[科普中国]-组织工程支架材料

组织工程支架材料是指能与组织活体细胞结合并能植入生物体的不同组织，并根据具体替代组织具备的功能的材料。为了使种子细胞增殖和分化，需要提供一个由生物材料所构成的细胞支架，支架材料相当于人工细胞外基质。组织工程支架材料包括：骨、软骨、血管、神经、皮肤和人工器官，如肝、脾、肾、膀胱等的组织支架材料。

组织工程支架材料在组织工程中所起的作用：支架材料的结构和形貌控制再生组织的结构、尺寸和形貌，作为连接细胞和组织的框架，引导组织生长成特定形态；

作为信号分子的载体，将其运送到缺损部位，并作为缓释体使诱导因子缓慢发挥作用，为工程化的组织提供一个赖以存在的空间，可引导组织(神经，骨，血管）的再生和成长；

作为组织繁殖分化和新陈代谢的场所，为细胞生长输送营养，排除废物；

支架表面特殊位点与组织起特异性反应，对不同类型细胞起“身份鉴别”及选择黏附的作用（IKVAV短肽，RGD短肽）；

起到机械支撑作用，可以抵抗外来的压力，并维持组织原有的形状和组织的完整性；

支架材料还可以作为活性因子的载体，可以用来承载一些生物活性物质，如生长因子（骨形态发生蛋白BMP,血管内皮生长因子VEGF），为细胞的生长、分化和增殖提供养分。

组织工程支架材料来源分类：天然可降解高分子材料。天然生物可降解高分子材料是指由动植物组织中提取的高分子可降解材料。如胶原（collagen），其本身就是天然骨的组织成分。壳聚糖（chitosan），是甲壳素的衍生物。还有明胶（gelatin）、琼脂、葡聚糖、透明质酸。这类材料的特点是降解产物易被机体吸收，但强度和加工性能较差，降解速度无法调节。

天然可降解无机材料。例如珊瑚是天然动物的骨骼，其中99%是磷酸钙。再如，珊瑚羟基磷灰石（CHA）。它们都具有天然珊瑚的多孔结构，有较好的孔隙率。能和靶细胞很好的黏附，而不影响增殖、分化、成骨，是很好的骨组织工程材料。

合成可降解高分子材料。常用的可降解合成高分子材料有聚乳酸[poly（lactic acid）,PLA],聚乙醇酸[poly(glycolic acid),PGA],聚己内酯(polycaprolactam, PCL)，聚醚，聚碳酸酯等。这类材料的降解产物可在体内代谢排除，对机体无害，可塑性较好。其中PLA和PGA在组织工程中应用最广泛。

合成可降解无机材料。常用的主要有磷酸钙水泥(calcium phosphate cement,CPC)，羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA),磷酸三钙( tricalcium phosphate, TCP),生物活性陶瓷如生物活性玻璃陶瓷( biological activity ceramic glass,BCG),细胞外基质陶瓷类材料等。

复合材料：通过结合不同材料的特点，结合相互的优势来实现某些特定的功能。如:聚乳酸－羟基磷灰石。

组织工程材料功能分类骨组织工程支架材料1.理想骨组织支架材料的特征

①生物相容性和表面活性：有利于细胞的黏附，无毒，不致畸，不引起炎症反应，为细胞的生长提供良好的微环境，能安全用于人体。

②骨传导性和骨诱导性：具有良好骨传导性的材料可以更好地控制材料的降解速度，具有良好骨诱导性的支架材料植入人体后有诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化并促进其增殖的潜能。

③合适的孔径和孔隙率：理想的支架材料孔径最好与正常骨单位的大小相近(人骨单位的平均大小约为223 μm)，在维持一定的外形和机械强度的前提下，通常要求骨组织工程支架材料的孔隙率应尽可能高，同时孔间具备连通孔隙，这样有利于细胞的黏附和生长，促进新骨向材料内部的长入，利于营养成分的运输和代谢产物的排出

④机械强度和可塑性：材料可被加工成所需的形状，并且在植入体内后的一定时间内仍可保持其形状。

2.常用的骨组织工程支架材料：

人工骨支架材料可分为两类，即生物降解和非生物降解型。

早期的人工骨支架材料都是非生物降解型的，这类材料有：高聚物（碳素纤维，涤纶，特氟隆），金属材料（不锈钢，钴基合金，钛合金），生物惰性陶瓷（氧化铝，氧化锌，碳化硅），生物活性陶瓷（生物玻璃，羟基磷灰石，磷酸钙）等。这些材料的特点是机械强度高（耐磨、耐疲功、不变形等，生物惰性（耐酸碱、耐老化、不降解）。但存在二次手术问题，因此人们开始研究使用可生物降解并具有生物活性的材料，这类材料有纤维蛋白凝胶、胶原凝胶、聚乳酸、聚醇酸及其共聚体、聚乳酸和聚羟基酸类、琼脂糖、壳聚糖和透明质酸等多糖类。

目前研究和使用的骨组织支架材料是降解材料或降解和非降解材料的结合。

神经组织工程支架材料1. 神经支架材料的功能有两种:

（1） 必须为神经的恢复提供所需的三维空间，即要保证神经导管具有合适的强度、硬度和弹性，使神经具有再生的通道。
（2） 要保证其有理想的双层结构：外层提供必要的强度，为毛细血管和纤维组织长入提供营养的大孔结构；内层则可起到防止结缔组织长入而起屏障作用的紧密结构。因此，神经修复所用支架材料一般为：外层是强度大、降解速率慢的可降解材料，内层为具有细胞生长活性的降解材料。用于神经修复的内层材料多为胶原和多糖。目前研究和使用的多为胶原和聚乳酸的复合材料。

理想的人工神经是一种特定的三维结构支架的神经导管，可接纳再生轴突长入，对轴突起机械引导作用，雪旺细胞支架内有序地分布，分泌神经营养因子（NTFs）等发挥神经营养作用，并表达CAM、分泌ECM，支持引导轴突出再生。

2. 常用的神经组织工程支架材料：

以往用于桥接神经缺损的神经套管材料有硅胶管、聚四氟乙烯、聚交酯、壳聚糖等。如以硅胶管为外支架，管内平行放置8根尼龙钱作为内支架的“生物性人工神经移植体”。

目前用于人工神经导管研究的可降解吸收材料有聚乙醇酸（PGA）、聚乳酸（PLA）及它们的共聚物等。也有用聚丙烯腈（PAN）和聚氯乙烯（PVC）的共聚物制作神经导管，内壁具有半透膜性质，仅能允许分子量小于50KD的物质通过，使再生轴突能从导管外获取营养物质和生长因子，并避免纤维疤痕组织的侵入。但因其不能降解，在完成引导再生轴突通过神经缺损段之后，仍将长期留存于体内，有可能对神经造成卡压。

3.神经支架材料的研究进展

戴传昌、曹谊林制备了聚羟基乙酸（PGA）纤维支架，其上接种体外培养扩增的雪旺细胞（SC）形成一种组织工程化周围神经桥接物。沈尊理等则利用生物可吸收纤维PDS作为胶原神经导管内部的三维支架结构，种植雪旺细胞，形成一种人工神经。叶震海、顾立强利用自行研制的PLA管作为外围的神经导管，以生物可吸收缝线PGA纤维作为内部纵行三维支架结构，种植SC；发现SC可以贴附于PLA管壁、PGA纤维生长，引导再生轴突生长向前。

选择适宜的生物材料，使SC与生物材料粘附，加入生长因子，对细胞外基质与可降解吸收生物材料经体外培养，在体内预制成类似神经样SC基膜管结构（众多纵行中空管状结构），使人工神经血管化或预制带血管蒂，并保证SC存活、增殖并有活性，这此将成为今后的研究热点。

血管组织工程支架材料
1.血管支架材料特点：

在组织学上，血管壁细胞外基质主要由三层结构组成，其中中膜层有重要的生理意义，主要成分有胶原纤维和弹性蛋白，这种结构赋予血管良好的机械性质和顺应性。所以，在设计和制造血管组织工程支架材料时，人们尽可能地模拟

自然血管的细胞外基质的成分、三维结构、生理功能及机械性能。近年血管顺应性逐渐受到重视，自然血管和组织工程血管之间顺应性的错配被认为是小口径血管移植失败的主要原因。这使小口径血管血栓形成及内膜增生，导致移植失败。自然血管和人工血管之间机械性质的不同，导致吻合口处血流动力学的改变，引起应力集中，增加了血栓的形成和新生内膜的增生。所以，理想的组织工程血管支架材料除了应该具有良好的材料生物相容性，可降解性，具有良好的材料一细胞界面及一定的空间三维结构外，还应具有一定的顺应性。

2.血管支架材料的类型

最早的外层材料一般为尼龙、聚酯等无纺布或无纺网等。目前，该类材料应用较多的为胶原或明胶蛋白包埋的或表面处理的可降解材料的无纺网，例如：聚乳酸、聚羟基酸和多肽等的无纺布或无纺网等。

3.血管支架材料的研究进展

20世纪50年代问世的Dacron是最早应用的人工血管，由于它对凝血系统有激活作用而只能对大口径血管有较短的替代作用。以后又开发利用四氟乙烯（PTFE）、聚氨基甲酸乙酯（Poroussegmented Polyurethane）、膨体聚四氟乙烯（e-PTFE）等，并通过多种方法改变材料的物理性状、表面特点，以达到血管植入的要求。

（1）人工材料上打孔，使之形成多微孔结构，一者提高材料的顺应性，与自体血管弹性相匹配，二者使用周围毛细血管内皮细胞通过微孔长入内膜层，覆盖内表面。Alexander.w.Clowes证实60pePTFE移植后形成内皮细胞层，主要依靠周围毛细血管经微孔处长大，而不是吻合口两端内皮细胞的延伸生长，（两端的延伸仅约2cm），并指出完整的内膜层会减少平滑肌的过度增和。Matsuda采用激光在聚氨基甲酸乙酯膜上打孔，促进内皮细胞的爬行覆疬。

（2） 采用各种可降解涂层以减轻血小板及血细胞的粘集，并希望随着涂层逐步降解，内皮细胞逐步爬行覆盖。Satoshiniu等采用多聚环氧化合物做交联剂，在人工血管上形成明胶－肝素涂层抑制血小板的聚集、纤维素的形成，同时利于吻合口内膜的长入。Himyukinkito在血管假体内表面涂布硫酸软骨素（CS）及透明质酸（HA），外表面涂以明胶层，以达到内表面抗血小板、血细胞吸附，外表面吸引周围组织长入的目的。ArumaN在内膜剥脱的血管周围放置浸有内皮细胞的明胶海绵，利于内皮细胞的迁移及旁分泌等作用减少内膜的增生。

（3） 人工血管内皮化 由于内皮细胞在抗血栓形成、抑制血小板聚集、分泌血管活性因子等方面的重要作用，人们很早就设想在人工血管内表面形成内皮细胞的衬里，以达到模拟自体管的目的。宿主内皮细胞由吻合口向人工血管内迁徙仅限于吻合口周2cm，而毛细血管通过管壁的长入、循环内皮在人工血管表面的沉积这两种途径的原因、机制效果不清，有待进一步研究。于是将新鲜获取或体外培养的内皮细胞直接种植于人工血管的内表面，成为首选的努力方向。

皮肤组织工程支架材料
1.组织工程皮肤以三维支架为载体，通过将细胞种植在支架上而获得。理想的人工皮肤支架应该同时满足材料和结构的要求。在材料上：（1）允许细胞在其表面粘附，促进细胞增殖，保留分化细胞的功能；（2）具备降解性，材料及降解产物均无细胞毒性，不会引起炎症；（3）具有良好的生物相容性；（4）来源广泛，价格低廉，无疾病传播风险等特点。在结构上：（1）具备高孔隙率从而为细胞粘附、细胞外基质的再生及细胞扩散提供足够的空间，孔隙结构可以允许细胞在整个支架上分布，从而促进均质组织形成；（2）应具有三维支架结构，为特定细胞提供结构支撑作用和模板作用，引导组织再生和控制组织结构。

2.目前常用作组织工程皮肤支架材料的天然高分子有甲壳素、壳聚糖、海藻酸盐、胶原蛋白、葡聚糖、透明质酸、明胶、琼脂等。因为其本身具有相同或类似于细胞外基质的结构，可以促进细胞的黏附，增殖和分化。目前来看，天然材料来源较为广泛，制作简单，且价格低廉。但它也存在力学性能较差，抗原性消除不确定，降解速率不宜控制等问题，具有一定的机械强度

此外聚合物有良好的生物相容性以及可控的降解速率，力学性能优良，因而被广泛用作制备组织工程支架材料，常用的有聚乳酸、聚氨酯、聚环氧乙烷等。目前的研究主要集中于通过对材料表面的改性而增强它对细胞的粘附性，以及材料的亲水性。

聚合物共混是一种为组织工程提供新型理想材料的有效方法，已成为目前组织工程生物材料研究的热点。近年来提出的复合材料有海藻酸钠/壳聚糖、胶原/壳聚糖、胶原/琼脂糖、壳聚糖/明胶、壳聚糖/聚己内酯、聚乳酸/聚乙二醇等体系。

其他组织工程材料1. 肌腱和韧带组织工程材料

作为致密结缔组织分别连接着骨骼与肌肉、骨骼与骨骼，它们的高张力强度对

对于介导肢体正常的运动及维持关节的稳定性起关键作用。肌腱组织主要包括水(占湿重的55%)，蛋白多糖(