組織工程與細(xì)胞生物力學(xué)的進展綜述

孫藝 沈陽科技學(xué)院

組織工程與細(xì)胞生物力學(xué)的進展綜述

孫藝 沈陽科技學(xué)院

組織工程是目前發(fā)展最有潛力的學(xué)科之一，在再生修復(fù)醫(yī)學(xué)和人體健康方面應(yīng)用前景十分廣泛。本文結(jié)合組織工程學(xué)與細(xì)胞生物力學(xué)，對細(xì)胞生物力學(xué)在軟組織和血液組織修復(fù)工程中的應(yīng)用進行簡要的綜述，介紹了國內(nèi)外的研究進展，以期為今后的研究提供參考依據(jù)。

組織工程 細(xì)胞生物力學(xué) 組織修復(fù)

組織工程的研究范圍十分廣泛，涉及材料學(xué)、細(xì)胞生物力學(xué)以及生命科學(xué)等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。細(xì)胞生物力學(xué)在組織工程中主要用于構(gòu)建人工心肌、血管、神經(jīng)、皮膚以及軟骨組織和器官，涵蓋了骨科、整形外科、五官科、再生與康復(fù)等醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域。本文從軟組織修復(fù)和血液組織工程兩個方面對細(xì)胞生物力學(xué)的應(yīng)用進行綜述。

1 細(xì)胞生物力學(xué)在軟組織修復(fù)工程中的應(yīng)用

人體的韌帶是一種連接骨骼的緊密結(jié)締組織，在體內(nèi)分布廣泛，尤其是在接近關(guān)節(jié)處。韌帶的功能是保護關(guān)節(jié)，防止關(guān)節(jié)過度屈伸，主要成分是較厚的堅實的膠原纖維和少量的氨基聚糖。在人參加運動時經(jīng)常會發(fā)生韌帶損傷，其中膝蓋韌帶損傷是運動相關(guān)損傷的主要類型，平均每年大約有150萬韌帶損傷病例，其中至少5萬患者需要進行韌帶修復(fù)。目前，治療韌帶損傷撕裂的方法主要是假體性植入物（人工及天然的）、同種異體移植物、異種移植物，單獨或與加強物合用修復(fù)以及采用合成修補物等。但是，這些治療方法都不能提供長期有效的作用。韌帶的合成材料移植雖然十分普遍，但在移植后容易出現(xiàn)移植物變形甚至喪失功能的情況?，F(xiàn)階段異體移植仍然處于試驗期，有可能會引起傷口自發(fā)的免疫反應(yīng)。而自體移植的材料來源有一定限度，同樣是矯形外科醫(yī)師需要面臨的困難。

美國率先采用自體移植物來取代受損前交叉韌帶（ACL）進行韌帶修復(fù)治療，其自體移植組織來自患者髕骨的跟腱、髂脛帶、股薄肌以及半腱肌。但是在這些部位取自體組織會引起供體相應(yīng)部位功能及強度的喪失或降低，從而引發(fā)次級并發(fā)癥。同時，進行髕骨肌腱的自體移植時可能會發(fā)生跟腱斷裂情況。此外，ACL重建的外科手術(shù)復(fù)雜且價格昂貴，因此需要開發(fā)新型安全無排異現(xiàn)象的組織工程韌帶修復(fù)材料。目前組織工程化肌腱領(lǐng)域的研究主要在肌腱細(xì)胞外基質(zhì)替代物、肌腱細(xì)胞生物學(xué)性質(zhì)及其與細(xì)胞外基質(zhì)材料復(fù)合等問題上，研制了適合肌腱細(xì)胞生長和發(fā)揮功能的細(xì)胞外基質(zhì)材料，建立可調(diào)控生長和增殖的肌腱細(xì)胞系，在模擬體內(nèi)力學(xué)條件下，對肌腱細(xì)胞進行了三維培養(yǎng)。

2 細(xì)胞生物力學(xué)在血液組織工程中的應(yīng)用

近年來，隨著人口的激增，對于血液代用品的需求越來越大，僅靠醫(yī)院血庫和人員獻血難以滿足實際需要。而且，傳統(tǒng)輸血方式在血液貯存和運輸方面有著較大的困難，艾滋病、肝炎等各種病毒侵染的危險性較大，缺乏特殊血型，人口老齡化導(dǎo)致的健康供血人群不足等各種問題，給臨床醫(yī)療急救帶來巨大的困難。因此，國內(nèi)外關(guān)于血液代用品的開發(fā)和研究逐漸展開，據(jù)估計全球每年輸血達三千萬單位，血液供給不足將會導(dǎo)致未來20年每年缺少約四百萬單位的血液，開發(fā)能夠使用人類全部血型的代用品將解決這一難題。美國FDA日前批準(zhǔn)了一種含氟化物高分子膠體溶液作為血液代用品，氟碳化合物是由氟和碳組成的分子，與血漿或者水混合輸入人體，氟碳化合物會在全身循環(huán)，向組織輸送氧氣，起到與血紅蛋白一樣的功能。但是氟碳化合物雖然無毒性，卻容易在體內(nèi)堆積不能排出體外，長期會引發(fā)健康問題。

目前，研究學(xué)者通過將人體血紅蛋白基因?qū)氲郊?xì)菌和植物中，進行人工制造血紅蛋白，發(fā)現(xiàn)一種煙草植物能夠合成人類血紅蛋白，但研制過程昂貴且產(chǎn)量較小不能滿足實際需要。研究學(xué)者還傾向于用脂質(zhì)體包封血紅蛋白來作為血液替代品的研究，但是通常脂質(zhì)體的穩(wěn)定性較差，與天然紅細(xì)胞的形態(tài)不一致，并且沒有可變形性，因此臨床應(yīng)用不多。血紅蛋白作為血液代用品的最新進展是研究學(xué)者運用化學(xué)修飾，將多個血紅蛋白分子聚縮成一個大分子，形成2-6個分子構(gòu)成的聚合體，大大提高了輸送氧的速率。我國學(xué)者通過改型和去免疫化等方法成功將動物血紅蛋白轉(zhuǎn)化為人體血液代用品，臨床應(yīng)用安全有效。在細(xì)胞生物力學(xué)和組織工程學(xué)理論的角度，深入認(rèn)識細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)及功能，在組織層面研究生物力學(xué)，以此為基礎(chǔ)，進行紅細(xì)胞重建工作，用磷脂和結(jié)構(gòu)蛋白包封血紅蛋白，體外重建的紅細(xì)胞在變形性、脆性和彈力等生物力學(xué)特性上基本接近天然紅細(xì)胞，同時具有相同的雙凹蝶盤形態(tài)，穩(wěn)定性和運送氧氣能力都較強。

細(xì)胞生物力學(xué)與組織工程學(xué)的有機結(jié)合，在細(xì)胞與組織水平研究信息傳遞及轉(zhuǎn)化規(guī)律，重點圍繞組織修復(fù)工程的基礎(chǔ)研究，在骨連接系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等方面發(fā)展相應(yīng)的研究方法和技術(shù)，并將成果應(yīng)用于人工血管、膽管、血液細(xì)胞、支架材料等方面，替代和修復(fù)人體病變損傷的組織器官，重建生理功能。

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