组织工程用生物材料及细胞支架研究进展[研究材料]

1、组织工程用生物材料及细胞支架研究进展组织工程作为一门新学科是20世纪80年代末才在国际上得到确认的，然而考古发现，我们的祖先远在数千年前就已 开始应用组织工程概念。例如：在公元前4 000年人类就已有了缝合和闭合创口的方法，公元前2 000年已开始使用金属来修补骨头，本世纪初人们就开始使用天然组织(羊膜和胎盘)来修复皮肤，只是由于当时没有免疫反应的知识而未能成功，也由此放弃了 使用天然组织的努力而改为致力于使用合成材料作为医用植入物。金属学的进展又促进了把金属作为骨重建和牙的修补材料，第一次世界大战的严重伤亡，确立了用 不锈钢和其它金属作为矫形植入材料的地位；第二次世界大战后高分子工业的大发展

2、，开发了大量具有优良性能的新材料。但基于当时的认识是“作为生物材料的高 分子应稳定性越高越好”，因此当时主要着眼于如涤纶、氟纶和硅橡胶等类生物惰性高分子；直到80年代，在认识到当植入物和周围组织间存在相互作用可更有利 于创口修复后，才修正了对生物材料必须是生物惰性物质的不正确认识，并从而转向将材料科学同免疫学和细胞生物学的知识相结合，并设计和制备降解性高分子， 开展了将此用于制备人体器官及组织代用物的组织工程研究，并取得了良好的效果1。组织工程的三大要素是：种子细胞、生物材料及组织和器官的形成和再生，其中生物材料具有不可替代的主要作用。因此，根据组织工程的发展历史也可以说：组织工程的发展与材料

3、科学的发展有密不可分的关系。1组织工程用生物材料的基本要求作为组织工程细胞支架的生物材料，一般必须具有以下的性能：生物可降解性、良好的生物相容性和细胞亲和性、一定的力学性能、可加工性及可消毒性2。 由于组织工程中细胞支架的作用是为细胞增殖营造环境，且应随着细胞的繁殖而逐渐降解、消失，将空间让位于细胞，使所形成的组织和器官具有细胞支架相似的 几何形状。因此作为细胞支架的高分子材料必须具有生物降解性，即在生理或体内环境下，组成材料的高分子链能自动断裂，并由此形成的小分子能逐渐被机体代谢 或吸收。此外，还要求材料的降解速度与细胞的增殖速度相匹配，以及由降解所形成的小分子不对细胞繁殖产生不利的影响。因

4、此组织工程的细胞支架材料必须具有 生物降解性和一定的降解速度、良好的生物相容性及细胞亲和性。此外，组织工程的细胞支架，不仅应有在细胞培养操作中保持形状、不会破碎的力学强度外，从临床应用出发，细胞支架还必须具有一定的柔韧性，能与机体缝合、并能与机体贴合，也不会对机体组织形成机械损伤的力学性能。2生物降解高分子目前在组织工程中用作细胞支架的生物材料主要是一些天然高分 子、天然无机物和合成高分子。天然高分子有甲壳素、壳聚糖、海藻酸盐、胶原蛋白、葡聚糖、透明质酸、明胶、琼脂等；天然无机物有羟基磷灰石、珊瑚礁等；合 成高分子有脂肪族聚酯、聚酸酐、聚膦腈、聚原酸酯、聚醚等3。天然高分子及天然无机物一般都无

5、毒、亲水、生物相容 性及细胞亲和性好，但缺点是质量受产地、原料来源等影响，因而重复性差。此外，有些天然高分子强度和加工性能都较差，有的价格极高，使之难以直接作为细胞 支架使用。此外天然无机物的力学性能差、降解速度快、加工性能差。合成高分子的生物相容性及细胞亲和性一般不如天然高分子，但合成高分子在生 物降解速度、力学性能、加工性能和价格等方面都比天然高分子为优，可调性也大。目前应用较多的合成高分子是脂肪族聚酯类生物降解高分子，主要有聚乙交酯 (PGA)、聚丙交酯(PLA)、和共聚(乙交酯-丙交酯)(PLGA)。这些材料都已获了美国FDA的批准，此外降解速度也较快。然而，由于PGA的高 度结晶性，

6、使其溶解性极差，以致PGA含量高的PLGA也难以溶解，因此往往难以加工成型和应用。此外，PGA的力学性能也不能令人满意。由 于不同的组织工程对象对细胞支架有不同降解速度、亲水性和力学性能的要求，因此基于PGA的高降解速度、PLA的高强度及PCL的低降解速度和高药物透过 性，可以在高分子设计的基础上合成一系列具有不同降解速度及力学性能的脂肪族共聚内酯，通过对材料组分、组成比、分子量、分子量分布等的控制，可以调节材 料的生物降解速度在几周至几年间变化。如今已合成的不同脂肪族聚内酯有：聚乙交酯(PGA)、聚-D，L-丙交酯(PDLLA)、聚-L-丙交酯 (PLLA)、聚己内酯(PCL)、聚(乙交酯/

7、丙交酯)二元共聚物(PLGA)4、聚(乙交脂/己内脂二元共聚物(PGC)、聚(丙交脂/己内脂)二元共聚物(PLC)和聚(乙交酯/丙交酯/己内酯)三元共聚物(PGLC)5等。此外，聚醚类高分子如聚乙二醇(PEG)、聚丙二醇(PPG)以及环氧乙烷/环氧丙烷的共聚物(Pluronic)等，由于具有优良的生物相容性及可注射成型性，也成为颇受关注的细胞支架材料6。3细胞支架材料的细胞亲和性细胞亲和性是指材料能让细胞在其表面粘附及生长的能力。一般认为这是由于细胞与材料之间存在着一种以蛋白质为介导的粘附机理、粘附特性的差异，故影响细胞的增殖、分化等功能3。由于细胞真正接触的是材料的表面，因此材料的表面性质对

8、材料的细胞亲和性有主要影响。影响细胞粘附的因素主要有生物学和材料因素两个方面7。 生物学因素是指同细胞膜的组成和性能有关的细胞膜的荷电性质、细胞的代谢状态、细胞与材料的接触时间、细胞的亲疏水性、细胞的表面电荷、细胞膜分子的运动 方向、细胞膜的柔韧性等因素。材料因素主要是指材料表面的亲疏水性、表面自由能、材料表面的荷电特性、材料的化学结构以及材料的形态结构等因素。一般规律 为亲水性的表面有利于细胞粘附生长，高表面能的材料表面有利于细胞的粘附与铺展9。材料表面的电荷性质与电荷密度对细胞生长有 重要影响，带正电荷的材料表面与带负电荷的细胞之间的静电作用有利于细胞的粘附。此外，细胞的亲和性还要求生物材

9、料必须既能支持细胞的粘附，又能使粘附细 胞在材料上很好地生长，材料本身及其降解产物必须对细胞无毒性；材料表面的化学结构也有重要影响：引入胺基、酰胺基、羟基、羧基、磺酸基等基团有利于细胞 的粘附和生长。合适的材料表面能有选择性地吸附环境中的粘附蛋白，克服对环境中蛋白质吸附的无选择性，有利于增强对细胞的粘附性。此外，粗糙表面有利于细 胞的粘附，而且有利于生物膜的迅速再生长8，多孔结构因有利于营养物质的渗透和细胞的正常代谢而有利于细胞粘附与生长，且孔结构的大小对于细胞的生长也有影响，因此，作为组织工程的细胞支架必须具有一定的三维结构。为改进材料的细胞亲和性常采用化学改性法、等离子体法、表面修饰法、杂

10、化改性法等方法9。 化学改性法是通过共聚、接枝等方法来改变材料的组成，从而获得具有良好细胞亲和性的表面。低温等离子体改性法，是利用等离子技术使材料表面引入不同基团， 从而使材料具有细胞识别位。表面修饰法是指通过在材料表面固定一些贴壁因子、生长因子而提高材料的生物相容性。此外，由于有时仅靠单一的材料品种难以满足 要求，因此，采用杂化支架材料，即将不同性质的材料通过杂化而获得具有新性能的生物支架材料。4细胞支架材料三维结构的构筑不同组织和器官的细胞，不但在形状和大小上不同，而且在细胞生 长时的取向及结构密度上也不甚相同。对于单种细胞的组织工程，为了细胞能进入支架，要求支架具有多孔结构，且具有呈一定

11、大小的孔径和孔强度的开放型结构， 而且不同方向的孔径要相同。然而，对于多种细胞的组织工程细胞支架，如作为皮肤组织工程的支架，由于内皮细胞和成纤维细胞的大小不同，要求支架呈具有两种 不同孔径的双层结构。除此之外，为了保证肌腱细胞能按单一方向增殖生长，细胞支架的孔隙也需呈一定方向性的排列。由于不同的组织工程对象对细胞支架的几何尺寸、大小、厚度、形状等有不同的要求，因此纤维状的材料或可塑性材料，对构筑复杂构型的细胞支架具有一定的优越性。 现今文献报道的细胞支架有各种各样的孔结构，我们已基本掌握了控制支架孔结构的技术，能制备孔径从几微米到几百微米材质不同、孔隙度不同的海绵状多孔结 构的细胞支架，可制成

12、单一孔径结构或不同孔径结构，形状上也有纤维状、棒状、板状、膜状、管状等不同形状，厚度从不足1 mm到超过1 cm，面积达到20 cm20 cm的细胞支架，从而可提供不同组织工程细胞培养的需要。然而，由于目前的支架制备还处于手工操作阶段，在加工质量及质量的重复性上还存在一定的差距，在 纤维状细胞支架制备方面，在纤维的细度及均度方面，均与国际先进水平差距甚远，对PGA纤维及可塑性细胞支架的研究，在我国基本上也处于空白阶段。5生长因子的活性保护及控制释放生长因子(Growth Factor, 简称GF)是具有诱导和刺激细胞增殖、维持细胞存活等生物效应的蛋白类物质，其对促进细胞增殖、组织或器官的修复、

13、再生都具有重要的促进作用，是组织工程 的重要影响因素之一。生长因子的作用具有专一性，对于不同的细胞和组织、器官需选用不同的生长因子。如今被研究及使用的生长因子有：上皮生长因子 (EGF)、血小板生长因子(PDGF)、成纤维生长因子(FGF)、神经生长因子(NGF)、内皮细胞生长因子(ECGF)、转化生长因子(TGF- )、骨形态发生蛋白(BMP)和骨衍生性生长因子(BDGF)等。由于生长因子一般在有水存在及室温环境下很容易失去生物活性，因此直接使用生长因子时常会由于体内的环境而失活，达不到所期望的生物效应。因此，如何在身体环境下保持并尽可能延长生长因子的生物活性，是使生长因子能真正在临床发挥作

14、用的关键。 我们根据高分子的特性和药物控制释放的原理，采用生物降解高分子对生长因子进行基体包埋和微包囊，利用疏水性高分子防止生长因子与水接触，可以达到保护 生长因子在有水环境下仍保持活性的目的。此外，利用高分子对药物的选择透过性，可使生长因子以一定的速度在高分子保护层内溶解、扩散，然后进入机体以发挥 其生物作用，因此可使生长因子的生物作用维持相当长的时间。利用不同的高分子对药物的不同选择透过性，以及通过对高分子材料成分的选择，对高分子保护层的 分子量、分子量分布，以及对保护层结构、厚度等的调节和控制，可以达到控制生长因子扩散和溶解速度的目的，从而实现对生长因子的控制释放。6组织工程的研究实例及

15、改进方向有关骨、软骨、肌腱、气管、皮肤、肝、心瓣、血管、角膜、胰及 神经的组织工程研究正在国内外蓬勃地开展着；基于我们在合成的生物降解高分子材料以及在细胞支架研制和生长因子控制释放技术方面的研究，已通过用含有生长 因子且具有双层孔结构的神经诱导管取得大鼠坐骨神经20 mm断缺修复的成功，且开展了对羊70 mm坐骨神经断缺的修复试验，以及组织工程化神经导管的神经修复试验。此外，我们在软骨、气管、心瓣、皮肤等的组织工程研究方面也取得了一些 初步的结果，表明我们研制的细胞支架在生物降解性、血管化反应及缝合性能上能基本符合要求，然而也反映出还存在一般细胞支架所存在的共同问题，即有时还有 较明显的炎症反

16、应，对细胞的亲和性不是太高，此外，对于一些复杂构型的组织和器官的组织工程所需的纤维状支架材料及可塑性支架材料还是空白，有待于进一步 研究改进。本课题受国家重点基础发展规划项目资助(973计划G1999054305和G1999054306)作者单位：王身国（100080北京，中国科学院化学研究所分子科学中心）杨健（100080北京，中国科学院化学研究所分子科学中心）蔡晴（100080北京，中国科学院化学研究所分子科学中心）石桂欣（100080北京，中国科学院化学研究所分子科学中心）贝建中（100080北京，中国科学院化学研究所分子科学中心）参考文献1，Robert Langer, Joseph

17、P, Vacanti. Tissue engineering. Science, 1993,260:920-926.2，王身国，侯建伟，贝建中.组织工程及周围神经修复.高技术通讯，1999，2：60-62.3，王身国.可生物降解高分子的类型、合成和应用.化学通报，1997，2：45-47.4，Kyriacos AA, Gabriele GN, Agrawal CM. Sterilization, toxicity, biocompatibility and clinical applications of polylactic acid/polyglycolic acid copolymers

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