脂肪組織工程支架材料的研究進展

王剛　劉毅

組織工程的核心是建立由種子細胞和生物材料支架構成的三維空間結構復合體，生物材料是組織工程發展的關鍵，隨著材料科學、化學和生物學的發展，各種適合細胞生長、繁殖和分化的天然和合成的可降解材料被用來制作組織工程支架。要成功構建工程化的脂肪組織，選擇適當的支架材料是必不可少的。支架材料為種子細胞提供貼服場所，而且決定最終構建的脂肪組織形狀，因此，支架材料的理化特性是需要考慮的非常重要的因素。本文就脂肪組織工程支架材料的研究進展做一綜述。

1 概述

脂肪組織工程旨在把獲得的種子細胞種植在三維結構支架材料上，在合適的微環境及細胞因子的作用下，發育為成熟的脂肪組織。支架材料作為人工細胞外基質，為種子細胞提供了適合其遷移、粘附、生長、繁殖的生物學空間，促進合成新的細胞外基質成分，支持新陳代謝 [1]。前脂肪細胞只有貼附于合適的支架上，才能進行分化、增殖。支架材料和人體組織直接接觸，所以對其生物學特性和理化性質有較高的要求。理想的用于脂肪組織工程的支架材料應具備的條件為：①足夠的機械強度和柔韌性；②良好的生物相容性；③生物活性和生物降解性；④具有適合的三維空間多孔結構；⑤能提供明確的生物學上的刺激因素，促進血管形成；⑥具有可加工性、可消毒性及抗凝血性；⑦來源充足，易于重復制作、加工成型。

2 支架材料來源

目前，用于構建脂肪組織工程的支架材料包括天然和人工合成材料。常用的天然高分子生物材料主要分為多糖類和蛋白質類兩大類，包括殼聚糖、藻朊酸鹽、膠原蛋白、絲素蛋白、透明質酸及其衍生物等，這類材料自身包含的生物信息能夠刺激細胞產生或維持各種功能，所含的一些天然結構有利于細胞的附著或保持分化，而且它們具有良好的生物相容性和化學多樣性，可以促進細胞間的相互作用，降解過程受細胞控制[2]。但這類材料在大規模生產過程中，會出現質量難以控制、性能變化與結構變化不成比例等，而且來源有限，價格較為昂貴，使其應用受到一定程度限制[3]。在臨床應用中，為了盡可能降低機體產生免疫反應的可能性，確保支架長期穩定，天然材料通常要在應用前進行一些預處理。人工合成材料包括PGA，PLA，PLGA，PEGDA（聚乙二醇二丙烯酸酯）等，機械性能良好，設計制造過程中能對材料的許多性能進行控制，易加工成不同的形狀，可以被制作成凝膠、海綿、纖維網織物和納米纖維[4]，被廣泛用作生物材料。

3構建組織工程脂肪支架材料

3.1 膠原蛋白：膠原蛋白是一種由三條肽鏈組成的纖維狀蛋白質，廣泛存在于細胞外基質和結締組織中，是目前組織工程研究中最常用的天然生物材料。膠原蛋白有著良好的機械性能及生物相容性，可被膠原蛋白酶和基質金屬酶生物降解[5]，免疫原性較低，細胞對其適應性強，可承載多種細胞，具有三維多孔結構，能釋放生物活性因子，可促進細胞增殖和分化，促進脂肪組織形成，可塑性良好，制備方便，是一種較理想的脂肪組織工程支架材料。膠原蛋白以I、Ⅱ、Ⅲ型最為多見，其中I型膠原由于性能優良且含量豐富，已被廣泛用于構建組織工程人工皮膚。I型膠原凝膠支架具有半固體、半液態的特點，能夠相對容易地實現細胞的均勻分布，而且能夠通過物理性捕獲效應將大量細胞限制于其中，同時解決了細胞與材料的復合問題及接種過程中細胞的丟失問題 [6]。Ⅰ型膠原海綿孔隙率較高，具有較大的空間和比表面積，可以為脂肪干細胞的生長和增殖提供更為廣闊的空間，孔徑較適合細胞粘附生長，對脂肪干細胞的吸附率較高。將人成纖維細胞接種在天然膠原蛋白材料上，發現細胞可以在膠原海綿支架周圍粘附、生長、增殖分化，隨著培養時間的延長細胞長入孔隙內，分泌細胞外基質，細胞連接成片，表明這種材料對細胞有粘附作用[7]。大量研究表明膠原海綿可以支持多種細胞來源的脂肪組織生成[8]，將人及兔脂肪干細胞在Ⅰ型膠原蛋白支架上進行體外培養，結果顯示脂肪干細胞在支架上粘附、生長和增殖良好，表明I型膠原蛋白支架材料具有良好的細胞相容性和親和力，有促進細胞粘附和誘導生長分化的作用。細胞-膠原蛋白復合物能形成有效的微環境網，提供豐富的血供，有利于新的脂肪組織的持續生成[9]。在體內，膠原蛋白能促進多數細胞生長、分化、增殖和代謝，支持粘附種植更多的細胞，積聚更大量的脂質。在膠原凝膠中添加短膠原纖維可以增強體內細胞的生存力和脂肪積聚。含有封裝了成纖維細胞生長因子-2（FGF-2）明膠微球的膠原凝膠被證明在體內可以促進血管化的脂肪組織發育[10]。

在應用中，膠原蛋白降解產物可被細胞利用合成新的基質，不影響內環境pH 值，而且可參與組織修復。另一方面，膠原蛋白降解速度過快——在體內4周后已完全降解，目前，解決這一問題的主要方法是通過干熱、戊二醛或紫外輻照等方法交聯，可以在調節降解速度的同時，提高其綜合使用性能。此外，膠原蛋白價格較高。膠原材料由于獨特的生物學特性，在燒傷、創傷、美容等領域研究中已取得了可喜成果，但作為組織工程載體材料的研究還處于起步階段。

3.2 絲素蛋白：絲素蛋白來源于天然蠶絲或蛛絲，是一種無生理活性的天然結構蛋白。結構上含有疏水區和親水區，疏水區為高度保守的重復序列，親水區由更復雜的序列構成[11]。絲素蛋白具有無可比擬的機械強度和柔韌性，力學性能較其他天然纖維更為優良；可被蛋白酶水解，降解速度緩慢，降解產物對周圍組織有營養和修復作用；生物相容性優于傳統的人工合成材料，可以支持細胞粘附、分化和組織形成[12]；免疫原性低，具有良好的透氣性和透濕性，還能耐受較大范圍的濕度和溫度變化。可廣泛應用于臨床。在組織工程中，絲素蛋白已經被廣泛應用于組織構建的支架材料。絲素蛋白三維多孔性支架材料能夠支持干細胞的粘附、增殖以及在體內的分化。體外培養發現接種于絲素蛋白支架上的前脂肪細胞貼壁良好，生長增殖活躍，兩周左右支架網眼充滿前脂肪細胞，掃描電鏡可見基質分泌。實驗表明絲素蛋白對前脂肪細胞具有良好的吸附作用，并能維持前脂肪細胞的正常形態和功能。絲素蛋白用做支架材料時，無需再加工。此外，蠶絲來源豐富，價格便宜，處理簡單，可以加工成多種形式的支架，并可通過遺傳工程對其進行針對性改造以調節降解周期。對于組織工程應用，絲素蛋白已經被證明是一種多用途的生物材料，在構建工程化的脂肪組織中，可以成為前脂肪細胞體外培養的良好天然支架。

3.3 透明質酸：透明質酸（Hyaluronic acid，HA）為大分子多糖，是細胞外基質的主要成分，并在多種生理活動中起重要作用，例如組織水化作用，營養物擴散和細胞分化等[13]。HA可以特異性地結合內源性受體，如CD44，RHAMM，ICAM-1，調節細胞遷移，生長和粘附，從而參與組織生長和改造。研究表明，人類前脂肪細胞可以成功地在HA基礎支架上接種和培養。此外，接種于這種支架上的人脂肪母細胞在體內能充分分化成熟為脂肪細胞。由于結構疏松，含水及多孔性因而特別適于細胞的遷移及增殖，防止細胞在遷移到位及增殖夠數之前過早地進行分化 [3]。然而，高度親水性導致了力學特性不佳，加之加工處理特性較差，嚴重制約了HA應用于組織工程學。為了規避這些缺陷，在保留HA生物活性的前提下，可以通過交聯或偶聯反應，對HA進行化學修飾，主要是針對部分葡醣醛酸的羧基的酯化修飾，從而可以獲得一系列的衍生物（HYAFF）。不同的酯化程度可能引起不同的疏水度，孔隙尺寸的不同可能導致細胞粘附的差異性。其中，HA苯甲基酯（HYAFF R 11）是一種近年來發展的半合成的可吸收材料，通過酯化修飾，增強了疏水性，延長了在機體內的存在時間，可以更好地抵抗透明質酸酶的作用。通過裸鼠模型業已證實，HYAFF R11海綿-人前脂肪細胞復合體在脂肪組織再生中非常有效，把人前脂肪細胞-HYAFF R 11復合體移植于裸鼠體內3周后，細胞密度高于膠原復合體[14]。HYAFF有良好的生物降解速度，作為一種聚多糖，抗原性非常弱。體內外實驗已經證實其對脂肪母細胞的增殖、分化有支持作用，且孔徑為400μm的HYAFF支架最合適脂肪母細胞增殖分化。由于它良好的可加工性和生物相容性，已經被廣泛用于生物醫學領域。HA衍生材料三維多孔支架在脂肪組織工程研究中具有廣闊的前景。

3.4 脂肪族聚酯材料：聚乳酸（PLA）、聚羥基乙酸（PGA）、聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）為人工合成的脂肪族聚酯材料，具有良好的組織相容性、生物降解性及組織可吸收性，表面活性良好，是常用的細胞支架材料，被廣泛應用于組織工程領域。PLA、PGA主要用于脂肪組織工程的三維網織物、支架和（或）移植物 [15]。細胞種植于PGA支架上，可以容易地積聚脂質。PLA在體內首先降解為乳酸，最終生成二氧化碳和水。PGA分子的結構特點與PLA類似，但降解較快，降解產物-羥基乙酸可以通過三羧酸循環或以尿液等形式排出體外。PGA通過熔融紡絲可以獲得高強度的PGA纖維，編織后可以得到用于組織工程的多孔支架。PGA纖維具有較高的強度和模量，但是較脆，可以通過與其他分子共聚的方法降低其脆性。目前主要將PGA 與PLA 聚合，或者用羥基乙酸和乳酸的單體共聚形成聚合物PLGA。有時也用膠原溶脹液進行包衣處理，以提高PLA 或PGA 作為支架時對細胞的粘附水平。LA和GA共聚后可以得到PLGA， LA和GA的比例不同，聚合物的降解速率不同。近年來發現PLGA多孔支架具有介導脂肪組織生成的能力。Patrick等[16]從SD或Lewis大鼠附睪脂肪墊中分離出前脂肪細胞，在PLGA支架上培養后，移植入大鼠背部，5周后可見分化的脂肪細胞。源于人和鼠的脂肪細胞，加入諸如bFGF等因子后種植在PLGA支架上，已經被證明可誘導血管形成。李春明等[17]將兔脂肪間充質干細胞接種在PLGA支架上，移植于兔背部肩胛骨兩側皮下，可見細胞逐漸擴展至支架孔隙中，隨著支架的降解，新的脂肪組織形成明顯，伴有少量的血管長入。前述體內外的研究表明PLGA支架能促進種子細胞的粘附、增殖和分化，可作為構建工程化脂肪組織的支架材料。PLA體內降解需要12周時間，PGA體內降解需要4周時間。可以通過改變其分子量、結晶度、乳酸和羥基乙酸的比例來控制其降解性，降解速度可以從幾周到幾年不等。降解后的酸性產物降低了局部的pH值，會影響組織和細胞的粘附和生長，或導致細胞中毒甚至死亡。而且此類材料太過脆硬，使得患者甚感不適，其來源主要靠進口，價格昂貴。目前僅有PLGA等少數幾種此類材料被SFDA、FDA批準上市。

4其他支架材料

近年來，可承載脂肪干細胞的注射凝膠在脂肪組織工程中的前景引起了人們的高度關注[13]。對于脂肪組織工程的實際應用來說，挑戰在于輸送必需的脂肪形成因子，如：胰島素、胰島素樣生長因子、地塞米松等來誘導脂肪形成，藻朊酸鹽已被用作可注射的細胞載體[5]，這類材料可以按期望的外形進行填充，在相關生長因子的作用下可以增殖，移植時不需開放式外科手術[18]。纖維結合素是一種有膠原結合結構域的細胞外基質蛋白，生物相容性良好，通過與整合素相互作用在細胞識別與細胞吸附中發揮效應，并且通過影響內皮細胞遷移增加血管形成，使脂肪生成增加。但還沒有被用來制作三維結構支架。其他已經被開發用于脂肪組織工程的人工合成材料，包括聚乙二醇（PEG）凝膠三維結構支架[19]、聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚丙烯組成的網織物[15]等也初顯應用前景。明膠海綿材料可生物降解，植入皮下后可被充分吸收，在脂肪組織工程中也展現出光明的前景。

5展望

近年來，由于納米技術的發展，納米材料也日益廣泛應用于組織工程。由于脂肪組織對缺血、缺氧極其敏感，而一些細胞因子，如：VEGF，HGF等對移植物血管形成和血管新生有重要的始動和促進作用，把細胞因子包被在材料里，隨著材料的降解，漸進式的釋放，可以促進移植物的存活。因此，設想可以在三維支架上復合已包被了生長因子的納米生物材料微珠。還可以對生物材料的表面進行化學修飾，支架材料亦可用細胞外基質成分進行包被，可以在多聚物支架表面摻入細胞粘附分子，使之更利于細胞粘附，增加其生物相容性。總之，臨床上脂肪移植的需求與日俱增，加之材料科學的飛躍發展，會有更多、性能更卓越的生物材料用于脂肪組織工程。

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[收稿日期]2012-05-15 [修回日期]2012-07-20

編輯/李陽利