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专题六组织工程材料与人工器官---软组织修复与重建组织工程是指用生命科学与工程的原理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。传统材料如金属、陶瓷、高分子，植入体内存在着磨损、性能下降、安全性等问题；即使是暂时性植入材料，也存在着力学性能匹配、生物相容性、代谢途径等问题。组织工程学的出现，为人们寻找更为理想的体内植入材料开辟了一条新的途径。器官移植会产生排斥作用，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。组织工程给组织器官的替代修复带来了新的曙光。一、组织工程的基本原理和方法组织工程三要素：种子细胞、支架材料、生长信息分子支架材料：支架为细胞提供一个生存的三维空间，利于细胞获得营养物质，排除废物，支架应为一种有良好生物相容性，可被人体逐步降解吸收的生物材料。方法简介：提取组织细胞---体外培养---吸附扩增于三维支架材料上---细胞在预先设计的三维支架上生长---细胞/支架复合体植入病损部位---支架材料逐步降解吸收的同时，种植的细胞继续增殖并分泌基质，形成新的组织器官---新生组织器官成熟后，支架降解排出体外。这种具有生命力的活体组织能对病损组织进行重建并永久替代。二、组织工程材料—软组织修复与重建1、组织工程材料应具备的条件(1)材料能够促进组织的生长，使细胞之间能够沟通，并最大限度地获取营养物、生长因子和活性药物分子；(2)在某些场合能防止细胞激活(如外科手术、防粘连的场合)；(3)指导和控制组织的反应(促进某一组织反应，抑制其他反应)(4)促进细胞粘附及激活细胞(皮肤修复中成纤维细胞的粘附和增殖)(5)抑制细胞的粘附和激活细胞(防止血小板粘附在血管上)：(6)防止某一生物反应的攻布(在器官移植中，阻止抗体攻击同种或异种细胞)。(7)易于加工成三维多孔支架：(8)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；(9)低毒、无毒、可消毒；(10)能够释放药物或活性物质如生长激素等。组织工程材料按件质和应用大致分为生物降解材料、组织引导材料、组织诱导材料和组织隔离材料。下面分别介绍一些近年研究的组织工程材料。2、生物降解材料：生物降解材料通常分为天然生物降解材料与合成生物降解材料。天然生物降解材料：与细胞的相容性比较好1)Ⅰ型胶原胶原是哺乳动物体内结缔组织的主要成分，共有14种，I型最丰富，且性质优良，因此被广泛用作生物医用材料。胶原的结构、性能和制备已有详细研究。最基本的胶原结构由3股螺旋多肽链结构组成。直径为1～1.5nm，长约3000nm，每条肽链都具有左手螺旋二级结构。胶原分子的两端存在两个小的短链肽，称为端肽，不参与三股螺旋绳状结构。端肽是免疫原性识别点，可通过酶解将其除去。除去端肽的胶原称为不全胶原，可用作生物医学材料。胶原在应用时必须交联，以控制其物理性质和生物可吸收性。戊二醛和环氧化合物是常用的交联剂。残留的戊二醛会引起生理毒性反应，因此必须注意使交联反应完全。胶原交联以后，酶降解速度显著下降。在细胞培养中，多数细胞是粘壁依赖性的，欲使细胞生长、分化、生殖和进行代谢，需要有一个结合位点。胶原分子能提供这样的结合点。例如，成纤维细胞在胶原上生长时，代谢和形态与其在体内生长极为相似，因此胶原分子可以作为组织修复的支架材料。此外，胶原基质能促进新组织的生长。Yannas等人用胶原-硫酸软骨素多孔交联的支架成功地制得人工皮肤。这种人工皮肤能治疗严重烧伤的病人。明胶是经高温加热变性的胶原，通常由动物的骨骼或皮肤经过蒸煮、过滤、蒸发干燥后获得。明胶在冷水中溶胀而不溶解，但可溶于热水中形成粘稠溶液，冷却后冻成凝胶状态。纯化的医用级明胶比胶原成本低，在机械强度要求较低时可以替代胶原用于生物医学领域。明胶可以制成多种医用制品，如膜、管。明胶溶于热水，在60～80℃水浴中制备浓度为5％～20％的溶液，如果要得到25％～35％的浓溶液，则需要加热至90～100℃。为了使制品具有适当的机械性能，可加入甘油或山梨糖醇作为增塑剂。用戊二醛和环氧化合物作交联剂可以延长降解吸收时间。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，一般包括一个醛酸部分(己糖醛酸)和一个胺基糖部分(N-乙酰氨基己糖)。这类化合物有硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素、硫酸角质素和透明质酸，后者是氨基葡聚糖的主要成分。和胶原相似，透明质酸容易进行化学修饰，使羧基变成酯基，降低亲水性，增加粘度。透明质酸无免疫原性，不产生炎症或免疫排斥反应，因此成为令人感兴趣的生物材料，主要缺点是强度和稳定性较差。目前，对透明质酸和氨基葡聚糖中其他—些组分作为组织修复的基本原料尚有争论(认为修复作用不大)，但透明质酸易分离和修饰并能制成效硬的骨架，在医疗装置上已获得应用。3)壳聚糖壳聚糖是生物合成的多糖。每年海洋产甲壳达10亿吨，是价格低的物质。取向的壳聚糖纤维具有很强的湿拉力(120MPa)。与透明质酸一样，它不具有免疫原性，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。用它制成的凝胶、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。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。其代表结构如下：它是由微生物制成的，随生长条件不同，分子量可由一万到十几万。ici公司采用菌种糖液发酵成功地制备了聚羟基丁酸，并巳进行生产。羟基丁酸均聚物具有高度结晶性，特别脆，并且是憎水的。它的降解速度以年计算。为改进聚羟基丁酸性质，使之与30％的羟基戊酸共聚，降低产品结晶度，因此结构变得柔顺、易于加工。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。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，合成一些有类似弹性蛋白结构的聚合物。其共聚物己用于肌骨骼修复。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。3、合成生物降解材料天然降解材料虽然具有某些优良性能，但存在一些不足，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。关于合成降解材料的结构和性能自查资料或另行介绍，本节只从应用角度介绍。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(也称聚乳酸丙交酯，聚丙交酯)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。聚羟基乙酸结晶度高、熔点高、溶解度低，是第—个全合成、可降解的缝合线。由于它的亲水性，植入的纤维在2---4周即失去力学强度。为使聚合物具有更好的性质，人们制得了羟基乙酸与乳酸(也称丙交酯)的共聚物。由于共聚体结晶性下降，产物更易降解。一般应用L型聚合物，因为水解产物是自然界中存在的L型乳酸。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。关于矫形装置的应用存在一些争论，因植入体后期会引起无菌性炎症反应，这可能与酸性降解产物有关。为了解决这—问题，需寻找比上述聚合物降解更慢而又不释放酸性产物的材料。用不同比例的羟基乙酸与乳酸进行共聚，可调节聚合物的降解速度(从几个星期到数年)。近年来将细胞植入该共聚物的多孔支架，已应用于骨组织的修复。2)聚ε-己内酯聚ε-己内酯是一种脂肪酸酯，与聚羟基乙酸或聚乳酸相比，它的水解或降解速度要低，因此适合做长期植入装置。它的特点是熔点低，只有57℃。聚ε-己内酯无毒，是生物相容性材料，它具有良好的药物通透性，常用于药物释放载体。3)聚原酸酯和聚酐聚原酸酯是一族合成降解物，可以水解，用它制成的装置可通过“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。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。利用微囊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。（杂交瘤抗体技术的基本原理是通过融合两种细胞而同时保持两者的主要特征。）5)聚氨基酸蛋白质是由氯基酸组成的，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。但制备聚氨基酸的原料较昂贵，生产时不易操作，使实际应用受到限制。聚氨基酸为肽键连接，与蛋白质类似，具有一定免疫原性，只有少数聚谷氨酸衍生物才能作为植入材料。为解决这一问题，曾制备了—系列“假”聚氨基酸。所谓“假”聚氨基酸，是避免氦基酸之间的肽键连接，而改用酯键或脲键将氨基酸连接，这样形成的聚合物性能有较大改进。4、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。皮肤的修复有时伴随生成大量的疤痕细胞，有时还会产生组织收缩。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。Yannas用以胶原为主的生物高分子制作人工支架，成功地应用于皮肤和神经的修复。他主要研究了胶原和蛋白多糖的接枝共聚物，采用物理和化学的方法控制材料的多孔性及用戊二醛来调控支架的稳定性和吸收性能，并成功地在材料内部制造了线形孔道。这对神经切除的修复十分重要，使被切除10mm以上的神经可以再生。5、组织诱导材料很多细胞和组织的应答反应在体外很难重现，但是生物活性的生物医用材料可以对这些反应起诱导作用，方法是在材料表面连接活性配体，让材料释放生物活性信息分子；或者将细胞贴附在材料表面，并释放生物信息来达到目的。让蛋白质吸附在材料表面，或者把三肽分子固定到材料表面上时，就可以诱导细胞粘附于材料表面。细胞悬浮状态易于死亡，但利用材料的诱导作用将细胞吸附于材料表面，就可以使细胞存活并表现出解毒和合成功能。在对肝细胞进行培养时，由于它的迅速脱分化作用，因而失去肝细胞的某些功能。利用生物材料的诱导作用，可以恢复或延缓肝细胞功能。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。利用生物材料释放活性因子或与细胞结合，可以诱导细胞的聚集和应答反应。例如成纤维细胞生长因子的缓慢控释可诱导支架构料内部的血管化以促进细胞移植。同理，从羟基乙酸和羟基丙酸共聚物中释放骨形态蛋白可诱导骨的生长和促进骨的修复，将上述原理进一步延伸，例如将细胞植入半透管中中诱导神经修复比不用该细胞效果要好得多。6、组织隔离材料组织隔离材料是组织工程材料的另一重要方而。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，就可以顺利地解决这一难题。例如将植入的细胞(如肝细胞)用一个很薄的聚合物半透膜包封起来制成微囊。一方面，半透膜将囊内细胞与外界隔离开，避免了免疫排斥作用；另一方面由于膜的通透性允许小分子营养物或产物自由穿透半透膜。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。具有上述性能的微囊膜材料由海藻酸钙与聚赖氨酸组成。利用这一微囊技术，sun等人将胰岛细胞进行包埋，植入糖尿病动物体内，成功地使血糖恢复到正常，从而为治疗糖尿病开辟了一个新途径，目前已进入临床前的研究。根据上述同一原理，可利用中空纤维作为隔离膜包埋肝细胞，挽救肝衰病人的生命。同样用牛嗜铬细胞可以抑制晚期癌症难以控制的疼痛。隔离膜对解决免疫排斥反应是非常有效的，但存在一些不足。如膜强度需进一步提高、对截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。三、组织工程支架的研究与制备方法组织工程制成的器官常常需要制备一个临时的多孔支架。支架的功能是指导种植的细胞或者迁移到支架周围