静电纺丝肌腱、软骨与其他组织修复：材料、结构与研究进展

01肌腱、软骨与肌肉 需要不同的结构答案

这些方向都可以使用纤维结构，但不能共用同一个“性能越高越好”的判断标准。肌腱和韧带研究常关注沿轴向的拉伸与细胞排列；软骨研究需要同时处理压缩、层次结构和基质形成；骨骼肌研究则会把细胞排列、肌管形成与血管相关细胞共培养联系起来。^1,2,3,4,5,6

还应区分肌腱修复支架与肌腱防粘连膜。前者希望目标细胞进入并形成有序组织，后者关注周围组织隔离和滑动界面保护。即使材料名称相同，两类样品的孔结构和表面要求也可能不同；本文讨论的是组织修复结构。^1,2

02静电纺丝在复合支架中承担哪一步

电纺层可以是主体，也可以只承担接触引导、界面调节或局部递送。取向膜能够进一步卷制成束，与较粗纱线织成的结构复合；用于软骨时，也可以将电纺纤维分散为短纤维，加入可打印基质中。选择工艺前，应先确定纤维是保持连续、成束、分层，还是作为增强组分分散。^1,2,4

多工艺组合的研究尤其值得关注。编织骨架或打印结构可以提供较大尺度的形状和支撑，细纤维则调节细胞接触的局部环境。最终效果属于整个组合体系，需要同时验证纤维方向、孔隙、界面结合和湿态力学，不能将复合支架的全部表现归因于某一台设备或单一道工艺。^2,3,4,6

03肌腱与韧带 从取向膜走向分级复合支架

同一种PCL 改变排列和卷束方式

Pauly等2016年比较随机或取向PCL纤维制成的平面膜与卷制纤维束，考察几何形态对力学和细胞行为的影响。研究发现，不同结构的模量、屈服行为与细胞伸展不同；脂肪来源干细胞在7天培养中保持活性并增殖。这项材料与体外研究说明，纤维的组织方式本身就是设计变量，而不仅是聚合物配方。¹

论文将部分力学指标与天然韧带范围联系，但这不等于纤维束已经能够在人体替代韧带。对于长期承受重复牵拉的修复结构，初始拉伸结果还需要与湿态、疲劳、固定方式和组织整合分别衔接。¹

让支撑层逐步开放 同时保留方向线索

Xie等2024年把PGA与丝纱构成的梯度降解编织层，与提供方向引导的电纺层结合。较快降解组分逐步形成进入通道，电纺层则在不同阶段为细胞和胶原排列提供线索。研究在大鼠跟腱缺损中观察组织浸润与排列，并在8周进行力学评价，报告了修复改善。²

这项动物研究的启发，是把“植入时的结构”与“降解后的结构”作为一个连续过程设计。单纯增加初始孔隙或增加纳米纤维厚度，都可能改变支撑和进入之间的平衡，因此需要沿时间观察整个复合支架。²

04软骨修复 从分区结构到纤维增强基质

通过工艺组合形成不同结构区

英国团队Munir等2019年把低温打印与电纺结合，构建具有不同纤维取向和孔结构的PCL多区支架。间充质干细胞在4周体外培养中能够附着和存活，并保留糖胺聚糖相关表现。研究支持分区结构作为软骨培养平台的探索；它没有直接证明关节软骨在动物或患者中已经恢复正常功能。³

短电纺纤维也能作为三维支架的增强组分

Weiming Chen等2020年报道，将明胶/PLGA电纺纤维处理成分散短纤维，加入软骨脱细胞基质打印墨水。由此形成的支架兼顾预定外形、内部孔结构与湿态力学，并在兔关节软骨缺损中报告修复改善。电纺在这里主要提供增强组分，最终样品由纤维、脱细胞基质及后续成形共同构成。⁴

核壳纤维把局部释放引入软骨细胞研究

Wei Chen等2020年用同轴电纺将硫酸氨基葡萄糖包入PCL纤维，考察结构、释放和大鼠关节软骨细胞的体外反应。结果支持该材料在特定培养条件下促进细胞生长的探索，但证据停留在细胞层面。其“软骨再生”研究目标不能直接表述为已经修复软骨缺损。⁵

05骨骼肌研究 让排列与细胞配合同时发生

韩国团队Yeo和Kim在2020年将细胞电纺与3D打印结合，在PCL/胶原支撑结构上构建含人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的海藻酸盐纤维，再接种C2C12成肌细胞进行共培养。研究观察到细胞排列、肌管相关形态及成肌基因表达改善，把纤维方向线索与不同细胞之间的配合联系起来。⁶

这是体外骨骼肌组织工程平台，不能把内皮细胞参与培养等同于已经建立可灌注血管，也不能由肌管标志物推导肌力恢复。它对材料开发的意义，是提出可分别研究的变量：支撑结构如何固定，纤维怎样引导细胞，哪类细胞放在哪里，以及如何检验相互作用。⁶

细胞电纺与先制备无细胞纤维、再接种的流程也不同。前者需要围绕活细胞状态、生物墨水和操作环境专门设计；不能把普通溶剂型电纺的工艺参数直接移用到活细胞体系。⁶

06从结构相似到组织功能 证据需要逐步连接

这些论文共同展示了纤维排列、分区和复合的设计价值，但各自回答的问题不同。Pauly的纤维束、Munir的多区软骨支架、硫酸氨基葡萄糖核壳纤维及Yeo的共培养平台，以材料或体外实验为主要依据；Xie的跟腱支架与Weiming Chen的软骨复合支架，进一步开展了相应动物缺损研究。^1,2,3,4,5,6

肌腱的有序胶原、软骨的糖胺聚糖或Ⅱ型胶原，以及肌肉的成肌标志，都有助于理解修复过程，但不能彼此替代，也不能单独代表长期功能。阅读结果时应保留组织部位、动物种类、评价周期和对照条件。本文所选文献未提供人体疗效试验，不据此断言整个领域是否存在其他人体研究。^1,2,3,4,5,6

07把组织需求转化为可以制备和检测的样品

肌腱方向可先说明样品是平面补片、卷制纤维束还是编织复合件，以及主要受力方向和固定方式；软骨方向可描述厚度、分区、压缩要求，以及纤维是否要与水凝胶或脱细胞基质复合；骨骼肌培养则可从细胞类型、方向和培养支撑开始。不同信息对应不同的收集与复合配置。

对于取向样品，应记录纤维方向分布及轴向和横向差异；对于分层支架，应检查层间结合和湿态变形；对于短纤维增强体系，应把纤维分散、长度分布与后续成形一起评价。连续制备或扩大面积时，还需要检查不同位置是否保持相近结构，避免平均值掩盖局部差异。

残留溶剂、清洗、灭菌影响与生物相容性需要结合材料体系开展。若包含蛋白、药物或活细胞，还应验证相应活性与处理耐受性。工艺记录、结构检测和生物评价相互对应，才能判断样品之间的差异来自哪里，并据此讨论设备功能。^1,2,3,4,5,6

08肌腱、软骨及肌肉支架研发中的常见问题

有了取向纤维 是否就能实现肌腱再生

取向是有价值的结构线索，还需要与细胞进入、支撑保持和组织重塑相协调。平面膜的体外结果与完整跟腱缺损修复属于不同证据阶段。^1,2

静电纺丝只能做薄膜吗

不是。文献中既有卷制纤维束，也有与编织或打印结构结合的三维支架，以及作为增强组分的短纤维。最终形态需要根据用途确定，并衔接相应后处理。^1,2,3,4

软骨支架是否一定要采用核壳载药结构

不一定。分区几何、纤维增强与局部释放是不同研究路线。应先明确希望解决的是细胞分布、湿态支撑还是生物组分递送，再选择相应结构。^3,4,5

参考文献

以下为本文所用原始研究，由通力独立归纳。文献解读不表示论文作者、研究机构与通力存在设备采购或合作关系；具体阅读范围见各条文献说明。

1. Pauly HM, Kelly DJ, Popat KC, et al. Mechanical properties and cellular response of novel electrospun nanofibers for ligament tissue engineering: Effects of orientation and geometry. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2016;61:258–270.

   DOI：10.1016/j.jmbbm.2016.03.022 ↗

   阅读范围：本地原始全文，并核对PubMed与作者机构记录

2. Xie X, Wang X, Ding D, et al. Multilayer woven scaffolds with gradient degradation and nano guidance properties for tendon reconstruction: Continuously promoting tissue infiltration and inducing tissue alignment. Nano Today. 2024;56:102277.

   DOI：10.1016/j.nantod.2024.102277 ↗

   阅读范围：本地原始全文，核读编织/电纺方法、大鼠跟腱模型及8周力学评价；期刊页面核对

3. Munir N, McDonald A, Callanan A. A combinatorial approach: Cryo-printing and electrospinning hybrid scaffolds for cartilage tissue engineering. Bioprinting. 2019;16:e00056.

   DOI：10.1016/j.bprint.2019.e00056 ↗

   阅读范围：本地原始全文及期刊摘要；本地文件附有2020年利益声明补充勘误

4. Chen W, Xu Y, Li Y, et al. 3D printing electrospinning fiber-reinforced decellularized extracellular matrix for cartilage regeneration. Chemical Engineering Journal. 2020;382:122986.

   DOI：10.1016/j.cej.2019.122986 ↗

   阅读范围：本地原始全文，并核对期刊原始摘要、方法和结论

5. Chen W, Wang C, Gao Y, et al. Incorporating chitin derived glucosamine sulfate into nanofibers via coaxial electrospinning for cartilage regeneration. Carbohydrate Polymers. 2020;229:115544.

   DOI：10.1016/j.carbpol.2019.115544 ↗

   阅读范围：本地原始全文，并核对PubMed与期刊摘要；为体外软骨细胞实验

6. Yeo M, Kim G. Micro/nano-hierarchical scaffold fabricated using a cell electrospinning/3D printing process for co-culturing myoblasts and HUVECs to induce myoblast alignment and differentiation. Acta Biomaterialia. 2020;107:102–114.

   DOI：10.1016/j.actbio.2020.02.042 ↗

   阅读范围：本地原始全文及PubMed摘要；为体外细胞共培养