组织工程用生物材料及细胞支架研究进展

组织工程用生物材料及细胞支架研究进展摘要：组织工程作为一门新兴学科，致力于通过生物材料与细胞的结合来修复和再生受损组织和器官。生物材料及细胞支架是组织工程的核心要素，其性能直接影响组织修复的效果。本文综述了组织工程用生物材料的种类、特性及其应用，以及细胞支架的构建方法、性能要求和研究进展，探讨了当前面临的挑战和未来的发展方向。

一、引言组织工程的目标是利用生物材料、细胞和分子生物学技术，在体外构建具有生物活性的组织替代物，以修复或再生受损的组织和器官。生物材料作为细胞生长和组织形成的支撑框架，起着至关重要的作用。细胞支架则是将生物材料与细胞相结合的桥梁，为细胞提供适宜的微环境，促进细胞的黏附、增殖和分化。随着材料科学、生物技术等多学科的不断发展，组织工程用生物材料及细胞支架的研究取得了显著进展。

二、组织工程用生物材料的种类及特性

（一）天然生物材料1.胶原蛋白胶原蛋白是人体中含量最丰富的蛋白质，具有良好的生物相容性、生物可降解性和低免疫原性。它能为细胞提供黏附位点，促进细胞的生长和增殖。不同类型的胶原蛋白在组织工程中有不同的应用，如I型胶原蛋白常用于构建骨组织工程支架，II型胶原蛋白可用于软骨组织工程。2.明胶明胶是由胶原蛋白变性得到的，具有良好的溶解性和凝胶性。它可以通过物理或化学交联的方式形成三维网络结构，作为细胞支架材料。明胶还具有一定的生物活性，能促进细胞的黏附、增殖和分化，在皮肤组织工程、神经组织工程等领域有广泛应用。3.纤维蛋白纤维蛋白原在凝血酶的作用下可转化为纤维蛋白，形成具有三维网络结构的凝胶。纤维蛋白凝胶具有良好的生物相容性和可降解性，能模拟细胞外基质的微环境，促进细胞的生长和组织修复。它常用于创伤修复、组织填充等方面。4.壳聚糖壳聚糖是一种天然的阳离子多糖，具有良好的生物相容性、抗菌性和生物可降解性。它可以通过静电作用与细胞表面的负电荷结合，促进细胞的黏附。壳聚糖还能调节细胞的生长和分化，在骨组织工程、组织工程皮肤等领域有应用前景。

（二）合成生物材料1.聚乳酸（PLA）及其共聚物PLA是一种可生物降解的聚酯，具有良好的生物相容性和机械性能。它在体内可通过水解作用逐渐降解为乳酸，最终代谢为二氧化碳和水排出体外。PLA及其共聚物如聚乳酸乙醇酸共聚物（PLGA）常用于制备药物缓释微球、组织工程支架等。2.聚己内酯（PCL）PCL是一种半结晶性的脂肪族聚酯，具有较低的熔点和良好的生物相容性。它的降解速度较慢，可通过改变其分子量和结晶度来调控降解速率。PCL常用于制备组织工程支架，特别是在骨组织工程和心血管组织工程中应用较多。3.聚醚醚酮（PEEK）PEEK是一种高性能的热塑性工程塑料，具有优异的机械性能、生物相容性和耐化学腐蚀性。它的弹性模量与人体骨组织相近，适合用于骨组织工程支架的制备。PEEK还可通过表面改性等方法改善其细胞亲和性，促进细胞的生长和骨组织的形成。4.聚氨酯聚氨酯具有良好的弹性、耐磨性和生物相容性。它可以通过改变其化学结构和组成来调控其性能，如硬度、亲水性等。聚氨酯常用于制备组织工程支架、人工血管等，在心血管组织工程和软组织工程中有广泛应用。

（三）复合材料1.生物陶瓷/聚合物复合材料生物陶瓷如羟基磷灰石（HA）、磷酸三钙（TCP）等具有良好的生物活性和骨传导性，但机械性能较差。将生物陶瓷与聚合物复合可以改善其机械性能，同时保持生物活性。例如，HA/PLA复合材料可用于骨组织工程支架，能促进骨细胞的黏附、增殖和分化，提高骨修复效果。2.天然生物材料/合成生物材料复合材料将天然生物材料与合成生物材料复合可以综合两者的优点。如胶原蛋白/PLGA复合材料，胶原蛋白提供了良好的细胞黏附位点，PLGA则赋予材料一定的机械性能和可降解性，可用于制备组织工程支架，在皮肤组织工程、神经组织工程等方面有应用潜力。

三、细胞支架的构建方法

（一）静电纺丝法静电纺丝是一种制备纳米纤维的技术，通过高压静电作用将聚合物溶液或熔体喷射成纳米级的纤维。静电纺丝法制备的纤维具有高比表面积、良好的孔隙率和纤维取向性，能模拟细胞外基质的微结构，促进细胞的黏附、增殖和分化。它可用于制备组织工程支架，如血管支架、神经导管等。

（二）3D打印技术3D打印技术可以根据设计模型精确地制造三维结构的细胞支架。它具有高度的灵活性和可定制性，能够制造复杂的内部结构和形状。常用的3D打印材料包括生物陶瓷、聚合物等。通过3D打印技术可以制备个性化的组织工程支架，满足不同组织修复的需求。

（三）相分离法相分离法是利用聚合物在不同溶剂中的溶解性差异，通过改变温度、溶剂组成等条件使聚合物溶液发生相分离，形成具有三维多孔结构的支架。相分离法制备的支架具有良好的孔隙率和连通性，能为细胞提供充足的营养物质和代谢空间。

（四）冷冻干燥法冷冻干燥法是将含有聚合物溶液或细胞悬液的模具在低温下冷冻，然后在真空条件下升华水分，形成多孔支架。冷冻干燥法制备的支架具有均匀的孔隙结构和高孔隙率，能较好地保持细胞的活性。它常用于制备组织工程支架，如骨组织工程支架、软骨组织工程支架等。

四、细胞支架的性能要求

（一）生物相容性细胞支架材料应与周围组织和细胞具有良好的相容性，不引起免疫反应和炎症反应。材料的表面性质对细胞的黏附、增殖和分化有重要影响，因此需要通过表面改性等方法改善材料的生物相容性。

（二）生物可降解性细胞支架材料应在组织修复过程中逐渐降解，降解产物应无毒、无害，能够被人体代谢吸收或排出体外。生物可降解性可以保证支架在组织修复完成后逐渐消失，避免残留异物对组织造成不良影响。

（三）力学性能细胞支架材料应具有一定的力学强度和稳定性，能够支撑组织的生长和修复，同时在体内环境中不发生变形或塌陷。不同组织工程应用对支架的力学性能要求不同，如骨组织工程支架需要较高的强度和模量，而软组织工程支架则要求具有一定的弹性。

（四）孔隙结构细胞支架材料应具有适宜的孔隙结构，孔隙率应足够高，以保证细胞的黏附、增殖和营养物质的传递。孔隙大小应与细胞的大小相匹配，一般在几十微米到几百微米之间。良好的孔隙连通性也有助于代谢产物的排出。

（五）生物活性细胞支架材料应具有一定的生物活性，能够促进细胞的黏附、增殖和分化，引导组织的生长和修复。生物活性可以通过在材料表面接枝生物活性分子、添加生长因子等方式实现。

五、组织工程用生物材料及细胞支架的应用

（一）骨组织工程骨组织工程主要致力于修复骨缺损，促进骨再生。常用的生物材料有羟基磷灰石、磷酸三钙、胶原蛋白等，细胞支架多采用3D打印、静电纺丝等方法制备。通过将骨细胞或干细胞接种到支架上，在体内或体外培养条件下，促进骨细胞的生长和矿化，实现骨组织的修复和再生。

（二）软骨组织工程软骨组织工程的目标是修复软骨损伤，恢复关节软骨的功能。常用的生物材料有胶原蛋白、壳聚糖、PLGA等，细胞支架可采用相分离法、冷冻干燥法等制备。软骨细胞或间充质干细胞接种到支架上后，在适宜的培养条件下可形成软骨组织。

（三）皮肤组织工程皮肤组织工程用于治疗大面积皮肤缺损，如烧伤、溃疡等。生物材料如胶原蛋白、明胶、纤维蛋白等常用于制备皮肤组织工程支架，细胞支架可通过静电纺丝等方法制备。将角质形成细胞、成纤维细胞等接种到支架上，可构建具有皮肤功能的组织替代物。

（四）神经组织工程神经组织工程旨在修复受损神经组织，促进神经再生。生物材料如壳聚糖、聚乳酸等可用于制备神经导管，细胞支架采用静电纺丝等技术制备。将神经干细胞或雪旺细胞接种到导管内，引导神经轴突的生长和再生，恢复神经功能。

（五）心血管组织工程心血管组织工程主要用于修复心血管疾病导致的组织损伤，如心肌梗死、血管狭窄等。生物材料如聚氨酯、PCL等可用于制备人工血管、心脏瓣膜等，细胞支架采用3D打印等方法制备。将血管内皮细胞、平滑肌细胞等接种到支架上，可构建具有生理功能的心血管组织替代物。

六、面临的挑战及未来发展方向

（一）面临的挑战1.材料性能的优化：虽然目前有多种生物材料可供选择，但仍需要进一步优化其性能，以满足不同组织工程应用的需求。例如，提高材料的生物活性、改善材料与细胞的相互作用等。2.细胞来源和培养：细胞来源的有限性和培养条件的复杂性是组织工程面临的重要问题。寻找合适的细胞来源，如诱导多能干细胞等，并优化细胞培养方法，是实现组织工程临床应用的关键。3.体内植入效果：细胞支架在体内植入后的长期稳定性、与周围组织的整合以及免疫反应等问题仍需要深入研究。提高支架在体内的性能，确保组织修复的长期效果，是组织工程发展的重要挑战。4.个性化定制：不同个体的组织损伤情况存在差异，实现个性化的组织工程支架制备是未来的发展趋势，但目前在技术和成本方面还存在困难。

（二）未来发展方向1.多功能生物材料的研发：开发具有多种功能的生物材料，如同时具有生物活性、可降解性和良好力学性能的材料，以更好地满足组织工程的需求。2.组织工程与再生医学的结合：将组织工程技术与再生医学理念相结合，深入研究组织再生的机制，开发更有效的组织修复和再生策略。3.3D生物打印技术的创新：不断改进3D生物打印技术，提高打印精度和效率，拓展打印材料的种类，实现更复杂、更个性化的组织工程支架制备。4.组织工程产品的临床转化：加强组织工程产品的临床前研究和临床试验，推动组织工程技术从实验室向临床应用的转化，为患者提供有效的治疗手段。

七、结论组织工程用生物材料及细胞支架的研究取得了显著进展，为组织修复和再生提供了