组织工程方法在脊髓损伤支架成形技术中的探讨

1、    组织工程方法在脊髓损伤支架成形技术中的探讨陈果1,欧林2,赵任杰1,梁楠3,张晓3(成都医学院12006临床本科;2药学院2005级药学本科;3实验技术中心,四川成都610083)摘要:组织工程的提出、建立和发展,为最终实现脊髓损伤的修复和真正意义上的结构、形态与功能重建开辟了新的途径。支架的生物活性、三维结构和表面微观结构,材料的降解性等众多因素都对细胞增殖,分化和组织形成有明显影响。组织工程的发展也将改变传统的医学模式,使得再生医学得以进一步发展,并最终用于疾病的治疗。关键词:脊髓损伤;成形技术;组织工程中图分类号R651.2;R318.08

2、文献标志码A文章编号1002-0179(2009)05-1308-02The Method of Tissue Engineering in Spinal Cord Injury Scaffold Forming Technologys ExplorationCHEN Guo1, OU Lin2, ZHAO Renjie1, et al. 1Chengdu Medical College of 2006 Clinical Undergraduate Courses; 2Chengdu Medical College of 2005 Level of Pharmacy Undergraduate

3、 Courses; 3Chengdu Medical College of Experimental Technology Center, Chengdu 610083, ChinaCorresponding author： LIANG NanAbstract: Objective: Tissue engineering opens up a new way to the final realization of spinal cord injury rehabilitation and the real sense of structure, form and function recons

4、truction. Biological activity, threedimensional structure and surface structure, material degradation, and other factors of the tissue engineering support have predominant influences on cell proliferation, differentiation and organizations. The development of tissue engineering will also change the

5、traditional medical model and makes Regenerative Medicine to further develop and eventually be used for the treatment of disease.Key words: spinal cord injury; forming technology; tissue engineering脊髓损伤(spinal cord injury,SCI)是严重危害人类健康,发病率和死亡率均高的疾病1,2。由于损伤常导致损伤平面以下运动及感觉功能不完全或完全丧失,给个人、家庭、社会带来巨大经济负担。在

6、脊髓损伤的治疗中,传统的方法如减压疗法、冷冻疗法最为普遍,但这是一种“以创伤治疗创伤”的治疗模式。20世纪80年代,美国哈佛大学医学院Joseph P. Vacanti教授和麻省理工学院Robert Tanger教授在科学杂志撰写,阐述组织工程学的基本原理,未来的发展方向和应用前景,引发组织工程学在全世界的兴起和发展,成为治疗因疾病、创伤、遗传等因素所造成的组织或器官损伤的理想方法。近代,随着雪旺细胞3、脊髓间充质干细胞4以及胚胎干细胞5等具有生长潜能的细胞的发现,利用组织工程学移植细胞为治疗脊髓损伤带来了新的希望。在修复支架结构的同时重建其功能,并克服上述治疗方法的缺陷,成为组织工程方法修复

7、的直接任务。组织工程支架是对细胞外基质结构和功能的仿生,起到支撑固定细胞的重要作用,为细胞的生长和组织的再生提供必要生存环境6。目前,根据生物材料的快速发展,采用何种成形技术方法制备出理想支架成为研究的热点和难点。理想的组织工程支架除应具备一般的特性外,还应具备适合的孔径(100400m)和空隙率(>80%),良好的细胞相容性,三维结构和微观结构等特质。1理想支架的特质和形成方法11构建适合孔径和空隙率111溶剂浇铸技术:这是一种简单技术。将生物材料溶于一种合适的溶剂后,浇铸到模具中,然后除去溶剂,留下已固定成所要求形状的支架。主要优点是适用的材料比较广泛,例如聚乙酸酯、聚乙二醇等;成形

8、制备容易,不需特殊设备。因为是在室温下进行的,成形过程引起的降解程度比膜压技术低。陈际达等7将其应用于制备多孔细胞支架,制备出高孔隙率、高比表面积、孔隙尺寸和材料结晶度可控的组织工程用多孔细胞支架。112静电纺技术:静电纺丝是一种简单、快速而高效的制备纳米、亚微米纤维技术,其设备简单易操作。静电纺丝得到的无纺布有孔隙率高、比表面积大和均一性等优点,使得其能够在生物材料、过滤材料、传感器材料等方面有很好的应用,这使得静电纺丝这项技术快速发展起来。唐圣奎等8将再生丝素蛋白溶于的甲酸纺得形态较好、截面呈圆柱形、表面光滑的纤维,平均直径在80nm,能够增大支架的三维结构表面积,促进细胞的黏附。12加固

9、三维立体结构121冷冻干燥法:用乳液冷冻干燥可制得孔隙率高及孔径可调的聚合物支架9。将聚合物制成乳液转移到一个铜制模具中,置入液氮中淬火而后冷冻干燥除去水及溶液。用这种技术制得的支架的空隙率高达90%,平均孔径约为1335m,且为相互贯穿孔结构。Jung等10采用冷冻干燥法将胶原质粘多糖制成了CG支架,该支架有均匀一致的由等轴晶粒组成的毛孔微观结构。122Widmer技术:与溶剂灌制技术结合,以植被用于末梢神经再生的多孔可生物降解导管9。以氯化钠为制孔径由溶液灌制法制得PLGA和PLLA复合材料薄膜,将其剪成适当长度后,置于定做的挤出设备中,将该挤出头安装于水压机上并加热到一定温度,然后在挤出

10、设备的机头和活塞间施加压力,聚合物/盐复合材料呈管状被挤出。冷却后,盐通过浸于水中而沥滤,整个支架再真空干燥11。13修整细胞相容性131等离子体引发表面接枝聚合:等离子体等是应用最广泛的生物材料表面改性技术。采用空气等气体,通过等离子体,将一些极性的基团引入化学惰性的生物材料表面,提高其细胞相容性。在聚乙烯膜或可降解聚合物PLGA表面引入亲水性的含氧官能团,通过控制功率可获得不同亲水性的表面,提高了对细胞的相容性。Acosta等12用等离子氧合技术制备3D支架提高材料的细胞相容性,取得了良好的效果。132化学改性法:表面化学改性方法主要利用一些与材料具有反应性的试剂,在材料表面形成官能团或刻

11、蚀材料表面。有如下方法:碱洗含氟聚合物,提高材料的湿润性和黏合性;酸洗聚烯烃等聚合物,主要是清除聚合物的无定性和胶态区,使表面形成粗化,提高聚合物表面的润湿性和黏合性;臭氧处理聚合物表面,臭氧可以氧化聚烯烃表面,使形成羟基'羰基'醛基和羧基,改善表面亲和性。实验证明经过化学改性法处理的三维支架具有良好的生物相容性,可促进细胞黏附和生长13。14装饰化学拓扑结构和表面微图案141微流体图案法:微流体通道可通过限制基质中所期望区域的流体而形成图案化表面14。图案化成分如配体、蛋白质、细胞等从溶液中沉积在基质上构筑图案。Delamarche等15利用微流体图案化以亚微米级分辨率将免疫

12、球蛋白在许多基质上图案化,包括金、玻璃和聚苯乙烯,此过程仅需微升试剂涂覆于平方毫米大小的面积,效果较理想。142光刻技术:光刻技术是一种先应用于电子技术领域,制备具有表面微图案的技术。与软刻技术不同。不仅是化学拓扑结构可控制细胞的生长与移动,表面微图案对细胞的移动与取向同样具有调控作用,细胞在体内增殖按照一定的方向和形状如切力方向、纤维方向、沟槽方向生长。沙菁契等16利用光刻技术在支架上刻出超密槽表面,间隔260nm、深100400nm来模拟具有形状的微图案,结果发现在凹槽表面成列生长,促进细胞生成轴突的形状。2展望组织工程的快速发展,使组织工程支架的研究不仅是某种特质的单独研究,而是为了使支

13、架具有适合移植的特质,从而真正地解决组织或器官损伤的疾病。目前,种子细胞和生物材料发展迅猛,利用现有的成形技术制备出具有支架的一般特性和特有的性质如适合的孔径(100400m)和空隙率(>80%),良好的细胞相容性,三维结构和微观结构,成为具有重大意义的突破。因此,兼有适当的生物降解性、良好的细胞相容性和生物活性的支架是组织工程支架的发展趋势之一。建立在材料-界面蛋白质-细胞-生物系统相互作用模型基础上的生物相容性内涵17,指出了获得理想化组织工程支架的一个重要方向。利用各种表面构建与改性技术,将生物活性物质固定在材料表面得到的生物活性支架,则可为细胞在支架中的生长与分化创建一个更加接近

14、于体内的良好的细胞外基质环境,从而为组织工程化器官的构建提供坚实的支架支持。5参考文献1ALBERT T, RAVAUD J F, the Tetrafigap group. Rehabilitation of spinal cord injury in France: a nationwide multicentre study of incidence and regional disparitiesJ. Spinal Cord,2005,43:3573652朱巍,贾连顺,邵将,等.急性颈髓损伤死亡预判因素分析J.中国创伤杂志,2008,24(3):2052073万虹,李德志,杨飞,等.许

15、旺细胞与PLGA共同移植于大鼠全横断脊髓损伤的实验研究J.中华外科杂志,2007,45(12):8438464陈少强,林建华.脊髓间充质干细胞移植治疗脊髓损伤的研究现状J.中国修复重建外科杂志,2007,21(5):5075115雷德强,赵洪洋,刘如思.脊髓损伤的治疗进展J.中国现代神经疾病杂志,2008,8(1):71746钱苏林,陈安民.脊髓损伤药物治疗新进展J.中国骨伤,2008,21(2):1641667陈际达,崔磊,刘伟,等.溶剂浇铸颗粒沥滤技术制备组织工程支架材料J.中国生物工程杂志,2003,23(4):32368唐圣奎,谢军军,熊杰.基于不同溶剂静电纺再生丝素蛋白组织工程支架的

16、研究与进展J.中国组织工程研究与临床康复,2008,12(45):888988929WIDMER M S, GUPTA P K, LU L, et al. Manufacture of porous biodegradable polymer conduits by an extrusion process for guided tissue regenerationJ. Biomaterials,1998,19:1945195510JUNG H D, YOOK S W, KIM H E, et al. Fabrication of titanium scaffolds with porosi

17、ty and pore size gradients by sequential freeze castingJ. Mater Lett,2009,63(17):1545154711SREERAM K J, NIDHIN M, NAIR B U. Synthesis of aligned hematite nanoparticles on chitosanalginate filmsJ. Colloids Surfaces B: Biointerfaces,2009,71(2):26026712ACOSTA M A, YMELELEKIA P, KOSTOV Y V, et al. Fluor

18、escent microparticles for sensing cell microenvironment oxygen levels within 3D scaffoldsJ. Biomaterials,2009,30(17):3068307413SALERNO A, GUARNIERI D, IANNONE M, et al. Engineered bimodal poly(caprolactone) porous scaffold for enhanced hMSC colonization and proliferationJ. Acta Biomaterialia,2009,5(4):1082109314BOISSARD C I R, BOURBAN P E, TAMI A E, et al. Eglinanohydroxyapatite/poly(esterurethane) scaffold for bone tissue engineeringJ. In Press, Acc