組織工程支架材料研究進展

王海江 陳啟富

[摘要] 細胞支架材料作為組織工程組織再生的框架，其特性直接影響細胞的粘附、生長和代謝功能，因此它是組織工程的關鍵要素之一。目前應用于組織工程的支架材料可分三大類：人工合成高分子可降解聚合物，天然材料提取物和細胞外基質，結合近年來的相關文獻，對組織工程支架材料研究進展進行總結。

[關鍵詞] 支架材料；組織工程；細胞外基質

[中圖分類號] R318.08 [文獻標識碼] B[文章編號] 1673-9701（2012）01-027-03

Research progress of scaffold material in tissue engineering

WANG Haijiang CHEN Qifu

Department of Chest Surgery, Affiliated Hospotel of Guangdong Medical College, the Third People's Hospital of Shenzhen City. Shenzhen 518112, China

[Abstract] Cell scaffold material is the framework of regeneration in tissue engineering. The property of cell scaffold material is the direct effect on the adhesion, proliferation and metabolism functions. Therefore, cell scaffold material is one of the critical factors in tissue engineering. Currently, the scaffold material of tissue engineering is categorized as the synthesized absorbable macromolecule polymer, natural material extracts and extracellular matrix. Based on the pertinent iterature in recent years, the research progress of scaffold material in tissue engineering was summarized in this paper.

[Key words] Scaffold material; Tissue engineering; Extracellular matrix

組織工程研究已有近30年的時間，在20世紀80年代Yannas IV等[1]采用可降解膠原多孔材料作為模板進行皮膚再生的研究。Wolter與Meyer于1984年報道在聚甲基丙烯酸甲醋（PMMA）表面構建內皮細胞層用于眼科治療，并首次應用“組織工程”這個詞來描述其實驗。其中細胞支架材料是組織再生的框架，其功能影響細胞的代謝、生長和粘附等，是組織工程研究的重要課題之一。

用于組織工程的支架材料應符合以下條件：①材料本身有生物活性，能夠促進細胞增殖分化，可以誘導組織細胞再生；②材料可以降解，材料降解速度與細胞的生長相匹配；③無抗原作用；④組織生物相容性好；⑤有一定空隙率；⑥有一定力學強度，可塑形。根據來源不同，應用于組織工程的支架材料可分三大類：人工合成高分子可降解聚合物，天然材料提取物和細胞外基質（extracellular matrix, ECM）。現將細胞支架研究進展綜述如下

1 人工合成聚合物

人工合成聚合物的組織工程支架材料有聚乳酸、聚羥基乙酸和兩者的共聚物聚乳酸-聚羥基乙酸共聚物（PLGA）[2]。聚乳酸降解速度慢，可達2年，聚羥基乙酸降解速度較快，約4～8周，可根據聚乳酸、聚羥基乙酸構成比例控制支架的降解速度制成PLGA，實驗研究PLGA組織相容性好，在體內可以降解為CO2和H2O，機械性能、降解可控性、微結構等符合支架材料的要求，PLGA形成的孔隙率可達95%以上[3]，能夠按照設計要求大規模生產三維支架材料，廣泛應用于組織工程支架材料的研究。Eberli.D等[4]構建空腔組織工程復合支架，將尿道平滑肌細胞和上皮細胞種植到PGA聚合物一側，移植到小鼠皮下，1個月后發現支架上有這兩種細胞生長，形成像活體的膀胱組織結構。Woo等[5]用多孔靜電紡絲PLGA修復皮膚損傷，發現該材料能促進創傷愈合，無明顯不良反應。Ren 等[6]將家兔骨髓間充質干細胞與PLGA復合培養，修復家兔的下頜骨缺損，術后12周下頜骨缺損修復良好。

可降解聚合物優點是可標準化生產，可降解，組織兼容性好，其強度、結構和降解可調控。其缺點是價格昂貴，降解產物可誘發炎癥反應，無細胞因子，不利種子細胞的黏附。

2 天然材料提取物

天然材料提取物包括膠原、糖蛋白、蛋白多糖、殼聚糖、藻酸鹽等，它們是正常組織的細胞外高分子物質，對細胞的黏附具有優勢，但物理強度差,不易成形。

膠原是一種天然蛋白質，主要存在于動物的韌帶、骨骼、皮膚等組織中。膠原生物相容性好，可以完全降解，常常用于骨等組織工程支架材料[7,8]。Rocha 等[9]用含堿和堿土金屬的鹽溶液處理牛心包膜，制作海綿狀膠原基質支架材料，修復Wistar大鼠脛骨骨折，結果該種支架材料顯示很好的骨傳導性能和較低的免疫原性，但因其降解速率快和機械強度差等缺點, 不利于單獨用作骨細胞支架。

絲素蛋白（Silk fibroin，SF）是一種從蠶絲中提取出的天然高分子纖維蛋白材料，主要以β折疊鏈、α螺旋的構象形式存在，力學性能取決于β折疊及其沿纖維軸方向高度聚集態結構[10]，目前被廣泛應用于組織工程的研究。Charu 等[11]在實驗中發現SF有很好的機械性能，被加工修飾后可以改變表面特性、固定細胞生長因子，細胞可以在SF支架很好的生長。Rao 等[12]對混合有不同含量絲膠的SF 支架研究，發現SF支架孔隙率、機械特性與絲膠含量成正比，即絲膠蛋白越高，支架機械特性越強，孔隙率越高，并且細胞培養后支架細胞粘附良好，降解率低，不良反應是有輕微炎癥。SF支架具有很好的細胞粘附性、生物相容性和較好的機械性能，缺點是降解速率緩慢，且親水性差。

殼聚糖是一種天然有機高分子聚合物，它有獨特分子結構和良好的生物相容性，材料來源廣泛并且價格比較便宜，也容易塑形，是較為理想的細胞外基質材料，在生物醫學組織工程研究中應用多。Yamane 等[13]的實驗證實軟骨細胞在殼聚糖／透明質酸混合支架材料上能夠粘附生長并維持其正常形態，并且見Ⅱ型膠原的表達。Ragetly 等[14]實驗中發現在結合Ⅱ型膠原的殼聚糖支架上細胞容易粘附，而在乙酰化的殼聚糖支架上細胞粘附率低，認為殼聚糖經脫乙酰化處理后才能用于組織工程，

3 細胞外基質移植物（extracellular matrix graft, ECMG）

細胞外基質(extracellular matrix, ECM)是一種天然生物材料，經過脫細胞處理生物體原型組織后，保留了抗原性較低的蛋白多糖、膠原蛋白、糖蛋白等外，還含有多種調節細胞的生物因子和細胞因子，這些活性因子有利于細胞在材料上的粘附、生長和增殖[15]。其中生長因子是一種水溶性蛋白質，有利于組織再生和細胞的誘導分化，能夠誘導和刺激細胞的增殖分化、維持細胞存活等生物效應。生長因子種類較多，堿性成纖維細胞生長因子、轉化生長因子p、胰島素樣生長因子、血管內皮生長因子和表皮生長因子等是組織工程研究中相當活躍的生長因子。Akihiro等[16]，發現膀胱細胞外基質中含有FGF、TGF-p和VEGF等多種生長因子，這些生長因子都有利于促進組織修復和重構過程。對于SIS研究發現支架中包含有糖蛋白、纖維連接素、核心蛋白多糖等成分，作為生長因子的活性調節劑，在組織重建中起到重要的調節作用。于SIS中的生長因子主要包括酸性 aFGF、VECF、bFGF、和TGFp，這些生長因子以激活或潛伏狀態存在[17]。

與前述兩類材料相比，ECM具有種屬差異小,抗原性弱,不易引發宿主產生免疫排斥反應,良好的生物相容性和較好的生物降解性等優點[18]，作為組織工程支架材料具有廣闊的應用前景。Rotariu等[19]用豬SIS修復兔2.5cm長尿道缺損，尿道層完全再生，與天然尿道幾乎無區別。Siever 等[20]用同種異體UECM修復兔尿道缺損，術后可見尿路上皮細胞長入基質，基質管腔可以被上皮細胞覆蓋，并且在基質中看見平滑肌細胞，6~8個月時基質支架的三分之一有平滑肌細胞束覆蓋，尿道動力學和尿道造影證實達到尿道重建修復功能。孫新君等[21]用異種的脫細胞骨基質( Acellularbone extracellular matrix，ABECM)ABECM 在動物體內實驗，組織周圍可見軟骨生成、纖維細胞生長以及有新生血管。對照組用酒精浸泡后移植到動物體內，發現骨小梁間有大量炎性細胞浸潤，無軟骨生成，排斥反應明顯，而ABECM 組外周血T 淋巴細胞無表明改變，實驗表明ABECM對受體細胞免疫影響不大。Badylak 等[22]將來自豬小腸黏膜下層（SIS）或膀胱黏膜去除上皮細胞和肌層，制成天然支架，用于犬的食管修復，發現食管的黏膜上皮在35天左右覆蓋整個供體，50天后新生血管和肌束形成，2個月內支架材料被吸收，補片供體未出現狹窄，但管狀供體出現狹窄，管徑縮小約50%。黃桂林等[23]用家兔、SD大鼠的氣管細胞外基質植入SD 大鼠面頰部，發現術后3個月氣管細胞外基質支架與周圍組織相容較好，無明顯炎性反應和氣管腔塌陷。

細胞外基質（extracellular matrix，ECM）具有下述優點：① 良好的生物相容性、適當的生物可降解性；② 支架能維持細胞形態和表型，有一定機械強度；③ 免疫原性低、細胞的親和性好；④ 含有多種細胞因子，促進細胞粘附與增殖，誘導組織再生。但是由于目前脫細胞技術的限制，細胞外基質研究還要進一步的深入才能更好的應用于組織工程實驗與臨床研究。

4 支架材料的表面修飾和性狀改善

由于大多數支架材料在促進組織重建中存在一些缺陷，也限制了組織工程支架材料的應用，例如人工合成材料親水性差，細胞不易于吸附，天然支架材料降解過快，不易于塑形等，為了解決上述問題可以對細胞支架的性狀進行改善及表面的修飾等。Baman 等[24]為了使細胞與支架更易于黏附，在聚乳酸生物支架材料中用三氟乙醇建立通道。Park等[25]用過氧等離子及親水性聚丙烯酸處理PLGA后，發現其親水性及細胞增殖能力明顯提高。Wang 等[26]用超聲瞬間腔化作用打通聚乳酸生物支架材料原有泡沫樣空間結構中多孔，改善了支架材料的組織相容性，促進了細胞與支架的黏附作用。Sato等[27]為了提高對成纖維生長因子22、轉化生長因子β1等細胞因子的結合力，在對端膠原多孔支架表面覆蓋肝素化的聚苯乙烯膜，然后在支架上種植軟骨細胞，結果很大程度提高了細胞分化增殖能力。

Jeong等[28]研究明膠/PLCL共聚納米纖維支架，細胞能很好的在支架上粘附增殖、生長，并具有一定的機械強度，與對照組相比細胞數量明顯增多。將VEGF包裹于PLGA/海藻酸鈉納米微粒中，體外持續釋放超過21天，與空白組及VEGF單次注射組對照，顯示體外人臍靜脈血管內皮細胞增殖優勢明顯，顯示納米微粒作為一種VEGF緩釋系統載體，在組織工程血管化中前景光明。大量的實驗證實通過對支架材料的表面修飾和性狀改善及可以解決其性能上的缺陷，更利于種子細胞在支架上的粘附、增殖與生長。

5 小結

目前應用于組織工程的支架材料有人工合成高分子可降解聚合物，天然材料提取物和細胞外基質三大類，由于支架的材料來源及制備方法不同，性能差別也比較大，至今還沒有找到一種材料能夠完全符合細胞生長的要求，因此探索制備更加接近體內細胞生存環境的支架材料是今后研究的方向。主要包括材料降解吸收率與組織器官的再生速率相一致，加強材料的表面修飾、生物活性因子及納米技術等促進細胞在支架上粘附、識別、誘導分化，通過對支架材料的表面改性來增強其對細胞的粘附能力及力學強度，并且加入各種活性因子調控細胞的生長，以獲得理想的組織工程支架材料。

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（收稿日期：2011-10-26）