生物医用材料系列5--软组织工程及降解材料

1,软组织修复与重建,2,一、组织工程材料面临的挑战组织工程:是指应用生命科学与工程原理及方法构建一个生物装置来维护、增进人体细胞和组织的生长，以恢复受损组织或器官的功能。,3,1、组织工程概念的提出,当人体的组织和器官由于外伤或病变受到损伤以后，人们即用生物材料制成人工器官取代受损器官。由于所用的材料是人工合成或天然的（即所谓“死”材料），植入人体后会产生一系列的副作用。,4,首先这些材料被人体视为异物，会受到机体免疫系统的攻击和排斥，通常称为生物不相容性；若与血液接触就会产生血液不相容性。例如人工心瓣膜植入体内会产生凝血作用，引起血栓或炎症。,5,另外，合成材料不是活体组织，不具备人体器官的复杂功能。例如:用微化的活性炭制成的人工肝辅助装置，只有肝脏的解毒功能，而无合成、代谢功能。,6,目前组织移植新技术可以将一个人的组织或器官移植到另一个人受损的组织或器官中去。虽然这一技术是革命性的，能有效地拯救生命，但是：会导致异体在界面发生炎症或位移和破裂。另一严重的制约是移植器官来源不足。1996年美国当年有5万人登记器官移植，但供体只有7500个。,7,由于移植器官不是自体，会产生排斥作用。为了降低排异性，必须服用药物，这样又会破坏人体的免疫平衡，可能导致肿瘤等。随着细胞生物学、分子生物学、材料科学及相关物理化学学科的发展，人们提出了组织工程概念。,8,2、组织工程的基本原理和方法,将体外培养的组织细胞吸附扩增于一种生物相容性良好并可被人体逐步降解吸收的生物材料上，形成细胞生物材料复合物。该生物材料为细胞提供一个生存的三维空间，有利于细胞获得足够的营养物质，进行营养物交换，并且能排除废物，使细胞能在按照预制设计的三维形状支架上生长。,9,然后将此细胞生物材料复合体植入机体组织病损部位。种植的细胞在生物支架逐步降解吸收过程中，继续增殖并分泌基质，形成新的具有与自身功能和形态相应的组织和器官。这种具有生命力的活体组织能对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。,10,3、面临的挑战,在技术方面:进一步研究和改造活细胞本身的功能，并选择、制备和修饰支架材料，深入探讨细胞与材料的界面反应和信息传递、传质、力学等因素的影响。在细胞方面:为了制造新的组织或器官，需要大量的活体细胞，因此需建立一个通用的细胞库，对每一个个体随时提供细胞。,11,细胞库构建的要点,这些细胞可以是分化的或是干细胞。无抗原性的通用细胞可用基因重组的方法制备。用同种、自体或异种的组织进行制备，即将这些组织在体外分离出细胞，进行细胞培养增殖，然后制成模板，进行构建。设计各种体系或生物反应器来保持细胞的活性和功能。,12,在材料方面，正在研究如何将材料与活细胞组建成组织工程构件或支架复合体，使它们成为具有生物功能的活性材料。这些材料可以是永久性的，可以是生物降解的，可以是天然合成的或是杂化的，但必须与活细胞在体内及体外相容。,13,在研究和设计方面，应该符合宏观和微观三维分子水平以及生物力学等方面的要求。所设计的装置可以是密闭式的、半透性的、开放式的，需要根据治疗对象的要求进行设计。,14,还要研究：组织植入人体后是否能生长，生物力学性质是否随植入时间而变化，软骨或骨组织在生物反应器中受应力作用后强度是否会增加，最佳反应时间如何确定，当材料开始降解后，植入体的强度在哪一时间段能达到要求等。,15,2、组织工程材料软组织修复与重建,健康最重要的问题之一就是器官或组织的损伤与丢失。组织工程可将人体某一器官的细胞在体外进行分离培养，种植到三维支架（可降解的组织工程材料）上植入体内，使细胞借助支架和营养物慢慢生长出新组织或器官。当新生组织或器官成熟后，支架逐渐降解，排出体外。,16,组织工程（TissueEngineering）流程示意图,17,1）组织工程材料应具备的条件,经典的选择原则是寻找性能长期不变的“惰性”材料。这种选择总会产生细胞与材料之间的免疫排斥作用；因此在选择材料时不是找静止的替代物，而选择对组织或细胞有促进自身修复生长、分化和增殖功能的材料。这是组织工程在选择材料时的出发点，也是装置设计应考虑的关键。,18,生物相容性要求：材料能够促进组织的生长，使细胞之间能够沟通，并最大限度地获得取营养物、生长因子和活性药物分子。在某些场合能防止细胞激活（如外科手术、防粘连的场合）；指导和控制组织的反应（促进某一组织反应，抑制其他反应）,19,促进细胞粘附及激活细胞：(皮肤修复中成纤维细胞的黏附和增殖）抑制细胞的粘附和激活细胞：（防止血小板粘附在血管上）防止某一生物反应的攻击：（在器官移植中，阻止抗体攻击同种或异种细胞）。,20,组织工程材料除满足以上的生物相容性要求以外，还应具备以下条件：易于加工成三维多孔支架；支架要有一定力学强度以支持新生组织的生长，并待成熟后能自行降解；低毒或无毒；能够释放药物或活性物质如生长激素等。,21,组织工程材料按性质和应用大致分为：生物降解材料、组织引导材料、组织诱导材料组织阻离材料。,22,2)生物降解材料,天然生物降解材料合成生物降解材料。,23,A.天然生物降解材料,天然生物降解材料与细胞的相容性比较好，常作为细胞支架材料。I型胶原氨基葡聚糖壳聚糖聚羟基烷基酸酯发展中的可降解材料,24,(1)I型胶原,胶原是哺乳动物体内结缔组织的主要成分，I型最丰富，且性质优良，被广泛用作用生物医用材料。胶原是由三股螺旋多肽链结构组成的。由于有规整的螺旋结构，所以胶原的免疫原性较温和。胶原子分子在体外可形成较大的有序结构，能聚合成强度良好的纤维。,25,胶原分子能提供使细胞生长、分化、生殖和进行代谢的结合位点，因此胶原分子可以作为组织恢复的支架材料。胶原基质能促进新组织的生长，可构建人工细胞外基质，以促进人工皮的制造。,26,(2)氨基葡聚糖,氨基葡聚糖是几种由双糖重复单位聚合成高分子直链的杂多糖，这类化合物有：硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素、硫酸角质素透明质酸。透明质酸无免疫原性，不产生炎症或免疫排斥反应，主要缺点是强度和稳定性较差。,27,对透明质酸及氨基葡萄聚糖中其他一些组分作为组织修复的基本原料尚有争论，但透明质酸易于分离和修饰并能制成较硬的骨架，在医疗装置上已获得应用。,28,(3)壳聚糖,壳聚糖是生物合成的多糖，是甲壳素脱乙酰化产物。每年海洋产达10亿吨，价廉。不具有免疫原性，因此也是很好的植入材料。壳聚糖是智能性材料，利用它的带电性能可以调节和控制产品的物理和化学性质。用它制做的凝胶、膜、粉和纤维可作为包埋材料、膜屏蔽材料、接触镜、细胞培养抗凝剂及血液抗凝剂。,29,(4)聚羟基烷基酸酯,聚羟基烷基酸酯是生物降解和生物相容的热塑性材料。它是由微生物制成的。ICI公司采用菌种糖液发酵成功地制备了聚羟基丁酸，聚羟基丁酸是低毒材料，在体内降解成D-3羟基丁酸，是人血液的一种成分。这类材料目前已用于:药物控释、缝合线和人工皮。,30,(5)发展中的可降解材料,合成生物分子近年来在医药中受到重视。利用多肽化合物和工程菌，合成了一些有类似弹性蛋白结构的聚合物，其共聚物已用于骨骼肌修复、矫形装置及药物的机械或电刺激释放。这类具有重复多肽结构的蛋白质聚合物是一类新兴的材料，其力学性能和生物活性可由程序控制。,31,B.合成生物降解材料,天然降解材料虽然具有某些优良性能，但存在些不足，如力学强度较差，性能随批次不同有差异。合成降解材料则具有强度高、来源充足、易于加工等优点，被广泛应用于组织工程领域。,32,合成生物降解材料常用的有：,聚羟基乙酸及其共聚物聚已内酯聚原酸酯和聚酐聚磷腈聚氨基酸,33,1）聚羟基乙酸及其共聚物,聚羟基乙酸（也称聚乙交酯）、聚羟基丙酸（也称聚乳酸）及其共聚物是合成降解聚合物在医药部门应用最广的材料之一。,34,聚羟基乙酸特点：结晶度高、熔点高、溶解度低，是第一个全合成、可降解的缝合线，由于它的亲水性，植入的纤维24周即失去力学强度。,35,羟基乙酸与乳酸的共聚物具有更好的性质。L型聚合物为部分结晶高分子，有较强的力学性能，常用于制造纤维和矫形装置。近年来将细胞植入该共聚物的多孔支架，已成功应用于骨组织修复，并获美国FDA批准临床应用。,36,2）聚已内酯,是一种脂肪酸酯水解或降解速度比聚羟基乙酸或聚乳酸要低，适合做长期植入装置熔点低，只有57C无毒，是生物相容性材料有良好的药物通透性，常用于药物释放载体,37,3)聚原酸酯和聚酐,聚原酸酯是一族合成降解物，用它制成装置可通过“表面溶蚀”进行降解。它能从表面开始降解，慢慢变成越来越薄的片状物而不是像一般材料降解成碎块，因此常用于药物控制释放。聚原酸酯和聚酐遇水均能水解，故易于降解。,38,4)聚磷腈,聚磷腈是以磷、氮为骨架的无机聚合物。磷氮骨架水解时形成磷酸和氨盐，同时释放出具有侧链的基团化合物。具有医药用途的聚磷腈带有氨基和活化醇基，聚合物对组织反应很弱。微化技术可使聚磷腈包埋杂交瘤制备单克隆抗体。它的衍生物具有良好的血液相容性和药物释放作用。,39,5)聚氨基酸,聚氨基酸作为生物材料有很多优点：1）品种多；2）支链能够与小肽、药物或交联剂等连接，制成各种不同性能的产物；3）由于聚合物降解成氨基酸，毒性很低，因此可做缝合线、人工皮肤和药物释放载体。,40,制备聚氨基酸的原料较昂贵而且生产时不易操作，使实际应用受到限制。此类聚合物为肽键连接，具有一定免疫原性，少数聚谷氨酸衍生物才能作为植入材料。为了解这一问题，曾制备了一系列“假”聚氨基酸。所谓“假”聚氨基酸，是避免氨基酸之间的肽键连接，而改用酯键或脲键将氨基酸连接。,使用聚氨基酸的缺点：,41,3、组织引导材料,组织引导材料主要是引导组织的再生，例如皮肤创伤的修复和神经的再生。人体皮肤的愈合是靠纤维蛋白支架。人工制作和研究这种支架是组织工程的任务。利用这种支架可以引导组织的生长，从而控制新生组织或皮肤的质量，减少疤痕细胞和组织收缩。Yannas已经用胶原为主的生物高分子材料制人工支架，成功地应用于皮肤和神经的修复。,42,4、组织诱导材料,很多细胞和组织的应答反应在体外是很难重现的，但是具有生物活性的生物医用材料可以对这些反应起诱导作用。,43,其方法是：在材料表面连接活性配体，令材料释放生物活性信息分子，将细胞贴附在材料表面，并释放生物信息,44,蛋白质吸附于材料表面或将三肽分子固定上去可诱导细胞吸附于材料表面。细胞在悬浮状态易于死亡，利用材料的诱导作用将其吸附于材料表面则可使其存活并表现出解毒和合成功能。利用材料的诱导作用也可使内皮细胞在几何形状固定的装置中形成毛细管状物。,常见用途：,45,5、组织隔离材料,组织的正常应答反应是免疫排斥，很多疾病（如糖尿病）的治疗都与植入细胞免疫隔离有关。当同种或异种细胞植入宿主时，首先遇到的是异体排斥，利用生物材料将细胞与宿主隔离开，就可以顺利地解决这一难题。,46,将植入的细胞（如肝细胞）用一个很薄的聚合物半透膜包封起来制成微囊。半透膜一方面将囊内细胞与外界隔离开，避免了免疫排斥作用；,47,另一方面由于膜的通透性可允许小分子营养物或产生物自由穿透半透膜，肝衰患者所产生的氨、酚、硫醇等毒物，可通过半透膜进入囊内与正常肝细胞接触达到解毒的效果，生成的产物（细胞代谢物）由囊中排出。,48,不足之处，膜强度需一步提高和对载留物质选择性不够强，目前只能通过控制膜上孔径大小来隔离不同分子量的物质。,49,三、组织工程支架的研究与制备方法,用组织工程制成的器官常常需要制备一个临时性的多孔支架。支架的功能:指导种植的细胞或迁移到支架周围的细胞生长或增殖。,50,支架首先应是能使细胞粘附、分化、增殖或迁移的底物。通常选生物降解材料。聚羟基酸如聚乳酸（PLA）、聚乙丙交酯共聚体（PLGA）以及聚乙交酯（PGA）均为线形非交联聚合物，是生物相容性的。这些材料可使某些细胞粘附、增殖和保留分化功能。,51,支架的多孔性是非常重要的，因为它能使细胞迁移或增殖。孔径大小影响细胞的长入和支架的内表面积。具有较大内表面积的支架可培养更多的细胞，为再生器官提供足够的细胞。,52,支架的强度对修复硬组织尤为重要。设计研究中应考虑的重要因素：支架的拉伸强度、不规则的三维几何形状及支架对生物活性物质的释放，,53,1、聚合物支架的制备和加工方法,利用聚合物的溶解或熔融，将聚乳酸二氯甲烷溶液灌注到聚乙交酯网状纤维上，经热处理后，制成聚乙交酯增强的网状支架。此法制成的支架有较高强度和高的比表面积，但无法调节和控制孔隙率。,1）纤维连结法,54,2）溶剂浇铸和孔隙制取法将细粉状氯化钠分散到聚乳酸氯仿溶液中，在玻璃板上浇注成膜，用水将氯化钠提取出来，制成孔隙，溶剂挥发后得到多孔膜。优点：用此法制备膜时可以控制孔隙率和孔径，这对制备支架是非常重要的。缺点：只能制作膜材料，无法获得三维空间支架。,55,3）层压膜法软骨或骨的修复需要三维空间支架。用溶剂浇铸法制成多孔膜后，再将其层压成具有三维空间的支架，然后按设计的几何形状切割，即按解剖学要求制成可降解的聚乳酸或其共聚物支架。,56,4）熔融膜压法熔融膜压法是将聚合物加热熔融后加压制成膜材。聚乙丙交酯共聚物用熔融膜压法制三维多孔性支架时所用的致孔剂为明胶微球或其他水溶性物质，用水提取致孔剂后可得到多孔性支架。,57,5）纤维增强法设计骨再生支架首先要设计三维多孔性、形状不规则的聚合物支架；其次要求其具有高强度，能承受损骨应力，直到长出新骨。将羟基磷灰石的短纤维均匀混入聚合物中可提高强度。,58,但是，将无机纤维与有机聚合物混合均匀是非常困难的。可用溶剂浇铸法将羟基磷灰石与致孔剂和聚合物溶液混合均匀。然后将溶剂挥发，制成增强多孔膜，再经层压形成三维多孔结构支架，用羟基磷灰石纤维增强的聚合物多孔支架与未增强的材料相比，其抗压强度显著增加。,59,表4-4羟基磷灰石纤维增强的多孔性支架的制备过程,60,6）相分离法相分离法是制备支架的一种新方法。支架中引入的活性物质植入人体后进行释放，对组织的生长和细胞的功能都有巨大作用。制造多孔性聚乳酸支架时为了使活性物质避免化学、高温的恶劣环境，可采用相分离法。,61,7）原位聚合法上述方法都是在体外预先制成的支架，有些情况下（如手术进行中）需要修补损伤部位。这时可用原位聚合的方法实现，即将单体置于损伤处进行聚合。,62,四、细胞与材料的界面反应,1、细胞与材料界面反应的评价方法,1）细胞的粘附和扩散人体多数细胞是贴壁细胞，生长过程中需贴附于固体表面。在组织工程中细胞的贴壁非常重要，因为贴壁后细胞才能扩散、迁移或分化。,63,方法分三步：1）将细胞分散到聚合物表面；2）进行细胞培养；3）在一定作用力下脱附那些贴附较弱的细胞，最后统计贴壁的细胞数。,64,2）细胞的迁移细胞迁移因为关系到新组织的形成和修复，所以在组织工程中很重要。细胞迁移不易测定，尤其在复杂环境中。在某些特殊条件下，可用种群技术测定细胞的迁移。,65,3）细胞的聚集细胞聚集是研究组织形成的重要途径，它可以提高杂化人工器官的功能及植入组织的重建。某些特定技术可以制取细胞聚集体。用聚集体的形成和动力学来评价细胞与材料界面反应是一个重要的方法。,66,4）细胞的功能在组织工程研究中往往希望提高某种细胞的特殊功能，如提高肝细胞的蛋白分泌和解毒功能。提高细胞功能是组织工程非常关注的问题，由于细胞功能与材料有着密切关系所以用细胞功能优劣可评价细胞与材料的界面反应。,67,聚合物表面的化学组成对细胞的贴附和扩散有重要影响。例如，将不同浓度的聚甲基烯酸羟乙酯沉积到聚苯乙烯表面，随着沉积量的增多细胞的贴附能力提高，细胞的扩散也加快，直接影响了细胞的生长和增殖。,2、材料化学表面对细胞的影响,68,研究表明，聚合物表面化学组成由苯乙烯变成甲基丙稀酸羟乙酯，即由油溶性物质变为亲水性物质时，贴附的细胞功能改变了，这一点对组织工程是非常重要的，一般来说，聚合物表面具有亲水基团有利于细胞的贴附和生长。,69,对于某些个别的细胞，聚合物表面性质：羟基的密度、表面能、成纤维蛋白的吸附量及含水量等对细胞的影响已有报道。,70,3、降解材料及一般聚合物表面修饰对细胞的影响,应用可降解材料制成植入体，聚合物在体内将逐渐降解，其表面也不断更新，这是组织工程遇到的又一新问题。,71,聚乙、丙交酯及其共聚物制成的纤维已用于临床研究，软骨细胞在聚乙或丙交酯多孔网状支架上能够增殖，并分泌氨基葡聚糖；鼠的肝细胞在聚乙、丙交酯共混合聚合物上，能连续5天分泌白蛋白。骨细胞附着在聚磷腈聚合物上，用不同衍生物可调控细胞生长与材料降解速度之间的关系。,72,对于一般合成聚合物，通过表面修饰可促使细胞粘附，即材料表面吸附一层蛋白，然后细胞在其上贴附、迁移和生长。例如将胶原固定在表面，或将短序列的氨基酸、多糖和糖酯固定在聚合物表面，均能改变材料的表面性能。某些短肽在细胞表面与受体相联，也能提高细胞的贴附功能。,73,除了细胞结合多肽，其他生物活性物质（如聚赖氨酸、聚鸟氨酸）吸附到聚合物表面都能提高材料对细胞的粘附能力。此外，共价连接的氨基、固定化的多糖也均对细胞有粘附作用。,74,4、材料物理表面对细胞的影响,植入体微观形态对细胞生长有重要影响。研究表明，多孔性聚合物膜含有小于5um的孔能促进新细胞的生长，细胞在棱角、沟纹上与在平面上的表现是不一样的，多数情况下，细胞沿着纤维或螺纹处取向或迁移，取向程度取决于螺纹深度。,75,聚砜表面具有4um2或25um2的平台时比有100um2的平台效果要好。因此，人们设计制作了不同大小的岛屿，使材料表面有细胞易于贴附的地方（也有某些区域不长细胞）。较大的岛屿能促进肝细胞生长，较小的岛屿能提高白蛋白分泌。,76,5、细胞与悬浮聚合物的影响,在组织工程中，某些研究领域还涉及贴壁细胞附着在聚合物微载体上。在体外进行的细胞培养或细胞移值中，如在人工肝支持装置中，微载体的表面性质对细胞生长具有重要影响。,77,组织工程另一重要研究领域是将细胞悬浮在微囊里，用囊膜来保护细胞不受抗体的攻击这一方法已用于人工胰。由于成膜条件温和，常常用于细胞的微囊化。,78,5、组织与细胞的微环境,构建完美的组织工程装置，不仅要研究聚合物材料的性质，还需探讨组织生长的最佳微环境，给细胞提供一个能够生长、增殖、分化的良好环境。,79,组织生长是复杂的调控过程，涉及一些生长因子和周围的细胞外基质。它们之间的相互作用决定了细胞的定位、迁移和生长，需要对这些物质进行仿生或模似，以使生物材料界面更好地与细胞相容。,80,发育、生长的组织细胞会和一系列不同的调节剂发生相互作用，每一作用都和特异的受体配体相联系，而这些相互作用可刺激细胞的增殖或死亡。例如化学变化或细胞外基质梯度的变化会发出信号，让细胞沿着分子轨道到达某一个区域，然后另外一组信号令细胞停止走动而固定下来。,81,这些终止或辨认细胞的信号是十分复杂的。在造血细胞生长系统里，细胞活素复合物和胞外基质的相互作用是初期发育细胞的固定化信号。在其他发育系统里也同样存在这种细胞基质细胞活素之间的相互作用。因此，经过细胞的调控最终形成组织是一个复杂的过程。,82,组织微环境主要涉及三个方面：细胞要素、可溶性生长因子、胞外基质。,83,1）细胞要素细胞的发育是按照明确的层次进行的。在个体发育中，任何器官细胞都迁移到一个适合组织生长的区域，然后进行快速的增殖和分化。某些有增殖能力的细胞如骨髓细胞、肝细胞、皮细胞等按一定层次进行增殖。,84,例如在造血系统中，不断生成血细胞、在人一生中大约能生成70倍体重的血细胞。这里有一种很原始的可再生的细胞，称为干细胞。它除了具有增殖再生能力，还能生成子代细胞。,85,2）可溶性生长因子可溶性特异生长因子是细胞增殖和分化不可少的物质。可溶性生长因子则指导细胞分化。研究表明，生长因子能诱导或直接作用于基因表达，因而作用于细胞的增殖和分化。,86,3）胞外基质,胞外基质是由蛋白质和糖胺聚糖经化学和物理交联形成的复合物。它的主要成分是胶原、蛋白多糖和一些糖蛋白。研究证明，这些成分对内皮细胞的生长、增殖和分化均有重要影响。,87,（1）蛋白多糖和糖胺聚糖蛋白多糖、糖胺聚糖等是组织工程中经常涉及的物质。它们是聚阴离子大分子化合物，存在于胞外基质和间质细胞表面；,88,（2）血小板反应蛋白血小板反应蛋白是二硫链连接的糖蛋白三聚体，分子量为450，000。它的主要功能是促使细胞结合及结合胞外基质中其他的蛋白分子。,89,（3）纤维结合素纤维结合素是一种球形普遍存在于胞外基质中，能促使细胞与细胞的粘连。造血细胞能合成纤维结合素，并与其粘连。,90,（4）胶原蛋白胶原蛋白是组织细胞的结构蛋白。它以多种形式存在于胞外基质中，很多蛋白都与它连接，并与整合素直接相连。,91,4、胞外基质对细胞功能的调控,胞外基质与细胞的扩展、迁移和功能都有密切关系。例如肝细胞的扩展与载体上配体（如层粘连蛋白）的密度有关，同时也影响其迁移。配体密度太低会影响粘连强度，太高则阻碍迁移，影响细胞的增殖。,92,6、组织工程中的人工器官组织工程可以分为两个方面：在体外用分离的细胞建造人工组织在体内调整细胞的生长和功能。第一方面的应用是建造体外人工组织或器官（人工肝）。第二方面是在体内促进细胞的生长和修复，例如植入聚合物制成的导管促使损伤神经细胞生长并连接。,93,1）人工皮肤常规制皮的方法是，在培养血中用非转化的动物或人体的细胞制成二维薄层，但这些单层细胞不具有三维立体的组织性能，因此无分化功能。,94,组织工程技术则是在体外制备三维的具有生命活性的基质细胞，三维支架可使细胞像在体内一样生长和组装。人体皮肤细胞在体内生长是借助结缔组织形成的三维基质作为骨架，骨架含有各种生长因子供组织细胞分化和构建。,95,具体来说，组织工程技术模拟了这一过程；将人体成纤维细胞种植到尼龙网上，铺在薄的硅橡胶膜上，尼龙网起三维支架的作用，硅橡胶膜保持供给营养液；随着细胞的生长释放出蛋白和生长因子，最后长成三维的皮组织。,96,人工肝支持装置是利用组织工程原理设计构建的一种能够代替人体肝脏功能的体外装置。早期人工肝研究主要通过化学、物理或生化机制移除因肝功能不全而积累在病人血液中的毒性物质，以达到分离、结合或转化毒素的目的。透析及血液灌流（吸附剂）是从肝衰病人血液中排除毒素最主要的方法。,2）人工肝支持装置,97,近年来随着细胞生物学、组织工程学以及生物材料学的发展，由被动单一地清除血中毒物发展到全面代替人体肝功能。这就是目前各国热衷研究的组织工程人工肝的支持装置。,98,组织工程人工肝的核心部分是细胞反应器。它的主要功能是在一个较小的体积内保持大量肝细胞的活性和生理功能。人们普遍认为一个理想的人工肝应具有正常肝脏10%的解毒功能与合成蛋白的功能，这是能够满足人体生理需要的最低要求。能够完成这一要求的细胞数约为1010数量级。这个指标通常是评价反应器能否用于临床试验的客标观标准。,99,图4-3微囊化肝细胞示意图,100,3）人工血液由于医疗中血液的需求的来源困难，因此急救输血受到了限制。此外，输血易感染肝炎、艾滋病等，使输血疗法面临重大威胁。,101,人工血液的优点：不存在免疫反应、感染疾病的问题，贮存时间长、产量大。,102,早期的血液代用品以氟碳化合物为主，并实现了临床应用。但是氟碳化合物在体内的代谢对人体有毒副作用。随后发展起来的以血红蛋白（Hb）为基础的人工血液具有广阔前景。,103,直接使用天然血红蛋白，肾脏会产生严重毒性这是因为在提取过程中，血红蛋白由原来的四聚合（由四个亚基组成）裂解为二聚体，分子量减小，输入后在体内保留时间短，很快被肾排出。而且Hb在提取过程中失去2，3DPG，P50大大低于血红细胞，所以必须对天然Hb进行修饰，即将天然血红蛋白交联成聚合体，才能成为血液代用品。,104,4）人工神经组织工程近年的研究表明，神经细胞不能分裂但可以修复。受损神经的两个断端能借助管状导管（通常称神经导管）的引导、促进和导向，使神经细胞生长和修复。早期的神经导管是用硅橡胶制成的。,105,A、微环境对神经的修复再生十分重要。具有一定通透性的导管（如聚丙烯腈-氯乙烯聚合物导管）可使新生神经的形态比无通透性的导管更规整。通透性分子量截留在5万道尔顿效果最佳。这可能是因为净化的微环境对细胞生长更为有利。,106,B、营养或生长因子对神经的修复和细胞的生长起着重要作用。在导管中，由于释放生长因子，能使较长的神经断头（15mm）间隙慢慢吻合起来。而无释放因子存在时，神经断头一般为10mm神经营养因子可从缓释材料中获得。,107,研究发现，许旺细胞种植在导管中分泌出多种营养物质，而且还可分泌细胞粘连分子，促进