組織工程支架材料研究進展及發(fā)展前景

李秋果 (長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 荊州 434025)

組織工程支架材料研究進展及發(fā)展前景

李秋果 (長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 荊州 434025)

組織工程支架材料在組織工程研究中起中心作用，不僅為特定的細胞提供結(jié)構(gòu)支撐作用，而且還起到模板作用，引導組織再生和控制組織結(jié)構(gòu)。研究開發(fā)具有良好性能的組織工程支架材料是組織工程的熱點之一。對組織工程常用支架材料的種類及應用、支架材料的表面修飾、支架材料的仿生以及納米支架材料進行了綜述，并展望了其發(fā)展前景。

組織工程；支架材料；表面修飾；仿生；納米

組織工程一詞是1987 年由美國國家科學基金會正式提出和確定的，它應用生命科學和工程學的原理與技術(shù)，研究、開發(fā)用于修復、維護、促進人體各種組織或器官損傷后的功能和形態(tài)生物替代。組織工程的核心是建立細胞與生物材料的三維空間復合體，即具有生命力的活體組織，用來對病損組織進行形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及功能的重建并達到永久性替代。

種子細胞、支架材料和細胞生長調(diào)節(jié)因子并稱為組織工程的三大基本要素，而支架材料在組織工程研究中起中心作用[1]，它不僅為特定的細胞提供結(jié)構(gòu)支撐作用，而且還起到模板作用，引導組織再生和控制組織結(jié)構(gòu)。因此，用于組織工程的支架材料是組織工程的基礎(chǔ)，是組織工程成敗的關(guān)鍵因素，尋找具有良好生物相容性和生物降解性的支架材料是組織工程的一個重要方面。

1 組織工程對支架材料的要求

支架材料不僅影響細胞的生物學行為和培養(yǎng)效率，還決定著組織移植后與機體的適應、 結(jié)合以及修復效果。用于組織工程學的理想支架材料必須滿足以下要求：(1)良好的生物相容性：對種子細胞和機體無毒性，不引起炎癥和免疫排斥等不良組織反應，不引起細胞突變；(2)良好的生物降解性；(3)良好的生物力學性能：為細胞提供適宜的微應力環(huán)境，保持所培養(yǎng)組織的結(jié)構(gòu)形貌完整性和穩(wěn)定性[2]；(4)良好的材料-細胞界面關(guān)系：如材料表面的化學結(jié)構(gòu)、拓撲結(jié)構(gòu)、電荷狀況、親/疏水性、與細胞的親和性，易于消毒，生產(chǎn)、純化簡單等[3-6]；(5)適當?shù)目讖匠叽纭⒏呖紫堵室约案弑砻娣e。

2 常用的組織工程支架材料

2.1 天然高分子材料

天然高分子材料來源于生物體，能最終降解為多糖或氨基酸而被機體吸收，能保證足夠的細胞和組織親和性，是組織工程支架材料發(fā)展的一個重要方向，包括膠原、明膠、彈性蛋白、纖維蛋白、纖維素、幾丁質(zhì)、甲殼素、海藻酸鹽、殼聚糖、葡聚糖、氨基酸類聚合物等。天然材料的優(yōu)勢在于含有利于細胞吸附或維持不同官能的信息，如特定的氨基酸順序、肽鏈、生長因子等，缺點是重現(xiàn)性差，不能大批量生產(chǎn)，力學性能較差，降解速度也不易控制，會帶來異種生物攜帶的病毒基因、抗原性消除不確定等問題[8]。

近年來，對許多天然水凝膠材料如纖維素、殼聚糖、海藻酸鈉、膠原等，以及以水凝膠材料為載體的多種可注射型支架的研究很多。這類材料在注射狀態(tài)下具有可流動性(溶膠) ，但注入體內(nèi)后則通過物理或化學作用形成具有一定形狀和機械強度的支架(凝膠)。楊維東等[7]從新西蘭兔耳中分離獲得軟骨細胞，然后將軟骨細胞分別與海藻酸鈉載體和溫度依賴性合成水凝膠進行混合，采用自體細胞轉(zhuǎn)移方式，將軟骨細胞-載體材料皮下注射于新西蘭兔，8周后12例標本顯示均有成熟軟骨組織形成。

2.2 合成高分子材料

合成高分子材料具有物理、力學性能較好；加工性能好，能批量生產(chǎn)和按需剪裁；降解速度和強度可以調(diào)節(jié),易構(gòu)建高孔隙率三維支架；結(jié)構(gòu)和性能可人為修飾和調(diào)控等優(yōu)點，主要包括聚乳酸(PLA) 、聚乙醇酸(PGA) 、聚乳酸與聚乙醇酸共聚物(PLGA)、聚羥基脂肪酸酯(PHA)、聚羥基丁酸酯(PHB) 、聚四氟乙烯(PTEE) 、聚羥基辛酯(PHO)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 、聚甲基丙烯酸羥乙酯(PHEMA) 、多聚丙延胡索酸(PPF) 、聚氨基酸、聚磷腈、聚酯尿烷、尼龍、硅膠等。根據(jù)研究，這類材料也存在許多不足，如不具備生物活性；對細胞的親和力弱往往需要引入適量能促進細胞黏附和增殖的活性基團、 生長因子或黏附因子；材料-界面間不能引發(fā)生物特異反應；可引起無菌性炎癥等。

2.3 生物陶瓷材料

生物陶瓷材料具有無毒，細胞親和性和生物相容性較好，可在生物體內(nèi)發(fā)生降解，易被新生骨組織吸收和替代，而且具有較高的壓縮強度、耐磨性和化學穩(wěn)定性等優(yōu)點，是骨組織支架中常使用的材料。主要有羥基磷灰石(HAP)、磷酸鈣骨水泥(CPC) 、β-磷酸三鈣(β-TCP) 、生物活性玻璃、云母等。生物陶瓷材料也存在一些缺點：降解速度慢，一些材料吸收過慢甚至不吸收，加工困難，形成的支架孔隙率低、脆性大等。

2.4 復合材料

復合材料是由 2 種或 2 種以上的不同材料優(yōu)化組合而成。天然高分子材料、生物陶瓷材料、合成高分子材料可作為復合材料的基材，又可作為增強相和填料，它們相互搭配和組合可形成大量性質(zhì)各異的復合材料。Chen 等[11]報道了一系列通過膠原或硫酸軟骨素等天然高分子材料與聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸與聚乙醇酸共聚物等復合構(gòu)建組織工程支架的研究。實驗結(jié)果表明以上各種組織工程復合支架對軟骨細胞、肝細胞及成纖維細胞等都有良好的細胞相容性，可集中多組分的性能優(yōu)點，彌補各自的不足之處。常見的復合材料有：不同天然高分子材料之間的復合、生物陶瓷材料與天然或合成高分子材料復合、天然高分子材料與合成高分子材料復合等。

不同天然高分子材料之間構(gòu)建的復合材料，主要是為了使獲得的組織工程支架從組分上盡可能地與細胞外基質(zhì)相類似。采用膠原-殼聚糖、膠原-透明質(zhì)酸、殼聚糖-明膠等天然高分子材料構(gòu)建組織工程支架的研究已有報道。Ma等[9-10]對膠原-殼聚糖復合材料做了大量的研究工作，他們以膠原、殼聚糖為主要材料，通過冷凍干燥和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化，獲得了適用于真皮再生的多孔支架。體外細胞培養(yǎng)結(jié)果證明復合材料的優(yōu)點是：細胞能夠非常容易地侵入到支架內(nèi)部并擴增生長，無明顯細胞毒性，有良好的生物相容性，且分布均勻。

生物陶瓷材料與高分子材料構(gòu)建的復合材料主要應用于骨組織工程。通過生物陶瓷材料與膠原、聚乳酸和殼聚糖等高分子材料的復合，能提高骨組織工程的強度及韌性，并且提高支架的生物相容性。

3 支架材料的表面修飾

對生物材料的表面修飾或改性的主要目的是引入具有細胞識別信號的物質(zhì)，使其在修飾的支架材料上粘附、伸展、增殖更適宜。材料表面修飾方法一般包括化學改性法、雜化改性法、等離子體法、表面固定法、自組裝單分子層等。

具有細胞識別信號的物質(zhì)有：(1)天然高分子聚合物材料，包括膠原、幾丁質(zhì)、纖維蛋白和藻酸鹽等，它們包含有細胞識別信號如 RGB序列或生長因子；(2)α-羥基酸與α-氨基酸共聚物材料，氨基酸類聚合物作為蛋白質(zhì)的基本組成單位，氨基酸鏈段帶有的反應活性官能團側(cè)基可以用來吸附肽鏈，從而使整個高分子鏈獲得特定的氨基酸順序，以使細胞能夠識別[12]。

3.1 化學改性法

化學改性是通過共聚、接枝等方法來改變材料的組成，從而獲得具有良好細胞親和性的表面。(1)用具有細胞識別信號的天然高分子材料進行改性，如合成高分子材料 PLA 與PGA 本身不具備生物活性，所以與第二單體進行共聚成為其改性最主要的方法。例如，包含有細胞黏附多肽 (RGD) 的PLA，可以為細胞生長提供更為適宜的環(huán)境[13]；經(jīng)殼聚糖修飾后的PLA對鼠顱骨成骨細胞的粘連、增殖和堿性磷酸酶活性均明顯提高；(2)用具有細胞識別信號的α-羥基酸與α-氨基酸共聚物進行改性，氨基酸上具有多個活性基團及支鏈可以與小肽、藥物或交聯(lián)劑等連接。聚氨基酸以酶解為主，能提供多個酶解位點，可通過調(diào)節(jié)聚氨基酸中各物質(zhì)的比例來調(diào)控其降解速率。Langer 等[14-15]的工作證實PLA和α-氨基酸共聚后，再把 RGD 肽鏈接枝到氨基酸帶有反應活性的官能團側(cè)基上，使之具有細胞特異的、選擇性識別位點，增強了聚合物對細胞的親和性。

3.2 雜化改性法

雜化改性是將不同性質(zhì)的材料通過雜化而獲得具有新性能的組織工程支架材料。(1)添加生長因子的組織工程支架材料，如吸附有生長因子 BMP2 和 TGFB1 的多孔支架材料，實驗結(jié)果表明這種多孔材料在肌肉中具有良好的異位誘導成骨能力以及較強的誘導成骨活性；(2)添加基因的組織工程支架材料，研究表明生長因子的一次性劑量給藥,不能長時間維持其作用的有效水平?，F(xiàn)有將特定的細胞因子基因轉(zhuǎn)染到種子細胞中，使其表達蛋白在較長時間內(nèi)能維持有效水平。如利用膠原作為某種基因載體的研究，轉(zhuǎn)染細胞只要能產(chǎn)生少量細胞因子就有明顯作用。

3.3 等離子體沉積法及等離子體聚合法

等離子體沉積可以在材料表面形成所需官能團，抑制材料表面非特異性作用，以及發(fā)送表面拓撲結(jié)構(gòu)；等離子體聚合可以在材料表面引入羥基、磷酸基等官能團。例如Ratner 研究組以輝光放電等離子沉積方式形成聚合物薄膜，然后將薄膜與二糖共價鍵結(jié)合，能高度選擇性識別許多模板蛋白，如免疫球蛋白、白蛋白、核糖核酸酶、溶菌酶和鏈霉親和素，它能使關(guān)鍵蛋白富集，從而促進愈合過程[16]。

3.4 表面固定法

利用生物學原理將蛋白質(zhì)、多肽、酶、生長因子及細胞等生物活性物質(zhì)固定在材料表面，如將細胞黏附多肽、骨形成蛋白等固定到支架材料表面，充當配基或受體。聚乳酸與聚氧化乙烯(PEO)共聚，PEO鏈端頭的官能基團能固定生物活性分子，改善親水性能，并能調(diào)節(jié)其降解速率，同時PEO可以阻止非特異性蛋白吸附[17]。

3.5 自組裝單分子層

Roberts 等[18]以單分子層自組裝，成功將細胞粘附蛋白引入材料表面，研究確認端羧基親水表面有利于成纖維細胞附著和生長。

4 支架材料仿生化

現(xiàn)有的無論是天然材料還是合成材料，都不具備完美的細胞外基質(zhì)(ECM)功能，于是科學家在仿照天然生物材料ECM的各種組成成分、結(jié)構(gòu)、性能的同時，還對其進行改進，合成和制備出仿生的ECM支架材料。Shen等[19]利用殼聚糖和明膠網(wǎng)絡與聚乳酸復合，制備出軟骨細胞支架材料。Wang 等[20]用仿生共沉淀法，制備出膠原/納米羥基磷灰石復合材料。酆波等[21]制備了骨形態(tài)發(fā)生蛋白7多肽/殼聚糖/納米羥基磷灰石/膠原的新型仿生復合骨組織工程支架，實驗結(jié)果表明，它具有良好的細胞相容性，能夠促進細胞在其表面增殖、黏附及分化，是一種很有前景的骨組織工程支架材料。

5 納米支架材料

納米材料是指其結(jié)構(gòu)單元的尺寸介于1～100nm范圍之間，它具有小尺寸效應和表面效應，這兩個特性使其能有效地誘導細胞生長和組織再生。納米支架材料具有良好的生物降解性、良好的可塑性和適宜的力學性能、無免疫原性等特性，使其在組織工程領(lǐng)域具有十分誘人的應用前景。

5.1 表面具有納米結(jié)構(gòu)或涂層的支架材料

表面具有納米結(jié)構(gòu)或涂層的支架材料可以改善細胞對材料的粘附性和生物相容性。目前，制備這種支架材料主要采用自組裝技術(shù)、等離子沉積法、仿生原位沉積法等。Yanagida 等[22]通過納米羥基磷灰石中鈣離子與聚乳酸中羧基間的離子反應，將納米羥基磷灰石晶體沉積在聚乳酸支架材料表面，研究了支架表面納米羥基磷灰石涂層對小鼠成纖維細胞L929的粘附情況。體外實驗結(jié)果表明，納米涂層有效地提高了L929在支架表面的粘附，認為表面沉積納米粒子有利于蛋白質(zhì)吸附，從而為細胞在支架材料表面的粘附提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

5.2 納米(復合) 支架材料

目前，制備納米(復合) 支架材料主要采用仿生共沉淀法、等離子沉積法、電化學原位沉積法、溶膠-凝膠法、納米粉末壓制法等。天然骨主要由納米羥基磷灰石晶體和膠原纖維束組成，納米羥基磷灰石晶體包埋于膠原微結(jié)構(gòu)中。Du等[23-24]和Banks等[25]采用仿生原位沉積礦化法、陳際達等[26]用電化學原位沉積法，均制備出仿生膠原/納米羥基磷灰石復合骨支架材料。於娟等[27]以自制納米羥基磷灰石/殼聚糖復合材料作為固相，將檸檬酸、醋酸等按一定比例配置成溶液作為液相，制備出可注射型磷酸鈣骨水泥，而且顯示具有良好的細胞相容性。

6 展望

組織工程支架的最終目的是用于臨床治療，因此有必要在設計和制備中考慮材料的機械性能以有利于手術(shù)操作。材料植入是否簡便，材料是否可以大規(guī)模地穩(wěn)定生產(chǎn)，材料是否易于消毒，這些要素在基礎(chǔ)研究中不是重點，但在實際應用中卻非常重要。提供有效的、具有臨床應用價值的組織工程支架，是組織工程材料研究的根本目標。

總之，組織工程支架材料是組織工程學研究的一大熱點，它的開發(fā)具有廣泛的應用前景和潛在的巨大經(jīng)濟、社會效益，已被許多發(fā)達國家列為 21 世紀最有發(fā)展前景的產(chǎn)業(yè)之一，它的發(fā)展也必將為人類的健康帶來福音。

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TQ050.4

A

1673-1409(2012)02-S021-05

2012-01-07

李秋果(1978-)，女，河南葉縣人，助理研究員，主要從事環(huán)境材料研究。