生物新材料在組織工程中的研究及利用

組織工程是指應用生命科學與工程的原理和方法，構建一個生物裝置，來維護、增進人體細胞和組織的生長，以恢復受損組織或器官的功能。它的主要任務是實現受損組織或器官的修復和再建，延長壽命和提高健康水乎。其方法是，將特定組織細胞“種植”于一種生物相容性良好、可被人體逐步降解吸收的生物材料（組織工程材料）上，形成細胞－生物材料復合物；生物材料為細胞的增長繁殖提供三維空間和營養代謝環境；隨著材料的降解和細胞的繁殖，形成新的具有與自身功能和形態相應的組織或器官；這種具有生命力的活體組織或器官能對病損組織或器宮進行結構、形態和功能的重建，并達到永久替代。近10年來，組織工程學發展成為集生物工程、細胞生物學、分子生物學、生物材料、生物技術、生物化學、生物力學以及臨床醫學于一體的一門交叉學科。

生物材料在組織工程中占據非常重要的地位，同時組織工程也為生物材料提出問題和指明發展方向。由于傳統的人工器官（如人工腎、肝）不具備生物功能（代謝、合成），只能作為輔助治療裝置使用，研究具有生物功能的組織工程人工器官已在全世界引起廣泛重視。構建組織工程人工器官需要三個要素，即“種子”細胞、支架材料、細胞生長因子。最近，由于干細胞具有分化能力強的特點，將其用作“種子”細胞進行構建人工器官成為熱點。組織工程學已經在人工皮膚、人工軟骨、人工神經、人工肝等方面取得了一些突破性成果，展現出美好的應用前景。

專家預計，新型組織工程的開發具有廣闊的市場前景。目前，發達國家都投入巨資開展組織工程產品的研發。我國“十五”、“十一五”規劃也將組織工程列入重點發展的領域之一，是“973”、“863”計劃等資助的重要方向。福建是海洋大省，貝殼類海產品極為豐富，支架材料的來源非常廣泛，且成本比現有的合成材料低三分之二，發展這一項目具有得天獨厚的條件。

替代輸尿管缺損的組織工程學材料

簡介：隨著組織工程學技術的發展，組織工程學材料之一--ECM作為修復缺損區的材料得到了廣泛應用。該材料具備二個特點:(1)作為異體組織材料，在經特殊脫細胞處理后，已無含細胞抗原的細胞成分，僅保留了由膠原蛋白，蛋白多糖，糖蛋白等低抗原物質構成的ECM。ECM的種屬差異小，抗原性弱，移植后不易產生排斥反應。(2)該材料可為細胞提供生存的三維空間，有利于細胞獲得足夠的營養物質，進行氣體交換并排除廢物。將輸尿管ECM移植于缺損區后，保持輸尿管完整性，保證尿液流通的作用，同時還可作為自體輸尿管細胞生長框架，誘導自體細胞長入其內。因輸尿管有極強的再生能力，移植后自體輸尿管將形成新的具有原來功能和形態的輸尿管，達到修復和重建的目的。

意義：為尋求理想的輸尿管替代材料，該項目應用組織工程學材料--同種異體脫細胞輸尿管細胞外基質作為輸尿管替代材料，并在動物實驗取得滿意結果的基礎上，成功應用于臨床。

項目負責：北京積水醫院泌尿外科；申鵬飛

湖南醫科大學湘雅醫院泌尿外科；胡杰

杰雅萊福生物技術公司技術部。

組織工程角膜生物材料載體制備

簡介：成年York豬角膜基質材料，以Triton聯合0.25%胰酶，處理30 min～3 h為材料1；Triton聯合DNA、RNA酶，處理8～14 h為材料2；Triton聯合0.25%胰酶、DNA-RNA酶，處理3～5 h為材料3。3種材料用無水氯化鈣脫水干燥保存。在材料上接種兔角膜基質成纖維細胞，觀察細胞生長情況。

結果：材料1、2細胞脫出不完全，處理最佳時間分別是2h和10～12h，角膜基質網狀間隙無明顯增大；接種兔角膜基質成纖維細胞后，3～4d細胞死亡；植入兔角膜基質中有明顯的免疫排斥反應。材料3脫出細胞完全，其脫細胞處理的最佳時間為4 h，角膜基質纖維結構無破壞，呈三維網狀結構，網狀間隙明顯增大；接種兔角膜基質成纖維細胞后，細胞在材料上貼附生長良好；將其植入兔角膜基質中無炎性及排斥反應，可逐漸降解吸收，有良好的生物相容性。

意義：比較用不同的方法脫細胞處理異種（豬）角膜基質制備組織工程角膜支架材料，并對其生物相容性進行研究。試驗證明：Triton聯合0.25%胰酶、DNA、RNA酶法處理的異種（豬）角膜基質具有良好的生物相容性，可作為一種組織工程角膜的支架材料。

項目單位：武警陜西總隊醫院

第四軍醫大學口腔醫學院組織病理學教研室組織工程實驗中心

第四軍醫大學西京醫院。

應用于心肌組織工程的支架材料

簡介：本發明屬于組織工程領域，具體涉及一種應用于心肌組織工程的支架材料的制造方法。該支架在組成上盡量模擬心肌細胞的細胞外基質成分。它的原始形態為一種液態水凝膠，主要由液態膠原(I型和III型等)、彈性蛋白、層粘連蛋白、雞胚抽提物、2×DMEM和胎牛血清等組成。將這些成分按適當的比例混合即可形成類似于天然心肌組成的支架材料，與心肌細胞混合后可鑄成各種形狀心肌細胞-支架材料構建物。用這種支架材料可構建出一致跳動的組織工程化心肌組織。

意義：一種應用于心肌組織工程的支架材料的制造方法。根據天然心肌細胞外基質的主要組成分按適當的比例和步驟混合而成，具有促進心肌細胞生長和跳動的生物學特性和力學性能。

項目負責：中國人民解放軍軍事醫學科學院基礎醫學研究所。

可降解聚合物用作骨組織工程細胞外基質材料

簡介：現有的骨替代材料用作骨組織工程細胞外基質材料都或多或少的存在一些缺點。人工合成可降解聚合物材料由于其組成成分、分子量、表面微結構、大體形態、機械性能、降解時間等都能預先設計和調控，最后基本降解完全，避免了長期異物反應的危險，但是相比天然生物材料，人工合成材料最大的缺點是缺乏細胞識別信號，不利于細胞特異性粘附及特異基因的激活。為了增強材料對成骨細胞的粘附力，采取吸附或溶劑鏈接的方法，將纖維連接蛋白(fibronectin，FN)、膠原或某些促細胞粘附氨基酸短肽如精氨酸-甘氨酸一天冬氨酸(Arg-Gly-Asp，RGD)短肽和天冬氨酸-甘氨酸-谷氨酸-丙氨酸(Asp-Gly-Glu-Ala，DGEA)短肽引入基質材料的表面或整體，必將促進細胞粘附，增強生長代謝。

意義：該項目進一步相信隨著材料科學及其制作加工工藝的不斷發展，以及對材料-細胞相互作用研究的不斷深入，以合成可降解聚合物為主要成分的有利于成骨細胞粘附和分化的新型基質材料在骨組織工程研究領域必將展現喜人的應用前景。

骨組織工程多孔支架材料

簡介：本項目研究包括鈣磷生物陶瓷粉末的合成，可降解聚合物聚乳酸的合成，以及生物陶瓷、聚乳酸及天然聚合物材料多孔體的制備，應用多孔支架對兔脛骨骨缺損進行修復的研究。

1） 對鈣磷生物陶瓷粉末的合成工藝過程進行了改進，應用Ca(OH)2與H3PO4中和反應，成功制備了β-TCP和HA粉末，具有工藝簡單、合成量大的優點。

2）以Al、Mg酸式磷酸鹽為粘結劑，鈣磷陶瓷粉體為原料，采用有機泡沫浸漬工藝制備了骨組織工程多孔支架。通過對原料和成形過程的控制，可以改變支架中磷酸鹽組成，調控支架的降解速度。

3）以冰微粒為致孔劑，開發了制備塊狀聚合物多孔支架的冷凍干燥—粒子濾出復合方法，用此方法制備的聚乳酸塊狀多孔支架無致孔劑殘留，可解決目前國際上大孔、塊狀聚合物多孔支架成形的工藝難題。

4）將種子細胞種植于多孔支架上進行培養，構成種子細胞—支架復合體，研究了支架的細胞相容性。并制備了動物骨缺損模型，將種子細胞—支架復合體植入，修復骨缺損，初步結果滿意。

5）掌握了納米抗菌材料粒子單分散工藝，在天然聚合物多孔膜片上復合納米抗菌材料，制備了多孔生物材料復合膜片，可作為新型密閉性傷口敷料用于傷口治療。

意義：合成的生物陶瓷和聚乳酸材料在生物材料領域具有廣泛的用途，研制的多孔體可應用于骨、軟骨組織工程及用作藥物緩釋載體。

項目單位：東南大學。

骨髓間充質干細胞生物特性及其構造組織工程軟骨

簡介：軟骨構建及軟骨缺損的修復組織工程學是20世紀80年代末發展起來的一門新興邊緣學科。MSCs在適宜的體內或體外環境下，不僅可分化為間充質組織，還可以保持內外胚層的組織發育分化潛能，可以分化成神經系統、肝、肺、上皮組織等。干細胞中的MSCs固有的優勢和特性將在軟骨組織修復中成為首選種子細胞， 可通過取自體且體外擴增的MSC回植自體內修復重建軟骨組織缺損。多項實驗表明在地塞米松的作用下，MSCs可以向骨、軟骨、脂肪甚至肌細胞等方向分化。在體外培養的骨膜細胞中加入TGF-β1后，可誘導其分化為軟骨細胞。TGF-β1在MSCs定向分化為軟骨細胞的過程中起到了非常關鍵的作用。TGF-β1能誘導MSCs轉化為軟骨細胞，同時對軟骨細胞的分化和功能具有雙向調節作用，促進未分化或分化早期軟骨細胞DNA 合成、增殖、分化及細胞外基質的合成，抑制成熟軟骨細胞的增殖和分化。TGF-β1在MSCs生成軟骨誘導分化中發揮重要作用，其作用機制目前尚不清楚。

意義：作為細胞移植的細胞源，MSCs具有獨特的優越性：①骨髓組織取材容易，可以通過穿刺獲得。②骨髓干細胞分離擴增方法簡單，成人的MSCs仍保持了多方向分化的潛能。③可以用于自體移植，避免的排斥反應和疾病傳播。④人骨髓干細胞移植的方法已經經過臨床驗證。隨著MSCs及其在軟骨組織工程中研究的不斷深入，相信組織工程軟骨將成為軟骨缺損修復的最有效方法。

項目負責：河北省唐山市華北煤炭醫學院附屬醫院；

軟骨組織工程用生物降解型可注射的改性水凝膠支架

簡介：將水溶性氧化、還原引發體系、去離子水、二種生物相容性聚合物的單體按重量比相混合配制成均勻溶液，在恒溫水浴中反應，則可得到可用于軟骨組織工程的可注射性水凝膠。1.一種軟骨組織工程用生物降解型可注射的改性水凝膠支架，其特征在于：將水溶性氧化還原引發體系、去離子水、二種生物相容性聚合物的單體按重量比相混合；其氧化劑∶還原劑∶去離子水∶聚合物單體1∶聚合物單體2為1～120mg∶ 1～70mg∶1～30g∶1g∶0.1～30g配制成均勻溶液，在20℃-50℃恒溫水浴中反應1min-60min，則可得到未混懸軟骨細胞的凝膠。

意義：提供了具有凝膠速度快、凝膠溫度恒定、成形后凝膠強度大、保水能力極強、降解速度快又具有良好生物相容性的可用于軟骨組織工程的可注射性水凝膠支架。應用前景非常廣闊。

項目負責：清華大學。