纖維環細胞，發現纖維環細胞的排列和形狀與生理狀態下相似。關于纖維蛋白凝膠能否用于纖維環組織工程仍存在爭議。Gruber等[13]將海綿狀膠原、纖維蛋白凝膠、膠原凝膠、藻酸鹽和瓊脂糖分別與人纖維環細胞聯合培養，并分析細胞生長及細胞外基質合成情況，發現纖維蛋白凝膠組中人纖維環細胞無法分泌細胞生長必需的聚集蛋白聚糖及6-硫酸軟骨素磺基轉移酶，因此認為纖維蛋白凝膠并不適用于纖維環組織工程。Sato等[14]設計了一種以膠原為原料的蜂巢形支架，接種的纖維環細胞生長良好，同時可檢測到膠原蛋白和蛋白多糖分泌。Le等[15]應用豬小腸黏膜下層設計了一種支架，接種纖維環細胞后，細胞增殖良好，細胞外基質分泌增加。Schek等[16]將京尼平交聯纖維蛋白凝膠用于纖維環修復，即使在超負荷應力下也表現出良好的細胞附著，培養中纖維環細胞生長緩慢，提示京尼平交聯纖維蛋白凝膠可能更適用于缺損較小的纖維環修復或作為大的纖維環缺損修復的補充手段。蠶絲有良好的機械性能和生物相容性，但存在一定免疫原性，通過提取其中的絲素蛋白可減低其免疫原性。這種提取的絲素蛋白材料在纖維環組織工程中應用前景廣闊。Park等[17]和Chang等[18]分別設計了一種絲素蛋白支架，接種纖維環細胞后細胞均生長良好，均能檢測到細胞外基質的分泌。
已報道的天然材料支架可以支持細胞生長，也表現出固有力學強度弱等缺陷。因此，目前研究重點在于制備具有良好機械性能的支架，以更好滿足纖維環組織工程要求。
3.2 人工合成材料
人工合成材料可塑性強，可以克服天然材料機械強度弱的不足，同時還具有可重復性、可控性、無免疫原性、易于加工等優點。已開發的人工合成材料以脂肪族聚酯類為代表，包括聚乳酸[poly（D，L-lactic acid），PLA]、聚羥基乙酸（polyg-lycolic acid，PGA）、聚乳酸聚羥基乙酸共聚物（polylactide/polyglycolide copolymer，PLGA）、聚己內酯[poly（ε-caprolactone），PCL]、蘋果酸/聚酯聚合物[poly（1，8-octanediol malate），POM]、聚已酸內酯蘋果酸三醇[poly（polycaprolactone triol malate），PPCLM]、聚酰胺（polyamid，PA）、聚氨酯（polyurethane，PU）。
Mizuno等[19]將纖維環細胞接種至PLGA支架后植入裸鼠體內，觀察到新形成的纖維環組織在大體形態、組織學、生物化學及生物力學方面與生理狀態下相似，支架內纖維環細胞能維持細胞表型穩定，同時也檢測到細胞外基質的分泌；不足在于PLGA降解后產生的酸性物質有一定細胞毒性。多數人工合成材料不具有纖維環的天然彈性，如Wan等[20]通過縮聚反應制備的生物可降解POM支架具有良好生物相容性，但力學強度差。他們將蘋果酸與聚已內酯三元醇進一步聚合改良得到的PPCLM支架，則很好解決了POM支架機械強度不足的問題[21]。Nerurkar等[22]介紹了PCL支架生成新的類似纖維環組織的能力，它由數層類似生理結構并已特定角度定向排列的納米纖維組成，能模擬纖維環組織的各向異性和非線性，被認為最適合纖維環細胞、MSCs細胞黏附和定向細胞外基質分泌，同時可獲良好力學性能。Gruber等[13]將人纖維環細胞接種到PA納米纖維支架上，發現細胞附著、生長良好，并檢測到COL2A1和硫酸軟骨素等基質合成。PU納米纖維支架是近年來研究熱點。Mauth等[23]最先制作的PU支架已被證明對纖維環細胞具有支持作用，可改善纖維環細胞黏附。后來，Yang等[24]將陰離子二羥基低聚物與PU結合，改良支架可分泌更多的纖維環細胞外基質。最近，Iu等[25]通過測定對比PU支架內接種的內層纖維環（inner annulus fibrosus，IAF）細胞與外層纖維環（outer annulus fibrosus，OAF）細胞中COL2A1、聚集蛋白聚糖、多功能蛋白聚糖和COL1A1基因表達水平，發現IAF細胞能高表達 COL2A1、聚集蛋白聚糖、多功能蛋白聚糖基因，而COL1A1基因低表達，認為PU支架可以維持IAF細胞的表型特征，和OAF細胞相鑒別。該研究可能對未來纖維環組織工程中纖維環細胞功能和表型的體外診斷具有重要意義。
盡管上述研究顯示人工合成材料在纖維環組織工程中有較廣闊的應用前景和空間，但人工合成材料仍有一些不足，如缺少生物活性、細胞親和力差、引起組織無菌性炎癥等。為解決上述問題，復合材料越來越受到重視。
3.3 復合材料
將天然材料和（或）合成材料相互組合形成的復合材料，在綜合性能方面明顯優于單一材料。依據材料組合的不同又可分為天然-天然復合支架、合成-合成復合支架和天然-合成復合支架。已報道的應用于纖維環修復和再生的復合材料包括膠原蛋白-透明質酸（hyaluronic acid，HA）、HA-聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）、骨基質明膠-聚已酸內酯蘋果酸三醇、聚左旋乳酸[poly（dl-lactic acid），PDLLA]-生物玻璃、絲素蛋白-羥丁基殼聚糖和透明質酸納米纖維（hyaluronic acid-nanofibrous，HANF）。
Alini等[26]在COL1A1-HA復合支架上接種牛纖維環細胞，細胞生長良好，并監測到 COL1A1和蛋白多糖合成。Hegewald等[27]設計了一種HA-PEG復合支架，在接種纖維環細胞后，細胞增殖及細胞外基質分泌均良好。Wan等[20]從骨皮質中提取骨基質明膠（bone matrix gelatin，BMG），與PPCLM結合制備PPCLM/BMG雙相支架，與POM支架相比，能更好模擬纖維環生理結構，且拉伸應力與天然纖維環更接近。Helen等[28]將PDLLA結合生物玻璃制備復合支架，發現纖維環細胞黏附良好，也能維持纖維環細胞表型表達，同時有硫酸氨基葡聚糖、膠原蛋白等細胞外基質分泌；此外，PDLLA降解產生的酸性物質可被生物玻璃稀釋，不產生細胞毒性；PDLLA-生物玻璃復合支架的生物力學和降解率可通過PDLLA濃度、溫度和溶劑來控制。Zhang等[29]利用靜電紡絲技術設計了一種絲素蛋白-羥丁基殼聚糖支架，這種支架的力學性能，尤其是拉伸強度比單純絲素蛋白支架更大。Nesti等[30]設計的生物可降解HANF雙相支架接種人MSCs后，加入TGF-β，細胞組織學、生物化學、免疫組織化學和基因表達分析均顯示人MSCs向類纖維環細胞分化，加入TGF-β可避免細胞因子集中釋放，延長細胞因子作用時間。此外，將支架材料與細胞因子結合也是一種支架材料設計手段。Vadalà等[31]將TGF-β與PDLLA結合設計支架，接種牛纖維環細胞，發現支架降解后TGF-β仍持續緩慢釋放，顯著增加了膠原蛋白和糖胺聚糖的合成。
新興的3D生物打印技術為構建纖維環組織工程帶來美好前景。立體平板印刷可根據預定幾何結構制備3D實物。目前已有學者[32]依靠立體平板印刷技術將橡膠狀聚三亞甲基碳酸酯用于制備纖維環組織工程支架。現階段制作復合材料有生產成本高、工藝復雜等不足，但隨著工業技術的不斷成熟，這一難題也會逐漸解決。
4 總結
目前纖維環組織工程研究尚處于體外動物實驗階段，雖已取得部分成果，但從實驗室過渡至臨床應用仍需解決諸多問題，如細胞來源有限、細胞培養困難、缺少纖維環細胞特定標記物、細胞植入技術復雜、移植細胞存活率低等。此外，當前研究主要針對小動物，人和小動物椎間盤的結構功能存在很大差異，未來尋找與人椎間盤相似的大型動物模型進行椎間盤組織工程研究意義重大。