生物新材料在組織工程中的研究及利用

組織工程是指應(yīng)用生命科學(xué)與工程的原理和方法，構(gòu)建一個生物裝置，來維護、增進人體細胞和組織的生長，以恢復(fù)受損組織或器官的功能。它的主要任務(wù)是實現(xiàn)受損組織或器官的修復(fù)和再建，延長壽命和提高健康水乎。其方法是，將特定組織細胞“種植”于一種生物相容性良好、可被人體逐步降解吸收的生物材料（組織工程材料）上，形成細胞－生物材料復(fù)合物；生物材料為細胞的增長繁殖提供三維空間和營養(yǎng)代謝環(huán)境；隨著材料的降解和細胞的繁殖，形成新的具有與自身功能和形態(tài)相應(yīng)的組織或器官；這種具有生命力的活體組織或器官能對病損組織或器宮進行結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能的重建，并達到永久替代。近10年來，組織工程學(xué)發(fā)展成為集生物工程、細胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、生物材料、生物技術(shù)、生物化學(xué)、生物力學(xué)以及臨床醫(yī)學(xué)于一體的一門交叉學(xué)科。

生物材料在組織工程中占據(jù)非常重要的地位，同時組織工程也為生物材料提出問題和指明發(fā)展方向。由于傳統(tǒng)的人工器官（如人工腎、肝）不具備生物功能（代謝、合成），只能作為輔助治療裝置使用，研究具有生物功能的組織工程人工器官已在全世界引起廣泛重視。構(gòu)建組織工程人工器官需要三個要素，即“種子”細胞、支架材料、細胞生長因子。最近，由于干細胞具有分化能力強的特點，將其用作“種子”細胞進行構(gòu)建人工器官成為熱點。組織工程學(xué)已經(jīng)在人工皮膚、人工軟骨、人工神經(jīng)、人工肝等方面取得了一些突破性成果，展現(xiàn)出美好的應(yīng)用前景。

專家預(yù)計，新型組織工程的開發(fā)具有廣闊的市場前景。目前，發(fā)達國家都投入巨資開展組織工程產(chǎn)品的研發(fā)。我國“十五”、“十一五”規(guī)劃也將組織工程列入重點發(fā)展的領(lǐng)域之一，是“973”、“863”計劃等資助的重要方向。福建是海洋大省，貝殼類海產(chǎn)品極為豐富，支架材料的來源非常廣泛，且成本比現(xiàn)有的合成材料低三分之二，發(fā)展這一項目具有得天獨厚的條件。

替代輸尿管缺損的組織工程學(xué)材料

簡介：隨著組織工程學(xué)技術(shù)的發(fā)展，組織工程學(xué)材料之一--ECM作為修復(fù)缺損區(qū)的材料得到了廣泛應(yīng)用。該材料具備二個特點:(1)作為異體組織材料，在經(jīng)特殊脫細胞處理后，已無含細胞抗原的細胞成分，僅保留了由膠原蛋白，蛋白多糖，糖蛋白等低抗原物質(zhì)構(gòu)成的ECM。ECM的種屬差異小，抗原性弱，移植后不易產(chǎn)生排斥反應(yīng)。(2)該材料可為細胞提供生存的三維空間，有利于細胞獲得足夠的營養(yǎng)物質(zhì)，進行氣體交換并排除廢物。將輸尿管ECM移植于缺損區(qū)后，保持輸尿管完整性，保證尿液流通的作用，同時還可作為自體輸尿管細胞生長框架，誘導(dǎo)自體細胞長入其內(nèi)。因輸尿管有極強的再生能力，移植后自體輸尿管將形成新的具有原來功能和形態(tài)的輸尿管，達到修復(fù)和重建的目的。

意義：為尋求理想的輸尿管替代材料，該項目應(yīng)用組織工程學(xué)材料--同種異體脫細胞輸尿管細胞外基質(zhì)作為輸尿管替代材料，并在動物實驗取得滿意結(jié)果的基礎(chǔ)上，成功應(yīng)用于臨床。

項目負責(zé)：北京積水醫(yī)院泌尿外科；申鵬飛

湖南醫(yī)科大學(xué)湘雅醫(yī)院泌尿外科；胡杰

杰雅萊福生物技術(shù)公司技術(shù)部。

組織工程角膜生物材料載體制備

簡介：成年York豬角膜基質(zhì)材料，以Triton聯(lián)合0.25%胰酶，處理30 min～3 h為材料1；Triton聯(lián)合DNA、RNA酶，處理8～14 h為材料2；Triton聯(lián)合0.25%胰酶、DNA-RNA酶，處理3～5 h為材料3。3種材料用無水氯化鈣脫水干燥保存。在材料上接種兔角膜基質(zhì)成纖維細胞，觀察細胞生長情況。

結(jié)果：材料1、2細胞脫出不完全，處理最佳時間分別是2h和10～12h，角膜基質(zhì)網(wǎng)狀間隙無明顯增大；接種兔角膜基質(zhì)成纖維細胞后，3～4d細胞死亡；植入兔角膜基質(zhì)中有明顯的免疫排斥反應(yīng)。材料3脫出細胞完全，其脫細胞處理的最佳時間為4 h，角膜基質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)無破壞，呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀間隙明顯增大；接種兔角膜基質(zhì)成纖維細胞后，細胞在材料上貼附生長良好；將其植入兔角膜基質(zhì)中無炎性及排斥反應(yīng)，可逐漸降解吸收，有良好的生物相容性。

意義：比較用不同的方法脫細胞處理異種（豬）角膜基質(zhì)制備組織工程角膜支架材料，并對其生物相容性進行研究。試驗證明：Triton聯(lián)合0.25%胰酶、DNA、RNA酶法處理的異種（豬）角膜基質(zhì)具有良好的生物相容性，可作為一種組織工程角膜的支架材料。

項目單位：武警陜西總隊醫(yī)院

第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院組織病理學(xué)教研室組織工程實驗中心

第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院。

應(yīng)用于心肌組織工程的支架材料

簡介：本發(fā)明屬于組織工程領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于心肌組織工程的支架材料的制造方法。該支架在組成上盡量模擬心肌細胞的細胞外基質(zhì)成分。它的原始形態(tài)為一種液態(tài)水凝膠，主要由液態(tài)膠原(I型和III型等)、彈性蛋白、層粘連蛋白、雞胚抽提物、2×DMEM和胎牛血清等組成。將這些成分按適當(dāng)?shù)谋壤旌霞纯尚纬深愃朴谔烊恍募〗M成的支架材料，與心肌細胞混合后可鑄成各種形狀心肌細胞-支架材料構(gòu)建物。用這種支架材料可構(gòu)建出一致跳動的組織工程化心肌組織。

意義：一種應(yīng)用于心肌組織工程的支架材料的制造方法。根據(jù)天然心肌細胞外基質(zhì)的主要組成分按適當(dāng)?shù)谋壤筒襟E混合而成，具有促進心肌細胞生長和跳動的生物學(xué)特性和力學(xué)性能。

項目負責(zé)：中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所。

可降解聚合物用作骨組織工程細胞外基質(zhì)材料

簡介：現(xiàn)有的骨替代材料用作骨組織工程細胞外基質(zhì)材料都或多或少的存在一些缺點。人工合成可降解聚合物材料由于其組成成分、分子量、表面微結(jié)構(gòu)、大體形態(tài)、機械性能、降解時間等都能預(yù)先設(shè)計和調(diào)控，最后基本降解完全，避免了長期異物反應(yīng)的危險，但是相比天然生物材料，人工合成材料最大的缺點是缺乏細胞識別信號，不利于細胞特異性粘附及特異基因的激活。為了增強材料對成骨細胞的粘附力，采取吸附或溶劑鏈接的方法，將纖維連接蛋白(fibronectin，F(xiàn)N)、膠原或某些促細胞粘附氨基酸短肽如精氨酸-甘氨酸一天冬氨酸(Arg-Gly-Asp，RGD)短肽和天冬氨酸-甘氨酸-谷氨酸-丙氨酸(Asp-Gly-Glu-Ala，DGEA)短肽引入基質(zhì)材料的表面或整體，必將促進細胞粘附，增強生長代謝。

意義：該項目進一步相信隨著材料科學(xué)及其制作加工工藝的不斷發(fā)展，以及對材料-細胞相互作用研究的不斷深入，以合成可降解聚合物為主要成分的有利于成骨細胞粘附和分化的新型基質(zhì)材料在骨組織工程研究領(lǐng)域必將展現(xiàn)喜人的應(yīng)用前景。

骨組織工程多孔支架材料

簡介：本項目研究包括鈣磷生物陶瓷粉末的合成，可降解聚合物聚乳酸的合成，以及生物陶瓷、聚乳酸及天然聚合物材料多孔體的制備，應(yīng)用多孔支架對兔脛骨骨缺損進行修復(fù)的研究。

1） 對鈣磷生物陶瓷粉末的合成工藝過程進行了改進，應(yīng)用Ca(OH)2與H3PO4中和反應(yīng)，成功制備了β-TCP和HA粉末，具有工藝簡單、合成量大的優(yōu)點。

2）以Al、Mg酸式磷酸鹽為粘結(jié)劑，鈣磷陶瓷粉體為原料，采用有機泡沫浸漬工藝制備了骨組織工程多孔支架。通過對原料和成形過程的控制，可以改變支架中磷酸鹽組成，調(diào)控支架的降解速度。

3）以冰微粒為致孔劑，開發(fā)了制備塊狀聚合物多孔支架的冷凍干燥—粒子濾出復(fù)合方法，用此方法制備的聚乳酸塊狀多孔支架無致孔劑殘留，可解決目前國際上大孔、塊狀聚合物多孔支架成形的工藝難題。

4）將種子細胞種植于多孔支架上進行培養(yǎng)，構(gòu)成種子細胞—支架復(fù)合體，研究了支架的細胞相容性。并制備了動物骨缺損模型，將種子細胞—支架復(fù)合體植入，修復(fù)骨缺損，初步結(jié)果滿意。

5）掌握了納米抗菌材料粒子單分散工藝，在天然聚合物多孔膜片上復(fù)合納米抗菌材料，制備了多孔生物材料復(fù)合膜片，可作為新型密閉性傷口敷料用于傷口治療。

意義：合成的生物陶瓷和聚乳酸材料在生物材料領(lǐng)域具有廣泛的用途，研制的多孔體可應(yīng)用于骨、軟骨組織工程及用作藥物緩釋載體。

項目單位：東南大學(xué)。

骨髓間充質(zhì)干細胞生物特性及其構(gòu)造組織工程軟骨

簡介：軟骨構(gòu)建及軟骨缺損的修復(fù)組織工程學(xué)是20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來的一門新興邊緣學(xué)科。MSCs在適宜的體內(nèi)或體外環(huán)境下，不僅可分化為間充質(zhì)組織，還可以保持內(nèi)外胚層的組織發(fā)育分化潛能，可以分化成神經(jīng)系統(tǒng)、肝、肺、上皮組織等。干細胞中的MSCs固有的優(yōu)勢和特性將在軟骨組織修復(fù)中成為首選種子細胞， 可通過取自體且體外擴增的MSC回植自體內(nèi)修復(fù)重建軟骨組織缺損。多項實驗表明在地塞米松的作用下，MSCs可以向骨、軟骨、脂肪甚至肌細胞等方向分化。在體外培養(yǎng)的骨膜細胞中加入TGF-β1后，可誘導(dǎo)其分化為軟骨細胞。TGF-β1在MSCs定向分化為軟骨細胞的過程中起到了非常關(guān)鍵的作用。TGF-β1能誘導(dǎo)MSCs轉(zhuǎn)化為軟骨細胞，同時對軟骨細胞的分化和功能具有雙向調(diào)節(jié)作用，促進未分化或分化早期軟骨細胞DNA 合成、增殖、分化及細胞外基質(zhì)的合成，抑制成熟軟骨細胞的增殖和分化。TGF-β1在MSCs生成軟骨誘導(dǎo)分化中發(fā)揮重要作用，其作用機制目前尚不清楚。

意義：作為細胞移植的細胞源，MSCs具有獨特的優(yōu)越性：①骨髓組織取材容易，可以通過穿刺獲得。②骨髓干細胞分離擴增方法簡單，成人的MSCs仍保持了多方向分化的潛能。③可以用于自體移植，避免的排斥反應(yīng)和疾病傳播。④人骨髓干細胞移植的方法已經(jīng)經(jīng)過臨床驗證。隨著MSCs及其在軟骨組織工程中研究的不斷深入，相信組織工程軟骨將成為軟骨缺損修復(fù)的最有效方法。

項目負責(zé)：河北省唐山市華北煤炭醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院；

軟骨組織工程用生物降解型可注射的改性水凝膠支架

簡介：將水溶性氧化、還原引發(fā)體系、去離子水、二種生物相容性聚合物的單體按重量比相混合配制成均勻溶液，在恒溫水浴中反應(yīng)，則可得到可用于軟骨組織工程的可注射性水凝膠。1.一種軟骨組織工程用生物降解型可注射的改性水凝膠支架，其特征在于：將水溶性氧化還原引發(fā)體系、去離子水、二種生物相容性聚合物的單體按重量比相混合；其氧化劑∶還原劑∶去離子水∶聚合物單體1∶聚合物單體2為1～120mg∶ 1～70mg∶1～30g∶1g∶0.1～30g配制成均勻溶液，在20℃-50℃恒溫水浴中反應(yīng)1min-60min，則可得到未混懸軟骨細胞的凝膠。

意義：提供了具有凝膠速度快、凝膠溫度恒定、成形后凝膠強度大、保水能力極強、降解速度快又具有良好生物相容性的可用于軟骨組織工程的可注射性水凝膠支架。應(yīng)用前景非常廣闊。

項目負責(zé)：清華大學(xué)。