組織工程支架材料研究進(jìn)展

王海江 陳啟富

[摘要] 細(xì)胞支架材料作為組織工程組織再生的框架，其特性直接影響細(xì)胞的粘附、生長(zhǎng)和代謝功能，因此它是組織工程的關(guān)鍵要素之一。目前應(yīng)用于組織工程的支架材料可分三大類：人工合成高分子可降解聚合物，天然材料提取物和細(xì)胞外基質(zhì)，結(jié)合近年來(lái)的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)組織工程支架材料研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)。

[關(guān)鍵詞] 支架材料；組織工程；細(xì)胞外基質(zhì)

[中圖分類號(hào)] R318.08 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] B[文章編號(hào)] 1673-9701（2012）01-027-03

Research progress of scaffold material in tissue engineering

WANG Haijiang CHEN Qifu

Department of Chest Surgery, Affiliated Hospotel of Guangdong Medical College, the Third People's Hospital of Shenzhen City. Shenzhen 518112, China

[Abstract] Cell scaffold material is the framework of regeneration in tissue engineering. The property of cell scaffold material is the direct effect on the adhesion, proliferation and metabolism functions. Therefore, cell scaffold material is one of the critical factors in tissue engineering. Currently, the scaffold material of tissue engineering is categorized as the synthesized absorbable macromolecule polymer, natural material extracts and extracellular matrix. Based on the pertinent iterature in recent years, the research progress of scaffold material in tissue engineering was summarized in this paper.

[Key words] Scaffold material; Tissue engineering; Extracellular matrix

組織工程研究已有近30年的時(shí)間，在20世紀(jì)80年代Yannas IV等[1]采用可降解膠原多孔材料作為模板進(jìn)行皮膚再生的研究。Wolter與Meyer于1984年報(bào)道在聚甲基丙烯酸甲醋（PMMA）表面構(gòu)建內(nèi)皮細(xì)胞層用于眼科治療，并首次應(yīng)用“組織工程”這個(gè)詞來(lái)描述其實(shí)驗(yàn)。其中細(xì)胞支架材料是組織再生的框架，其功能影響細(xì)胞的代謝、生長(zhǎng)和粘附等，是組織工程研究的重要課題之一。

用于組織工程的支架材料應(yīng)符合以下條件：①材料本身有生物活性，能夠促進(jìn)細(xì)胞增殖分化，可以誘導(dǎo)組織細(xì)胞再生；②材料可以降解，材料降解速度與細(xì)胞的生長(zhǎng)相匹配；③無(wú)抗原作用；④組織生物相容性好；⑤有一定空隙率；⑥有一定力學(xué)強(qiáng)度，可塑形。根據(jù)來(lái)源不同，應(yīng)用于組織工程的支架材料可分三大類：人工合成高分子可降解聚合物，天然材料提取物和細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix, ECM）?，F(xiàn)將細(xì)胞支架研究進(jìn)展綜述如下

1 人工合成聚合物

人工合成聚合物的組織工程支架材料有聚乳酸、聚羥基乙酸和兩者的共聚物聚乳酸-聚羥基乙酸共聚物（PLGA）[2]。聚乳酸降解速度慢，可達(dá)2年，聚羥基乙酸降解速度較快，約4～8周，可根據(jù)聚乳酸、聚羥基乙酸構(gòu)成比例控制支架的降解速度制成PLGA，實(shí)驗(yàn)研究PLGA組織相容性好，在體內(nèi)可以降解為CO2和H2O，機(jī)械性能、降解可控性、微結(jié)構(gòu)等符合支架材料的要求，PLGA形成的孔隙率可達(dá)95%以上[3]，能夠按照設(shè)計(jì)要求大規(guī)模生產(chǎn)三維支架材料，廣泛應(yīng)用于組織工程支架材料的研究。Eberli.D等[4]構(gòu)建空腔組織工程復(fù)合支架，將尿道平滑肌細(xì)胞和上皮細(xì)胞種植到PGA聚合物一側(cè)，移植到小鼠皮下，1個(gè)月后發(fā)現(xiàn)支架上有這兩種細(xì)胞生長(zhǎng)，形成像活體的膀胱組織結(jié)構(gòu)。Woo等[5]用多孔靜電紡絲PLGA修復(fù)皮膚損傷，發(fā)現(xiàn)該材料能促進(jìn)創(chuàng)傷愈合，無(wú)明顯不良反應(yīng)。Ren 等[6]將家兔骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞與PLGA復(fù)合培養(yǎng)，修復(fù)家兔的下頜骨缺損，術(shù)后12周下頜骨缺損修復(fù)良好。

可降解聚合物優(yōu)點(diǎn)是可標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，可降解，組織兼容性好，其強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)和降解可調(diào)控。其缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，降解產(chǎn)物可誘發(fā)炎癥反應(yīng)，無(wú)細(xì)胞因子，不利種子細(xì)胞的黏附。

2 天然材料提取物

天然材料提取物包括膠原、糖蛋白、蛋白多糖、殼聚糖、藻酸鹽等，它們是正常組織的細(xì)胞外高分子物質(zhì)，對(duì)細(xì)胞的黏附具有優(yōu)勢(shì)，但物理強(qiáng)度差,不易成形。

膠原是一種天然蛋白質(zhì)，主要存在于動(dòng)物的韌帶、骨骼、皮膚等組織中。膠原生物相容性好，可以完全降解，常常用于骨等組織工程支架材料[7,8]。Rocha 等[9]用含堿和堿土金屬的鹽溶液處理牛心包膜，制作海綿狀膠原基質(zhì)支架材料，修復(fù)Wistar大鼠脛骨骨折，結(jié)果該種支架材料顯示很好的骨傳導(dǎo)性能和較低的免疫原性，但因其降解速率快和機(jī)械強(qiáng)度差等缺點(diǎn), 不利于單獨(dú)用作骨細(xì)胞支架。

絲素蛋白（Silk fibroin，SF）是一種從蠶絲中提取出的天然高分子纖維蛋白材料，主要以β折疊鏈、α螺旋的構(gòu)象形式存在，力學(xué)性能取決于β折疊及其沿纖維軸方向高度聚集態(tài)結(jié)構(gòu)[10]，目前被廣泛應(yīng)用于組織工程的研究。Charu 等[11]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)SF有很好的機(jī)械性能，被加工修飾后可以改變表面特性、固定細(xì)胞生長(zhǎng)因子，細(xì)胞可以在SF支架很好的生長(zhǎng)。Rao 等[12]對(duì)混合有不同含量絲膠的SF 支架研究，發(fā)現(xiàn)SF支架孔隙率、機(jī)械特性與絲膠含量成正比，即絲膠蛋白越高，支架機(jī)械特性越強(qiáng)，孔隙率越高，并且細(xì)胞培養(yǎng)后支架細(xì)胞粘附良好，降解率低，不良反應(yīng)是有輕微炎癥。SF支架具有很好的細(xì)胞粘附性、生物相容性和較好的機(jī)械性能，缺點(diǎn)是降解速率緩慢，且親水性差。

殼聚糖是一種天然有機(jī)高分子聚合物，它有獨(dú)特分子結(jié)構(gòu)和良好的生物相容性，材料來(lái)源廣泛并且價(jià)格比較便宜，也容易塑形，是較為理想的細(xì)胞外基質(zhì)材料，在生物醫(yī)學(xué)組織工程研究中應(yīng)用多。Yamane 等[13]的實(shí)驗(yàn)證實(shí)軟骨細(xì)胞在殼聚糖／透明質(zhì)酸混合支架材料上能夠粘附生長(zhǎng)并維持其正常形態(tài)，并且見Ⅱ型膠原的表達(dá)。Ragetly 等[14]實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在結(jié)合Ⅱ型膠原的殼聚糖支架上細(xì)胞容易粘附，而在乙?；臍ぞ厶侵Ъ苌霞?xì)胞粘附率低，認(rèn)為殼聚糖經(jīng)脫乙酰化處理后才能用于組織工程，

3 細(xì)胞外基質(zhì)移植物（extracellular matrix graft, ECMG）

細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix, ECM)是一種天然生物材料，經(jīng)過(guò)脫細(xì)胞處理生物體原型組織后，保留了抗原性較低的蛋白多糖、膠原蛋白、糖蛋白等外，還含有多種調(diào)節(jié)細(xì)胞的生物因子和細(xì)胞因子，這些活性因子有利于細(xì)胞在材料上的粘附、生長(zhǎng)和增殖[15]。其中生長(zhǎng)因子是一種水溶性蛋白質(zhì)，有利于組織再生和細(xì)胞的誘導(dǎo)分化，能夠誘導(dǎo)和刺激細(xì)胞的增殖分化、維持細(xì)胞存活等生物效應(yīng)。生長(zhǎng)因子種類較多，堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子p、胰島素樣生長(zhǎng)因子、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子和表皮生長(zhǎng)因子等是組織工程研究中相當(dāng)活躍的生長(zhǎng)因子。Akihiro等[16]，發(fā)現(xiàn)膀胱細(xì)胞外基質(zhì)中含有FGF、TGF-p和VEGF等多種生長(zhǎng)因子，這些生長(zhǎng)因子都有利于促進(jìn)組織修復(fù)和重構(gòu)過(guò)程。對(duì)于SIS研究發(fā)現(xiàn)支架中包含有糖蛋白、纖維連接素、核心蛋白多糖等成分，作為生長(zhǎng)因子的活性調(diào)節(jié)劑，在組織重建中起到重要的調(diào)節(jié)作用。于SIS中的生長(zhǎng)因子主要包括酸性 aFGF、VECF、bFGF、和TGFp，這些生長(zhǎng)因子以激活或潛伏狀態(tài)存在[17]。

與前述兩類材料相比，ECM具有種屬差異小,抗原性弱,不易引發(fā)宿主產(chǎn)生免疫排斥反應(yīng),良好的生物相容性和較好的生物降解性等優(yōu)點(diǎn)[18]，作為組織工程支架材料具有廣闊的應(yīng)用前景。Rotariu等[19]用豬SIS修復(fù)兔2.5cm長(zhǎng)尿道缺損，尿道層完全再生，與天然尿道幾乎無(wú)區(qū)別。Siever 等[20]用同種異體UECM修復(fù)兔尿道缺損，術(shù)后可見尿路上皮細(xì)胞長(zhǎng)入基質(zhì)，基質(zhì)管腔可以被上皮細(xì)胞覆蓋，并且在基質(zhì)中看見平滑肌細(xì)胞，6~8個(gè)月時(shí)基質(zhì)支架的三分之一有平滑肌細(xì)胞束覆蓋，尿道動(dòng)力學(xué)和尿道造影證實(shí)達(dá)到尿道重建修復(fù)功能。孫新君等[21]用異種的脫細(xì)胞骨基質(zhì)( Acellularbone extracellular matrix，ABECM)ABECM 在動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，組織周圍可見軟骨生成、纖維細(xì)胞生長(zhǎng)以及有新生血管。對(duì)照組用酒精浸泡后移植到動(dòng)物體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)骨小梁間有大量炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，無(wú)軟骨生成，排斥反應(yīng)明顯，而ABECM 組外周血T 淋巴細(xì)胞無(wú)表明改變，實(shí)驗(yàn)表明ABECM對(duì)受體細(xì)胞免疫影響不大。Badylak 等[22]將來(lái)自豬小腸黏膜下層（SIS）或膀胱黏膜去除上皮細(xì)胞和肌層，制成天然支架，用于犬的食管修復(fù)，發(fā)現(xiàn)食管的黏膜上皮在35天左右覆蓋整個(gè)供體，50天后新生血管和肌束形成，2個(gè)月內(nèi)支架材料被吸收，補(bǔ)片供體未出現(xiàn)狹窄，但管狀供體出現(xiàn)狹窄，管徑縮小約50%。黃桂林等[23]用家兔、SD大鼠的氣管細(xì)胞外基質(zhì)植入SD 大鼠面頰部，發(fā)現(xiàn)術(shù)后3個(gè)月氣管細(xì)胞外基質(zhì)支架與周圍組織相容較好，無(wú)明顯炎性反應(yīng)和氣管腔塌陷。

細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）具有下述優(yōu)點(diǎn)：① 良好的生物相容性、適當(dāng)?shù)纳锟山到庑?；?支架能維持細(xì)胞形態(tài)和表型，有一定機(jī)械強(qiáng)度；③ 免疫原性低、細(xì)胞的親和性好；④ 含有多種細(xì)胞因子，促進(jìn)細(xì)胞粘附與增殖，誘導(dǎo)組織再生。但是由于目前脫細(xì)胞技術(shù)的限制，細(xì)胞外基質(zhì)研究還要進(jìn)一步的深入才能更好的應(yīng)用于組織工程實(shí)驗(yàn)與臨床研究。

4 支架材料的表面修飾和性狀改善

由于大多數(shù)支架材料在促進(jìn)組織重建中存在一些缺陷，也限制了組織工程支架材料的應(yīng)用，例如人工合成材料親水性差，細(xì)胞不易于吸附，天然支架材料降解過(guò)快，不易于塑形等，為了解決上述問(wèn)題可以對(duì)細(xì)胞支架的性狀進(jìn)行改善及表面的修飾等。Baman 等[24]為了使細(xì)胞與支架更易于黏附，在聚乳酸生物支架材料中用三氟乙醇建立通道。Park等[25]用過(guò)氧等離子及親水性聚丙烯酸處理PLGA后，發(fā)現(xiàn)其親水性及細(xì)胞增殖能力明顯提高。Wang 等[26]用超聲瞬間腔化作用打通聚乳酸生物支架材料原有泡沫樣空間結(jié)構(gòu)中多孔，改善了支架材料的組織相容性，促進(jìn)了細(xì)胞與支架的黏附作用。Sato等[27]為了提高對(duì)成纖維生長(zhǎng)因子22、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1等細(xì)胞因子的結(jié)合力，在對(duì)端膠原多孔支架表面覆蓋肝素化的聚苯乙烯膜，然后在支架上種植軟骨細(xì)胞，結(jié)果很大程度提高了細(xì)胞分化增殖能力。

Jeong等[28]研究明膠/PLCL共聚納米纖維支架，細(xì)胞能很好的在支架上粘附增殖、生長(zhǎng)，并具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，與對(duì)照組相比細(xì)胞數(shù)量明顯增多。將VEGF包裹于PLGA/海藻酸鈉納米微粒中，體外持續(xù)釋放超過(guò)21天，與空白組及VEGF單次注射組對(duì)照，顯示體外人臍靜脈血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖優(yōu)勢(shì)明顯，顯示納米微粒作為一種VEGF緩釋系統(tǒng)載體，在組織工程血管化中前景光明。大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)通過(guò)對(duì)支架材料的表面修飾和性狀改善及可以解決其性能上的缺陷，更利于種子細(xì)胞在支架上的粘附、增殖與生長(zhǎng)。

5 小結(jié)

目前應(yīng)用于組織工程的支架材料有人工合成高分子可降解聚合物，天然材料提取物和細(xì)胞外基質(zhì)三大類，由于支架的材料來(lái)源及制備方法不同，性能差別也比較大，至今還沒(méi)有找到一種材料能夠完全符合細(xì)胞生長(zhǎng)的要求，因此探索制備更加接近體內(nèi)細(xì)胞生存環(huán)境的支架材料是今后研究的方向。主要包括材料降解吸收率與組織器官的再生速率相一致，加強(qiáng)材料的表面修飾、生物活性因子及納米技術(shù)等促進(jìn)細(xì)胞在支架上粘附、識(shí)別、誘導(dǎo)分化，通過(guò)對(duì)支架材料的表面改性來(lái)增強(qiáng)其對(duì)細(xì)胞的粘附能力及力學(xué)強(qiáng)度，并且加入各種活性因子調(diào)控細(xì)胞的生長(zhǎng)，以獲得理想的組織工程支架材料。

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（收稿日期：2011-10-26）