2.1   椎间盘的成分、结构、生物力学特   椎间盘由3种结构构成，分别为外侧的环状纤维软骨结构，称为纤维环；内部的胶状组分称为髓核，以及椎间盘上下端的终板，它们共同维持了椎间盘的结构与力学完整性[9]。进行椎间盘组织工程学构建之前，充分了解椎间盘组成各部分的成分、结构和生物力学特征是必要的。
2.1.1   髓核   髓核位于椎间盘中央，是一种高度水化的、富有弹性的凝胶状结构，其质量的80%-90%由水构成。蛋白聚糖为髓核中含量最多的有机物质，约占其干质量的50%，蛋白聚糖形成的凝胶网络中包含着杂乱排列的Ⅱ型胶原纤维(干质量15%-20%)。髓核中的胶原纤维与弹性蛋白纤维联合形成一个松散的网络结构，这种网状结构可以维持弹性记忆功能[10]。软骨样细胞为髓核中含有的主要细胞类型，这些细胞负责合成及分泌胶原蛋白和蛋白聚糖等细胞外基质[11]。在椎间盘退行性病变时，髓核细胞的代谢活性下降并发生坏死，胶原蛋白等基质发生降解，最终导致组织结构破坏[12- 13]。髓核保持一种半流体状态，在日常活动中不承受拉伸力，而其能承受纵向压力很大程度上是由于外周纤维环的限制。髓核受压情况与体位紧密关联，站立位时髓核所受压力约为1.5 MPa，卧位时约为0.5 MPa，运动坠落时髓核受压可达到3 MPa[14-15]。据此，进行髓核组织工程构建时也应根据髓核受压情况进行材料的选择。
2.1.2  纤维环   纤维环中的基质主要由Ⅰ、Ⅱ型胶原和蛋白多糖构成，胶原纤维有序排列形成的基质网络使其在维持椎间盘自身形态的同时也有着良好的抗压性能。Ⅰ、Ⅱ型胶原含量在纤维环中呈渐变分布，在最外层纤维板中Ⅰ型胶原比例为100%，而最内层纤维板中Ⅱ型胶原比例为100%[16]。同时，胶原纤维总含量也从内向外呈递增分布，这也造成纤维环从内向外硬度逐渐增加。蛋白多糖和透明质酸分布于胶原网络之间构成了细胞外基质结构，并因其高度亲水的性质，在吸水膨胀后能够为椎间盘组织提供良好的支撑性和抗压性能[17]。纤维环由15-25个独立的纤维软骨板层包绕形成 [18-19]，各板层间的胶原束交角也不同，其与水平面成角范围在25°-55°不等，呈“之”字型排列，保证了纤维环的拉伸和延展性能，保证了脊柱的旋转和屈伸活动，也可以抵抗内部髓核的横向膨胀，有效限制髓核突出[20]。由于纤维环内组成成分随着位置渐变且具有复杂的纤维排列结构，其力学性质在纤维环的不同位置也表现出明显差异，而从整体上分析纤维环的力学性质在组织工程构建中更有意义。纤维环纵向弹性模量为18-45 MPa，且刚度随着作用力的增加而增加，这可能是由于胶原纤维间的非卷曲结构导致应力增加时胶原纤维重新排布所致[21]。纤维环也是椎间盘中唯一受牵拉的组织，而椎间盘退行性病变与牵拉的作用力大小、次数、程度有直接关系。在循环荷载实验中，纤维环可以在45%最大抗压应力作用时承受超过10 000次的荷载循环[22-23]。
2.2   材料支架   椎间盘的构建材料经历了近30年的发展历程，初期的椎间盘假体多由非生物材料制成。HEDMAN等[24]在1991年设计并提出了一种全金属结构的人工椎间盘假体，此假体由上、下部分的钴铬钼终板和中间部分的钛合金弹簧组成，钴铬钼终板与上下椎体进行固定，并由钛合金弹簧提供一定的抗压能力和屈伸活动度，但此假体并不能良好地恢复节段间的灵活性。随后，为保持节段灵活性和髓核的“风琴效应”，研究人员设计了具有软性内核的椎间盘假体，起初将橡胶作为髓核构建的假体虽然在一定程度上解决了灵活性的问题，但存在橡胶断裂的风险[25]。德国林克公司研发的SB系列人工椎间盘目前已被广泛应用于临床治疗，历经3代产品，SB人工椎间盘产品可符合人工椎间盘置换患者的基本要求。其上下侧为钴铬钼合金终板与上下椎体连接，中心为可滑动的超高分子聚乙烯核心，可滑动核心结构确保应力通过髓核弹性传递，缓冲了作用于金属部分的应力，表现出良好的抗压、耐磨及保持节段间灵活性的性能[26]。
但需要注意的是以上假体均为聚乙烯、金属等材料制造的，由于其生物相容性较差，在长期体内植入周期中，持续的压力、摩擦、腐蚀可导致假体材质及结构的破坏。因此，组织工程研究提出了应用生物相容性材料构建椎间盘假体的策略。此类假体植入后可与宿主建立生物学联系，通过诱导分化、基质重塑、组织融合等过程成为具有生物活性的组织，在修复结构的同时可以发挥生物学功能，在物理和生物双层面完成了人工椎间盘组织工程的构建。
2.2.1   髓核材料支架
壳聚糖：为一种天然的阳离子多糖，由甲壳素脱乙酰来获得[27]，无细胞毒性，生物相容性良好，可在生物体内降解，并具有一定的抗菌特性，被广泛应用于组织工程研究当中，目前已被食品和药物管理局(FDA)批准作为植入性生物材料[28]。壳聚糖是一种双响应性水凝胶，在高pH值及碱性条件下其分子间可形成氢键，发生由溶胶向凝胶转变[29]；而温度响应性的特点使壳聚糖适于体内植入并在植入位置成胶[30]。ROUGHLEY等[31]用阳离子壳聚糖包载髓核细胞，体外培养7 d后发现有大量软骨基质在植入处沉积，其机制可能为阳离子水凝胶利于阴离子蛋白聚糖的吸引和聚集，并利于组织水化，提高组织活性。另有研究表明，低分子量壳聚糖水凝胶更利于软骨基质的聚集，同时也利于植入细胞的存活[32]。
但仅由壳聚糖间氢键连接组成的水凝胶力学性能较差，弹性模量、抗压强度均明显低于天然髓核，因此在作为髓核材料支架时，壳聚糖常与其他聚合物共混使用以增强力学强度[33]。GHORBANI等[34]将壳聚糖内混合加入硫酸软骨素、Ⅱ型胶原、明胶和纤维蛋白以求增强其力学强度，并优化各组分加入比例以达到最佳储能模量。另有一些研究在壳聚糖水凝胶中混入细胞因子、药物等以增加其在治疗椎间盘退变时的治疗效果。壳聚糖/谷氨酸复合水凝胶可增强静电相互作用，使得阴离子软骨基质在植入处沉积[35]。壳聚糖/双氯芬酸水凝胶在修复髓核组织的同时缓释解热镇痛药物，控制局部炎症反应，下调白细胞介素1、白细胞介素6等炎症因子表达，缓解椎间盘退变挤压神经根造成的疼痛不适[36]。壳聚糖水凝胶化学改性也为常见手段，温敏羟丁基壳聚糖、正己基乙二醇壳聚糖等通过化学改性后均被赋予了特有的理化特性，适用于不同条件下的椎间盘组织工程学构建[37-38]。
海藻酸钠：是一种在褐藻中提取的天然阴离子多糖聚合物，其可通过二价阳离子(如Ca2+、Ba2+、Mg2+)进行交联成胶[39-40]。如需进一步增加其交联强度，可联合使用用二价阳离子和胺基/丙烯基共价交联方式以增强水凝胶的力学强度的[41- 42]。初期，海藻酸钠由于提取工艺的限制其杂质较多，在体内植入后易引发免疫反应，近年来由于提取工艺优化及增加了提取后纯化步骤，使得海藻酸钠免疫原性显著降低，并可作为组织工程内植物的适宜材料之一[43]。
海藻酸盐支架可起到维持椎间盘形态支撑的功能。KALAF等[44]在牛尾退变的椎间盘内注射Ca2+交联的海藻酸钠凝胶，虽然在体外37 ℃培养28 d后海藻凝胶支架的压缩模量由648.41 kPa降低到20.49 kPa，但体内植入后经治疗的椎间盘高度及椎间盘弹性模量较对照组均有明显提升，但仅通过海藻酸钠凝胶进行髓核支撑仍达不到足够的治疗效果。YANG等[45]在海藻酸钠凝胶内植入了髓核细胞，并通过聚己内酯电纺丝在海藻酸钠髓核外构建具有足够力学强度的“滚筒式”纤维环结构，明显负担了髓核的抗压负担。植入3个月后，光镜下可见构建的组织工程支架与周围组织达到了良好的整合。
海藻酸钠具有良好的生物相容性，髓核细胞植入后在海藻酸钠凝胶内仍可保持良好的细胞活性[45-46]。为使海藻酸钠凝胶获得更好的组织相融性，可以通过构建适宜髓核细胞的胞外微环境，激活软骨分化相应蛋白表达功能，并促进髓核细胞分泌髓核基质以重构破损的髓核结构。而生理状态下脊柱负重时的压力负荷刺激为一种有效的髓核细胞刺激方式。ZENG等[47]在海藻酸钠凝胶中植入髓核细胞后利用外部生物反应器予以凝胶块压力负荷(0.2 MPa、0.8 MPa)，海藻酸钠凝胶构建的细胞外基质中的软骨生成标志基因SOX9、Ⅱ型胶原和蛋白聚糖明显上调，表明植入的细胞接受压力刺激而发生成软骨转化，并对细胞外基质发生一定程度的髓核组织样重构。通过以上实验，海藻酸钠凝胶加上合适的体外诱导刺激可获得理想的髓核组织工程构建方式。
透明质酸：是一种由β-1，4-D-葡萄糖醛酸和β-1，3-N-乙酰-D-葡萄糖胺交替排列的线性阴离子多糖[48]。透明质酸构成的三维立体网状结构具备强大的保水功能，而高含水量的透明质酸具有良好的延展性和弹性。但线性透明质酸力学强度较差且在透明质酸酶作用下很快会发生降解，限制了透明质酸在负重结构组织工程构建中的应用[49]。在后续研究中发现，透明质酸经过席夫碱反应完成共价键交联后可展现出良好的抗压及抗剪切强度，符合组织工程生物材料的应用要求[50]。此外，透明质酸作为组织工程支架具有良好的生物相容性之外，可以与细胞表面的CD44、RHAMM等受体相结合，发挥调节细胞形态、迁移等细胞行为的功能作用[51]。
作为髓核组织工程构建材料时透明质酸支架可维持良好的形态结构。SU等[52]发现氧化透明质酸经己二酸二酰肼交联后，在37 ℃的PBS中连续培养35 d维持了形态结构的稳定。在透明质酸中植入髓核细胞进行培养后，细胞高表达CA12、KRT19等髓核细胞特异性基因，同时胞外基质中氨基聚糖、Ⅱ型胶原等软骨向分泌蛋白也表达增加，表明透明质酸构建的细胞外基质环境有着良好的促分化能力[53]。在动物实验中发现，以透明质酸为基本材料构建的人工髓核植入后可有效维持退变椎间盘高度，组织学分析证明植入材料与周围自体组织也达成了良好的整合[54]。
椎间盘退变常伴随着局部炎症反应，而透明质酸则具有一定的抗炎作用。KAZEZIAN等[55]研究表明，透明质酸可以减少局部单核/巨噬细胞的聚集，并下调椎间盘退变发病过程中关键炎症因子胰岛素样生长因子结合蛋白3和干扰素诱导蛋白3的表达，有效抑制椎间盘退变的病情进展。另外，透明质酸的存在可减轻手术部位的炎症发生和瘢痕形成，避免术后瘢痕形成压迫脊髓等并发症的发生。
2.2.2    纤维环材料
丝素蛋白：为天然蚕丝的中心结构，由18种氨基酸构成，是一种纤维状的蛋白。作为一种天然高分子材料，丝素蛋白具有良好的生物安全性，作为体内植入材料，丝素蛋白在利于组织生长的同时显示出无毒性、促炎、致敏等副作用[56-57]。丝素蛋白也具有作为组织工程支架合适的降解时间。LU等[58]的研究表明，丝素蛋白降解时间与结构中β-折叠数量呈正相关，通常降解时间为一两年。当新生组织尚未完全形成前，丝素蛋白支架可提供黏附位置和力学支撑；而新生组织良好生成后支架发生降解，为新生组织提供更多的生长空间。丝素蛋白亦具备优异的力学性能，丝素蛋白结晶区β-折叠结构对其力学性能起到决定性作用，在维持纵向良好抗张强度(0.6 GPa)的同时亦表现出极好的延展性(18%)，这种高强度、高延展性的材料性能极适用于运动系统的组织工程重建当中[59]。
针对不同的组织工程重建要求，丝素蛋白可通过不同工艺方式加工为合适的支架形态。①三维多孔丝素蛋白支架：通过冻干法、致孔剂法可获得具有多孔立体结构支架，前者孔隙率可通过丝素蛋白溶液浓度调节，而后者则依靠致孔剂颗粒大小决定[60-61]。生物3D打印是新型成型技术，通过计算机精确控制可制造出精细、整齐排列的孔隙结构[62]。②丝素蛋白水凝胶：通过改变丝素蛋白溶液的温度、pH值即可获得水凝胶，但此种水凝胶中交联作用力为氢键、静电作用力，不能维持交联稳定性[63]；而碳二亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺等作为交联剂加入丝素蛋白溶液，即可获得稳定持续的丝素蛋白水凝胶[64]。③丝素蛋白纤维：通过静电纺丝技术使挤出的丝素蛋白在强电场作用下产生射流，在收集屏上投射出丝素蛋白纤维[65]。
由于丝素蛋白优异的生物相容性和力学性质，其作为纤维环构建材料极为适合，但由于纤维环需要兼具抗压能力和活动度，因此选用何种丝素蛋白支架形态是非常重要的。PARK等[66]比较了三维多孔丝素蛋白支架和三维片层支架作为纤维环修补材料的优劣，发现片层结构更利于种子细胞的定植和软骨向分化，同时片层结构支架的断裂伸长率也更近似于天然人纤维环。类似的，用片层状丝素纤维支架作为纤维环补块也展现出良好的修复效果[67]。天然纤维环由15-25层同心软骨组织板层包绕而成，相邻软骨板层内胶原纤维方向呈一定夹角。为了进一步仿生模拟天然纤维环结构，丝素蛋白纤维纺丝被线性排列，并逐层包绕模拟板层结构；另外，通过调整纺丝方向使得相邻板层纤维交角呈30°，利于抵抗吸收纵向压力，并使得屈伸活动灵活不受限；在进行长期植入后，新生纤维环内胶原纤维方向亦与丝素蛋白纺丝方向一致，并获得长期有效的人工椎间盘构建[68-69]。
胶原：是人体组织内细胞外基质的主要成分之一，大量存在于连接组织中，起到抗拉伸、抗剪切功能，并给连接组织提供一定的活动度。胶原为常见的机体内天然大分子，具有生物相容性良好、免疫原性低、可降解等优点[70]。胶原基质中富含精氨酸-甘氨酸-天门冬氨酸组成的RGD序列，利于细胞在其中的黏附与连接[71]。另外，胶原也是一种高效的表面活性物质，组织工程研究中为使细胞与金属、高分子等疏水界面结合，可在疏水界面表面修饰一层胶原，以提高界面亲水性，利于细胞的黏附[72]。
纤维环细胞在高浓度胶原水凝胶中可表现出良好的活性，这为构建具有生物活性的胶原基纤维环结构提供了可能[73]。由于纤维环在椎间盘中起到了主要的负重功能，为使其具有更良好的抗压性能，MORIGUCHI等[74]使用核黄素对胶原支架进行进一步交联，在提高胶原支架力学强度的同时也增强了胶原支架中成纤维细胞及软骨细胞活性。胶原凝胶具有一定的收缩性，而胶原纤维在收缩过程中可进行自组装与结构重塑。细胞植入胶原凝胶后，细胞周围的胶原纤维进行重排，形成环状结构包裹细胞，并有着诱导细胞分化的作用[75]。
明胶由胶原高温降解得到，是一种不均一的大分子水溶性蛋白，其分子质量为103-105 kD[76]。由于明胶成分结构与胶原一致，故具有与胶原相似的生物相容性，种子细胞在明胶支架中可保持良好的活性[77-78]。但由于在制备过程中经高温处理，胶原中的3股螺旋结构被破坏，使得明胶力学强度明显低于胶原凝胶，因此在纤维环组织工程研究中明胶常与其他生物材料联合使用，起到增强生物相容性、提高支架力学强度的作用[79]。
聚乙二醇：是一种合成聚醚，也被称为聚环氧乙烷或聚氧乙烯。环氧乙烷与水在催化剂的作用下可高效反应合成聚乙二醇。另外在合成反应中，使用乙二醇或乙二醇低聚物代替水可以有效控制合成聚乙二醇分子链的长度范围，以获得分子质量分布更均一的聚乙二醇[80]。
聚乙二醇基水凝胶因其毒性低、易于合成、水化性较高的特点，已作为生物材料尤其是药物控释载体被广泛应用于临床[81-82]。聚乙二醇的聚醚链仅在链末端有一个官能团，导致细胞在凝胶表面黏附度不足，故作为生物材料支架时常需要额外的物理或化学处理手段来促进聚乙二醇支架的生物活性[83]。
透明质酸具有良好的生物活性，通过透明质酸与聚乙二醇的聚合可获得兼具良好生物力学性能和生物活性的材料支架。聚乙二醇构建的支架弹性模量可达70-489 kPa，可满足椎间盘生理负重需求。另外，通过在聚乙二醇支架中复合不同分子量透明质酸可构建满足髓核细胞和纤维环细胞生长不同需求的细胞外微环境[84]。在其他研究中，层粘连蛋白、白蛋白等均被用于与聚乙二醇交联形成高细胞亲和性水凝胶，并用于椎间盘结构的修复。研究发现，经过改性的聚乙二醇支架可有效提高植入细胞的黏附，并诱导细胞分泌糖胺多糖、Ⅱ型胶原等软骨基质[85-86]。
聚乳酸/聚乳酸-聚乙醇酸共聚物：聚乳酸和聚乳酸-聚乙醇酸共聚物为人工合成的温敏性芳香族聚酯类材料，具有良好的生物相容性并可在体内发生降解，单聚乳酸和聚乙醇酸长链上的酯基易发生水解而导致整条聚合链的降解[87-88]。尽管单体的聚乳酸和聚乙醇酸易水解而不稳定，但以他们为基础材料进行进一步聚合可以获得理化性质更加稳定的支架材料。
MIZUNO等[89]将聚乳酸作为涂层修饰在网状聚乙醇酸支架上作为纤维环替代材料，同时将纤维环细胞种植入支架中以增强其生物学功能，植入大鼠皮下发现支架内的Ⅰ型及Ⅱ型胶原、糖胺聚糖含量均明显增加。透明质酸也可用以与聚乳酸-聚乙醇酸共聚物结合来修复退变的椎间盘纤维环，在兔椎间盘退变模型中植入此复合支架可见有细胞迁移进入支架内，达成与周围组织的整合效果，MRI检测结果表明治疗利于维持椎间盘高度[90]。聚L-乳酸是聚乳酸的消旋混合物，将其与生物玻璃颗粒共制成泡沫状支架可提高其对细胞的黏附性，并可诱导种子细胞成软骨向分化[91]。
聚乳酸-聚乙醇酸共聚物在保持良好生物相容性的前提下，可通过聚合成分配比调节材料力学性能和降解速度，以满足作为组织工程支架的性能要求。目前聚乳酸-聚乙醇酸共聚物已通过FDA认证，作为药用辅料收录入美国药典[92]。由于机械性能增强，聚乳酸-聚乙醇酸共聚物支架可构建成具有多级孔径大小的网格形态(90-425 μm)，以构建具有梯度孔径分布的细胞外基质结构，植入大鼠皮下后发现随着孔径增大，其成软骨诱导分化能力越强[93]。LIANG等[94]的研究中构建了聚乳酸-聚乙醇酸共聚物微球并包载了脂肪间充质干细胞、转化生长因子3注射入大鼠退变椎间盘中，与对照组相比有更多的软骨基质分泌，椎间盘高度也有相应的增加。
聚己内酯：是通过ε-己内酯单体在金属阴离子络合催化剂作用下开环反应聚合成的高分子有机聚合物[95]。聚己内酯也通过了FDA批准作为生物材料应用于人体，其降解时间较聚乳酸更缓慢，通过混合加入聚乙烯醇或聚乙醇酸可以控制聚己内酯材料的降解时间[96]。另外，聚己内酯的高弹性、易塑化加工等性质使其更适宜于生物材料支架的制造[97-98]。
聚己内酯常被制造为电纺丝材料，以模仿纤维环结构。天然纤维环板层结构间具有一定的夹角，此结构特点有利于力学缓冲与吸收。多层聚己内酯电纺丝即可模仿板层交角结构，来构建具有力学性质优势的纤维环支架[99]。聚己内酯多层电纺丝支架剪切模量主要取决于板层长宽比、交角角度、是否存在细胞等因素。目前发现，长宽比为1∶2、板层间交角为30°时支架的剪切模量最大[100]。将间充质干细胞植入聚己内酯多层电纺丝支架后其可发生软骨向分化，分泌糖胺聚糖、胶原等软骨基质，增强重建支架，提高支架的生物力学性能[101]。为提高支架的细胞黏附性，KOOK等[102]将海藻酸钠凝胶与聚己内酯支架结合并在该体系内共培养间充质干细胞和退变髓核细胞，结果提示该支架更利于细胞的黏附和软骨基质表达。湿法纺丝也是构建聚己内酯纤维环支架的常用方法之一，可制造出直径约20 μm的聚己内酯纤维丝，与纤维环内胶原纤维束粗细相近，当细胞植入后更利于成软骨分化[103]。
2.2.3   髓核-纤维环一体化支架   当椎间盘整体结构遭到破坏时，为保持节段间活动度需考虑全椎间盘构建，即髓核-纤维环一体化支架。但全椎间盘构建并非简单的1+1=2，即将人造髓核和人造纤维环随意组合。首先，髓核材料和纤维环材料的理化性质应相互契合，如两种材料不能产生化学反应、髓核材料泊松比不能明显大于纤维环材料等；其次，在植入体内后，人造髓核和纤维环材料不应作为孤立的结构，而应作为整体进行机化、再造，进而形成功能、结构均可替代原生组织的新生椎间盘。
MIZUNO等[104]于2004年进行了髓核-纤维环一体化支架组织工程学构造的初次尝试，髓核部分使用包含牛髓核细胞的海藻酸钠凝胶，纤维环部分则使用包含牛纤维环细胞的聚乙醇酸/聚乳酸支架材料。结果表明，髓核和纤维环部分均有相应基质再生，且抗压强度可承受正常情况下的脊柱压力，但发现髓核及纤维环部分未见明显的组织整合。BOWLES等[105-106]选用了2种天然高分子材料进行组合，以含髓核细胞的海藻酸钠作为髓核，以搭载纤维环细胞的胶原凝胶作为纤维环部分，在植入鼠尾椎间盘后可见椎体高度较对照组有了明显增高，组织切片可见两部分材料已发生整合现象，形成类似天然椎间盘的连接结构。以上研究植入细胞策略为在相应组织植入其组织内的成熟细胞，但该方法有着成熟细胞受限、细胞活性不佳等弊端。NERURKAR等[107]将琼脂糖髓核-聚己内酯纺丝纤维环支架中均负载间充质干细胞，这样解决了细胞供应等问题，且体内实验证明该支架植入后有良好的胞外基质沉积。另外，亦有多项研究将脱细胞基质作为材料构建髓核-纤维环一体化支架，其具有加工简单、形态高度仿生等优势，但并不属于广义上的高分子材料，故在文中不做过多叙述[108]。

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椎间盘为脊柱中连接相邻椎体的软骨连接结构，起到承载人体上肢和躯干的质量负荷、保持椎体间运动功能的作用。随着年龄增长，椎间盘内成分比例失衡，如含水量下降、胶原含量减少造成椎间盘弹性降低，最终导致椎间盘退行性病变发生[1-2]。椎间盘退行性病变是导致下腰背痛的主要病因，受其影响的人群范围极大，约有80%的人一生中至少有一次受到椎间盘退行性病变的影响[3-4]。目前，临床上针对椎间盘退行性病变的治疗方法大体分为保守治疗和手术治疗两大类，物理治疗、药物治疗、硬膜外类固醇注射等保守治疗方式失效时则需进行手术干预[5-6]。椎体间融合是治疗椎间盘退行性变的经典手术疗法，此术式可以固定不稳定节段而起到有效缓解疼痛的作用。但椎体间融合也存在着诸多弊端，如牺牲椎体间活动度、干扰邻近节段生物力学性质、加速邻近椎间盘退变等问题[7]。因此，目前亟需一种可以同时兼顾缓解疼痛和满足生物力学需求的椎间盘重建策略。
新兴的组织工程学技术为椎间盘退行性变治疗提供了新的思路，即利用生物材料重新构建破坏的椎间盘结构，其中椎间盘外部的纤维环和内部的髓核是需要进行重建的重要结构。在组织工程椎间盘重建研究中，研究者通过构建性能理想的结构支架、辅以合适的刺激因子和种子细胞，最大程度还原了椎间盘的生理结构和力学特征。文章旨在总结现有的用于椎间盘重建的组织工程学技术方法，诸如细胞治疗、生物材料构建等，并为后续椎间盘组织工程构建提供了新的思路[8]。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

1.1   资料来源   检索PubMed、Web of Science、中国知网数据库，英文检索词为“polymer，intervertebral disc，tissue engineering, nucleus pulposus，annulus fibrosus”，中文检索词为“高分子、椎间盘、组织工程、髓核、纤维环”。
1.2   资料筛选
纳入标准：①与椎间盘组织工程相关原创性文章；②与该文主题相关程度高；③涉及高分子材料用于椎间盘组织工程的文章；④具有时效性、权威性的综述文章。
排除标准：①研究目的与该文无关文章；②质量低，证据等级不够的文章；③非时效性文章。
1.3   资料提取   文献筛选策略流程见图1。首先根据检索策略初检共得到189篇文献，通过阅读题目和摘要，去除与内容无关文献，初筛获得文献118篇。随后阅读全文，排除证据等级不高的文献，最终得到符合标准的文献共计109篇。

组织工程学方法在椎间盘退变治疗中具有多项优势：重构退变的椎间盘形态，恢复椎间盘高度；植入物长期植入后可与周围组织发生融合后，最终形成为“自体组织”；植入物的生物力学性能可控，在恢复椎间盘承重需求的同时保持椎间盘结构的活动度，避免植入后脊柱僵硬。
由于椎间盘的负重功能，用于椎间盘构建的材料需兼具生物相容性好、生物力学性能优良的特点。构建髓核和纤维环的生物材料需求也不同。髓核构建需选用相对软质的生物材料，以起到缓冲应力、吸收震荡的作用。壳聚糖、海藻酸钠、透明质酸等天然高分子材料通过改性后具有理想的泊松比和溶胀系数。为进一步促进体内植入后的组织相容性，常通过联合髓核细胞培养诱导细胞分化并分泌软骨基质，最终可达成与自体髓核功能类似的组织工程髓核构建效果。纤维环承担着更多的应力传导功能，因此对其生物力学强度要求更高。合成高分子材料如聚乙二醇、聚乙醇酸、聚己内酯等常被用于纤维环的构建，通过调节高分子链长短与侧链结构可获得生物力学性能和降解速度满意的纤维环构建材料。丝素蛋白和胶原虽为天然高分子蛋白，但特殊的多肽链二级及三级结构使其具有高强度的力学性能，联合细胞植入后通过在体内的机化和改性使其生物力学性能发生一定的转变，并适应满足植入位置的生物力学要求。
目前用于椎间盘组织工程构建的高分子材料已被广泛研究并开始进入临床转化阶段，但椎间盘退变并非仅仅是物理层面的椎间盘结构破坏，其涉及了神经压迫、局部炎症状态、免疫调节失衡及分子生物学层面等因素，故仅靠构建出符合生物力学的支架是不能满足治疗需求的。通过对椎间盘退变病因的进一步认识，希望以高分子材料为载体，通过其搭载具有治疗作用的基因修饰细胞、细胞因子、RNA等以强化对疾病的治疗效果，在宏观和微观下针对椎间盘退变进行有效治疗[109]。
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文题释义：#br# 髓核：位于椎间盘中央，是一种高度水化的、富有弹性的凝胶状结构，其质量的80%-90%由水构成。蛋白聚糖为髓核中含量最多的有机物质，约占其干质量的50%，蛋白聚糖形成的凝胶网络中包含着杂乱排列的Ⅱ型胶原纤维(干质量15%-20%)。髓核中的胶原纤维与弹性蛋白纤维联合形成一个松散的网络结构，这种网状结构可以维持弹性记忆功能。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

该文系统性地总结了适用于椎间盘组织工程构建的高分子材料。其中，壳聚糖、海藻酸钠、透明质酸等软性的、细胞相容性优良的天然高分子材料适用于髓核的构建；而丝素蛋白、胶原、聚乙二醇、聚乳酸、聚乙醇酸和聚己内酯等力学强度优良的材料适合用于起到承重功能的纤维环的构建。另外，考虑到全椎间盘破坏的临床情况，还讨论了纤维环-髓核一体化支架的构建，以满足此情况下的治疗要求。在文末结合了各类材料的物理、生物学性能，对椎间盘组织工程构建的前景进行了讨论。#br#

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