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user: 6. 人工生物角膜材料研究进展 由于角膜捐献供体数量的严重匮乏导致很多角膜病患者在等待中失去了复明的唯一希望 [ 53 ]。因此，寻找到一种合适的替代产品来代替供体角膜的迫在眉睫。人工生物合成的角膜替代物相比天然人体角膜具有以下显著优势：可大规模生产，为解决全球供体角膜的严重短缺这一问题提供了一个强有力的潜在解决方案；严格地控制生产过程能够确保完全无菌化；低抗原性的人工生物材料可以避免由同种异体角膜移植所引起的免疫排斥反应；定制化的角膜替代物可以使患者获得最佳的术后视力 [ 54 ]。近年来生物材料的迅速发展有助于高质量角膜替代物的构建。 6.1. 聚甲基丙烯酸甲酯材料 传统的人工角膜材料由聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate， PMMA)构成，主要有3种类型：波士顿人工角膜、骨–齿型人工角膜以及俄罗斯MICOF人工角膜。这3种人工角膜材料主要适用于无法进行角膜移植的严重角膜盲患者，包括严重化学伤、热烧伤、Stevens-Johnson综合征、干燥综合征和眼外伤等眼表严重紊乱、严重新生血管化的患者 [ 55 ]。但使用这三种类型的人工角膜都有发生严重并发症的高风险，如钙化、青光眼、镜后膜形成、视网膜脱离、角膜溶解等 [ 54 ]。 6.1.1. 波士顿人工角膜 波士顿人工角膜分为I型和II型，均由PMMA作为中央角膜光学柱镜，周围连接一个钛固定环，但使用波士顿人工角膜需要使用供体角膜进行连接。I型和II型区别是II型中的光学柱镜较I型前凸约1~2 mm。波士顿I型人工角膜为目前使用最多的人工角膜之一 [ 56 ]。使用波士顿人工角膜进行角膜移植最主要的术后并发症是镜柱后膜形成，其他包括视网膜脱离、玻璃体积血、青光眼、无菌性玻璃体炎以及角膜溶解等 [ 57 ]。 6.1.2. 骨–齿型人工角膜 骨–齿人型工角膜(Osteo-Odonto Keratoprothesis， OOKP)由中央的PMMA光学柱镜和周围的自体牙齿支架组合构成。使用OOKP进行角膜移植最常见的术中并发症是玻璃体出血，最常见的长期致盲并发症是发生继发性青光眼 [ 58 ]。由于OOKP需要使用自体牙齿作为支架，制备过程较为繁琐，应用范围有限。 6.1.3. 俄罗斯MICOF人工角膜 俄罗斯MICOF人工角膜来自俄罗斯费德洛夫眼外科中心，与波士顿人工角膜一样，均由PMMA和钛固定环组合而成，但无需使用供体角膜 [ 59 ]。目前，我国、俄罗斯和一些东欧国家在使用俄罗斯MICOF人工角膜，但其应用范围有限 [ 60 ]。 6.2. 脱细胞猪角膜基质 脱细胞猪角膜基质(Acellular Porcine Corneal Stroma， APCS)通过去除猪角膜的细胞成分，同时保留尽量多的天然细胞外基质而获得可用于移植的角膜植片。APCS在直径、厚度、屈光状态和低免疫源性方面均表现出良好的支架潜能，因此可作为供体角膜的一种合适的替代物 [ 61 ]。许多临床研究现已证明了APCS在治疗感染性角膜炎方面已获得了成功。Zhang等对47例真菌性角膜炎患者使用APCS进行了板层角膜移植，证明了APCSs在人类角膜移植术中的安全性和有效性。他们随访6个月后发现除了有4个APCS植片溶解外，其他所有植片均上皮化，大部分植片逐渐变得透明，角膜溃疡全部愈合，未发生排斥反应，无感染复发，并且平均最佳矫正视力获得了超过两行的改善 [ 62 ]。Zheng等对单纯疱疹性角膜炎患者使用APCS进行板层角膜移植术，结果显示ACPS在角膜透明度、新生血管化、视力等方面均有改善，证明使用APCS进行角膜移植对治疗单纯疱疹性角膜炎是有效的 [ 63 ]。 但目前APCS仍具有一些缺点，还不能完全地替代捐献的供体角膜。与天然人体角膜相比，猪角膜具有相似的弹性，但是它的硬度比天然角膜更低 [ 64 ]。研究发现，在使用APCS进行板层角膜移植后出现了角膜钙化，在角膜中央处遮挡瞳孔可能会影响视力 [ 65 ]。Li等人发现使用APCS进行板层角膜移植术后的角膜厚度下降，这可能是由于APCS中胶原蛋白的降解导致的 [ 66 ]。 由于许多国家严重缺乏供体角膜，当紧急情况下找不到供体角膜时，可以通过使用APCS实施角膜移植术作为保住眼球的替代方案。然而，在最近的一项研究中，将APCS应用于外周角膜移植术中可能导致术后持续性上皮缺损和无菌角化松解 [ 67 ]，因此APCS不适用于治疗周围角膜疾病。此外，猪–人异种移植存在传播猪源性传染性病的风险 [ 68 ]，因此在制备过程中必须完全去除异种抗原并彻底灭菌。 6.3. 胶原支架 使用交联胶原支架可以模拟天然角膜基质，交联胶原支架现已被广泛证明可以作为生物工程角膜的潜在支架，主要包括胶原凝胶、胶原海、电纺纤维支架和蚕丝蛋白等类型。 6.3.1. 胶原凝胶 胶原凝胶是由胶原纤维网络构成的凝胶，可作为载体，达到运输细胞或药物的目的，但所有的胶原凝胶都需要进行交联才能增加其稳定性并减少其体内降解 [ 69 ]。一些交联剂(如戊二醛)可有效增加胶原支架的稳定性，但可能具有细胞毒性作用 [ 70 ]。另一种无细胞毒性的交联剂是1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide， EDC)，它能激活交联过程，但不会掺入最终产品中 [ 71 ]。在一项临床试验中，使用 EDC/N-羟基琥珀酰亚胺交联的重组人胶原(Recombinant Human Collagen， RHC) III型支架进行板层角膜移植，所有患者均观察到上皮再生，约9个月后上皮下神经和基质细胞长入支架中，长期随访研究证实所有植入物保持稳定、无新生血管长入 [ 72 ]。 6.3.2. 胶原海绵 此外，胶原海绵目前也在研究中，相比于胶原凝胶，胶原海绵由于其特殊微观结构使其机械性能和支架透明度上更优越。胶原海绵由胶原纤维的多孔网络组成，在胶原海绵的生产过程中能够人工控制成分、强度和孔隙率，其中最常使用的材料是I型牛胶原蛋白，它在生产过程中首先被脱水然后进行交联 [ 73 ]。胶原海绵的主要优点之一是它们的多孔性，相比于胶原水凝胶，胶原海绵能够使角膜基质细胞更好地穿透支架，从而有助于体内角膜基质再生 [ 74 ]。研究显示，胶原海绵与与胶原凝胶相比，其透光率明显更高 [ 75 ]。 6.3.3. 电纺纤维支架 电纺纤维支架是通过用静电纺丝法制造纳米纤维胶原网，Wray和Orwin通过静电纺丝技术获得了均匀排列的I型胶原纤维，该方法复制了天然角膜中I型胶原纤维的独特形态和排列，在离体试验中显示角膜成纤维细胞能够沿纤维排列轴伸长，证明了这种电纺纤维支架能够模拟体内角膜基质的微结构，为替代供体角膜基质提供了一种可行的方案 [ 76 ]。 此外，3D打印技术现已成功用于构建电纺纤维支架。Frank等创造了了一台定制的静电纺丝3D打印机，通过设定静电纺丝参数(电压，相对湿度和乙酸浓度)来自动控制打印过程，并能实时监测相对湿度和静电纺丝电流，成功用于构建电纺纤维支架 [ 77 ]。Gibney等人发现角膜基质细胞能在3D打印支架上成功生长，并能观察到细胞穿透胶原，为角膜再生带来了新的治疗策略 [ 78 ]。 6.3.4. 蚕丝蛋白 蚕丝蛋白是从蚕茧中获得、纯化后的纤维蛋白，可用于形成从超薄膜到多孔海绵的一系列支架结构。蚕丝蛋白膜现已被证明能够成功培养人角膜缘上皮细胞，因此具有作为角膜再生生物材料的巨大潜力 [ 79 ]。但由于蚕丝蛋白的透明度随着厚度的增加而降低，使其仅适合作为角膜缘和巩膜细胞的支架，而不适用于透明度至关重要的中央或全厚度基质再生支架 [ 80 ]。 6.4. 组织工程角膜 组织工程角膜(tissue-engineered cornea)是将体外培养的种子细胞(包括角膜上皮细胞、基质细胞和内皮细胞)种植在具有与天然角膜相似的力学、光学性能的支架材料上，再通过体外三维培养获得形态与功能与天然角膜相近的替代品，从而应用于临床治疗以及基础研究 [ 81 ]。Guo等研究发现，在加入维生素C衍生物的刺激下，能够在五周的时间内诱导角膜基质细胞形成细胞外基质，组装的细胞外基质由平行排列的胶原纤维组成 [ 82 ]。Builles等人证明，在自组装过程中，胶原纤维的排列可以通过使用磁场来实现 [ 83 ]。Proulx等人通过对角膜中天然存在的所有三种细胞类型使用自组装方法重建了角膜，自组装基质构建体的两侧接种有角膜上皮细胞或内皮细胞，并成功移植于动物模型中，证明了组织工程角膜的可行性 [ 84 ]。 人工生物角膜为全球供体角膜匮乏问题以及使用供体组织的传统角膜移植所遇到的大多数限制(如排斥、表面不规则性和质量控制等)提供了新的解决方案 [ 85 ]。但目前人工生物角膜技术相对较新，仍有许多未知有待探索，例如防止瘢痕形成，促进再上皮化的表面涂层，以及与细胞、微生物或分子特异性相互作用的功能化，从而更好地保护角膜免受胶原酶的损伤、感染和血管化。为了使人工角膜临床移植大规模应用，需明确对所开发的植入物进行系统和详细的描述，因此所有的临床前研究应包括对移植材料的透明性、硬度和抗缝合性、生物相容性、形状控制、时间稳定性、术后视觉功能评估以及感染率等均应进行描述 [ 54 ]。