组织工程材料

一 组织工程学是集生物工程 细胞生物学 分子生物学 生医材料 生物技术 生物化 学 生物力学以及临床医学于一体的一门交叉学科 A 概况 1 几丁聚糖具有很强的抗菌力 促进肉芽生长和皮肤再生的效能 可用于 制造人工皮肤 或治疗烧伤 烫伤 加速外伤愈合 2 用几丁聚糖制成人工皮肤不会发生人体排斥反应带来的一系列问题 这种人工皮肤和身体亲和力强 可被人体吸收 可使皮肤愈合良好 它还有 促使细胞活化的作用 可大量产生胶原纤维 不会留下伤疤 B 基本原理和方法 将体外培养扩增的正常组织细胞 吸附于一种生物相容性良好 并可被机体吸收的生物材料上形成复合物 将细胞 生物材料复合物植入机体组织 器官的 病损病分 细胞在生物材料逐渐被机体降解吸收的过程中形成新的在形态和功能方面与相 应器官 组织相一致的组织 而达到修复创伤和重建功能的目的 C 核心 建立由细胞和生物材料构成的三维复合体 D 三要素 种子细胞 Cell 增殖 分化 自组装成组织和器官 信号因子 细胞因子或生长因子 Growth factor 调节细胞的增殖和分化 支架材料 scaffold 细胞外基质 Extracellular matrix ECM 支撑和指导细胞增 殖 分化 二 组织工程的步骤与方法将细胞取得 快速培养后再植入支架 使细胞依着支架材料的 形状长出新的再生组织 最后长好的组织再移植入人体 A 支架 细胞的家 B 想要让细胞长成我们所预期的器官构造 如果缺乏细胞的立足点 也就是作为细胞生 长温床的 支架 是一件不可能的任务 组织工程利用特殊的生物高分子材料建构出三度空间的立体框架 让植入的细胞可以在其 中生长并增生 支架的功能不仅仅当作细胞生长的框架结构 更可以进一步地控制引导细胞朝特定的方向 生长 分化 三 支架要求 1 支架必须有许多彼此连接的孔洞的要求 以便细胞和营养液流通 这些孔洞的大小 必须要能让细胞通过 2 因为要让细胞附着在支架上繁衍成长 所以支架的材料必须是没 有毒性 具有生物兼容性 才不会伤害细胞及患者 支架的表面需适合 细胞附着 才能使细胞 安居乐业 3 支架若能在细胞繁殖的期间 同时分解成对人体无害的物质 材 料的选用仍须考虑适当的分解速率 以配合细胞的繁殖速率 4 因为支架终究将移植入体内 所以必须具备一定的强度 不然整 个结构可能受体内各种外力的影响而垮掉 所以 在考虑孔洞大小的时 候 不可忽略整个结构的强度 四 组织工程支架要求 1 符合生物安全性要求 2 合适的可生物降解吸收性 3 良好的生物兼容性 即没有严重的免疫排斥问题 4 合适的孔尺寸 高孔隙率和相连的孔形态 5 特定的三维外形 6 高表面积和合适的表面理化性质 7 与植入部位组织力学性能相匹配的结构强度 五 无论所使用的材料为何 皆具有两个共通的特性 1 首先是可塑性 可按照不同的组织器官构造 塑造出我们所想要的形态 2 其次是支架内部的孔洞结构 它就像是一间间的小房间 细胞植入后 如同攀岩一般先贴附在房间的墙壁上 然后慢慢地往房间中央伸展 最后细胞及 其制造出的细胞外基质形成组织而占满了整个房间 细胞彼此间穿墙而过形成联 合的整体 长成我们所要的器官 六 支架 1 成分 胶原蛋白 蛋白多糖 糖胺聚糖 层连蛋白和弹性蛋白等 2 作用 影响细胞形态 促进细胞迁移 调节细胞增殖和分化 七 天然高分子材料 1 蛋白质支架 胶原 明胶 2 多糖支架 海藻酸盐 壳聚糖 透明质酸 3 蛋白质 多糖支架 八 细胞 组织再生的关键 1 组织工程的最终目的是让细胞在体外生长分化为功能 性的组织器官 采集少量的自体细胞加以培养 在体外大规模地 增殖 再运用于体内器官的修复上 因此细胞是组织工程策略能 否奏效的重要功臣 2 细胞的类型大致上可分为两种 已分化完全的 成熟细胞 以及具有分化成其它细胞能力的 干细胞 成熟细胞的来源主要分 为自体及异体细胞 自体细胞是最为理想的细胞来源 因为不会产 生免疫排斥的问题 3 虽然近几十年间 体外培养细胞的技术已有令人瞩目的进展 但仍有许多关键性的难题尚未突破 例如 如何有效地促进成熟细 胞在体外的增生能力 以及细胞取得来源受限等问题 将是组织工 程应用发展的一大绊脚石 九 1 干细胞 1 研究的热潮 为组织工程的前景带来一线曙光 藉由诱 导干细胞分化的研究 可以解决细胞来源不足的问题 且干细胞具有在体外无限制增殖的特点 将解决组织 工程的 细胞荒 问题 2 虽然目前对于干细胞的研究尚未成熟 且针对 胚胎干 细胞 方面的研究因牵涉到伦理的问题而反对声浪不断 3 干细胞不仅只是存在于胚胎当中 在成熟的人体内依然可发 现其踪影 比方说骨髓中就含有造血干细胞与间叶干细胞 4 在不久的将来 会有类似 细胞银行 的机构出现 专门提 供各式各样的人体细胞 或培育客户的干细胞使其分化成为所需细 胞 作为组织器官修复的重要组件 十 干细胞定义 1 干细胞 stem cell 是指具有无限或较长期的自我更新能力 并能产生 至少一种高度分化子代细胞的细胞 2 根据这一定义 在个体发育的不同阶段以及成体的不同组织中均 存在着干细胞 只是随着年龄的增长 干细胞的数量逐渐减少 其分化 潜能也逐渐变窄 3 在干细胞的发育过程中 还有一种中间类型的细胞称为祖细胞 progenitor cells 祖细胞也具有有限的增殖和分化能力 与干细胞不同 的是 祖细胞没有自我更新能力 它在经过几轮细胞分裂周期后产生的 两个子代细胞均为终末分化细胞 terminal differentiated cells 十一 组织工程研究内容 组织工程研究包括以下四个方面 1 种子细胞研究 2 细胞外基质的研究 3 组织器官的构建 4 组织工程临床应用 A 种子细胞研究 种子细胞的培养是组织工程的基本要素 细胞主要来源于自体 同种异 体 异种组织细胞等 自体组织细胞应为首选 1 载体等技术用于细胞的快速增殖 2 干细胞工程 3 采用各种生长因子和端粒酶调节与延缓细胞的老化 4 采用各种方法 包括自身转化 化学 物理 病毒等方法 诱导细胞 发生转化 使其倍增时间减少 永生化或生命期延长 也是一个努力方向 B 细胞外基质的研究 ECM 均质状态的基质 蛋白多糖 糖蛋白 和细丝状的胶原纤维 ECM 是细胞附着的基本框架和代谢场所 其形态和功能直接影响所构成 的组织形态和功能 理想的 ECM 应具有以下特点 生物相容性好 有可吸收性 有可塑性 表面化学特性和表面微结构利于细胞的粘附和生长 降解速率可根据 不同细胞的组织再生速率而进行调整 C 组织器官的构建 1 骨组织构建 构建组织工程骨的方式有几种 支架材料与成骨细胞 支架材料与 生长因子 支架材料与成骨细胞加生长因子 生长因子通过调节细胞增殖 分化过程并改变细胞产物的合成而作用于 成骨过程 2 组织工程血管构建 血管壁中切取弹性基膜 并在其上培养鼠动脉平滑肌细胞 或用 I 型胶 原制备基质材料与各型血管壁细胞成分合成血管模型 D 组织工程临床应用 组织工程中临床应用是在组织构建完成了动物试验之后 在人体上的应 用 这也是组织工程的最后一步 目前 组织工程的研究只有活性皮肤达到 了这一步 12 组织工程支架材料 1 骨组织工程支架材料 2 神经组织工程支架材料 3 血管组织工程支架材料 4 肌腱组织工程支架材料 5 皮肤组织工程支架材料 6 角膜组织工程支架材料 7 肝 胰 肾 泌尿系统组织工程支架材料 A 骨组织工程支架材料 必须具备以下两个功能 1 有一定机械强度以支撑组织的高强度材料 以保证材料植入 人体后 有支撑体的重量 不改变骨骼形状 2 有一定生物活性可诱导细胞生长 分化 并可被人体降解吸 收 分为两类 即生物降解和非生物降解型 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 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 B 神经组织工程支架材料 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 NTFs 等发挥神经营养作用 并表达 CAM 分泌 ECM 支持引导轴 突再生 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 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 神经组织工程支架材料 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 C 血管组织工程支架材料 结构上也分为双层 内层是与血液相容性好的生物活性材料 该类 材料要求不仅具有生物活性 同时还要具有抗凝血和抗溶血作用 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 D 肌腱组织工程支架材料 肌腱与韧带组织中的功能细胞分别是肌腱细胞和成纤维细胞 二者 在组织来源上均属成纤维细胞型 但肌腱细胞分泌 型胶原 而成纤维 细胞分泌 型胶原 因此 肌腱组织支架材料必须可降解 但一定 要是降解时间较长的材料 类型 20 世纪 70 年代肌腱支架材料一般使用硅橡胶 尼龙聚酯 碳纤维等 目前使用的多是聚酯聚二氧杂环烷等 E 皮肤组织工程支架材料 人工角膜材料要求透明 吸水 有一定的机械强度 屈光性好等特 点 同时 要求可降解 以前常用的材料为 HAMA PMMA 近来来 多采用胶原和聚醇酸等材料 F 肝 胰 肾 泌尿系统组织工程支架材料 肝 胰 肾 泌尿系统使用的组织工程支架材料多为可降解材料 目前这方面研究和使用的材料 主要以天然蛋白 多糖与合成高聚物杂 化的可降解材料 例如 用于肝组织工程支架的血纤维和聚乳酸 用于 泌尿系统的聚乙醇酸等 13 用于组织工程的新肽生物材料支架 1 自然来源的材料 几种自然来源的动物产物如基于胶原蛋白的生物支架 它们的衍生 物和生物相容性同聚物已用于细胞吸附的支架 2 合成的肽生物材料支架 合成生物材料的最大优点是他们能被设计成符合特定的需要的东西 通过插入能促进细胞吸附的生物活性基序的例子表明了这样设计的可塑 性 3 组织工程和修复 生物材料已广泛用于组织工程 最近在生物材料和细胞相互作用的 工作集中在空腔 膀胱 和骨组织工程的生物材料的物理特性和维度 4 设计更好的人工肽生物材料支架 未来在合成的生物材料支架的工作将注重具有更复杂的材料几何构 象和诸如更强的抗拉能力的生物材料的设计 将生物活性基序插入肽生 物材料中将刺激编织这些材料成良好结构的处理过程的发