高分子生物組織工程支架材料的研究進展

*王心怡

(常州市北郊高級中學 江蘇 213000)

高分子生物組織工程支架材料的研究進展

*王心怡

(常州市北郊高級中學 江蘇 213000)

生物降解性高分子材料作為生物組織工程支架材料為種子細胞的增殖和分化提供一個生長和代謝場所,是組織再生的框架.植入人體后可降解為無毒的小分子被人體代謝排出體外,避免二次手術,減少患者痛楚.這類高分子材料必須具有良好的生物相容性和可調的生物降解性,同時還具有一定的形狀維持性和力學性能.本文主要介紹了高分子組織工程支架材料的種類、制備方法及其應用,并展望了高分子組織工程材料在生物醫學領域的發展前景.

生物組織工程;高分子材料;支架材料

1.引言

在組織工程技術出現之前,臨床醫學上對皮膚燒傷或組織器官損壞的患者的治療存在極大的難度.傳統治療常常是通過對自身或其他個體進行皮膚或組織器官移植治療,這常常出現組織器官供體不足或出現免疫排斥而造成炎癥或腫瘤反應.而生物組織工程支架是組織再生的框架,將患者自身組織的種子細胞在支架材料上培養生長,組織再生.自身細胞培養的再生組織植入人體后,具有較低的炎癥反應,同時,再生組織的來源豐富.支架材料在植入人體后,在體液環境下可降解為無毒的小分子,被人體代謝排出體外.

人體細胞屬于貼壁生長細胞,在體外培養與支架材料直接接觸.此外.支架材料會隨著再生組織一起移植到人體內.因此生物組織工程支架不僅影響細胞的代謝、生長和粘附等.還需具備以下幾個特點:①良好的生物相容性;②可吸收性;③可加工成型性;④具較大的比表面積;⑤降解速率可調;⑥具有適宜的力學性能;⑦表面結構利于細胞的粘附和生長;⑧具有耐消毒滅菌性.

2.高分子生物組織工程支架材料的性質

與生物金屬材料、生物陶瓷材料和生物復合材料相比,生物醫用高分子材料的物理化學特性與人體組織更相近,這使得其成為近年來生物醫用材料領域的重要研究對象.

(1)高分子生物組織工程支架材料的生物相容性

70年代初,生物醫用材料的生物相容性問題就成為人們研究的關鍵性問題.當支架材料植入人體后,會產生各種生物化學反應,如:人體自身組織的生物學反應和支架材料的化學反應.同時,還要求支架材料必須對人體不具有毒性、致敏致癌性,也不具有其它的刺激性,也不對人體細胞組織、免疫系統和血液系統產生不良反應.目前,生物相容性是考量材料是否用作組織工程支架材料的首要因素.

通常,高分子支架進入機體產生的免疫排斥反應主要是由于:①支架材料在合成制備過程中殘留的毒性低分子化合物或具有毒性的小分子單體;②支架材料在滅菌過程中吸附了化學毒劑以及聚合物在高溫裂解為有毒小分子;③支架材料的物理形態以及材料表面的化學性質(如酸堿度等).

(2)高分子生物組織工程支架材料的表面改性

用作組織工程支架的高分子材料在組織工程中的應用存在一些缺陷,如人工合成高分子材料具有親水性差,細胞不易粘附;而天然高分子材料的降解速率快,不易調控,力學性能差,不易于組織器官的修復再生.因此,可對高分子支架材料表面進行改性,克服其所存在的缺陷.

聚合物支架材料表面的化學性質對細胞的貼附、擴散遷移有重要的影響.當支架材料的表面含有親水性基團時,有利于細胞的粘附和繁殖.通常在材料表面吸附蛋白質類物質,如膠原、短序列氨基酸、多糖、糖酯等改變支架材料表面的化學結構,就可促進細胞的粘附、繁殖和遷移.研究表明,對高分子支架材料的表面進行化學改性和微觀物理形態調整,則可以避免高分子不易于細胞粘附、遷移和增殖的缺陷.

(3)高分子生物組織工程支架材料的生物降解性

高分子支架為細胞的生長繁殖、生存代謝提供了一個三維網狀空間場所.支架材料隨同培養的組織再生器官植入人體內,其不僅需要具備良好的生物相容性以免產生炎癥等免

疫反應,而且在機體內能夠發生生物性降解,其降解產物無毒性,能夠被人體吸收或代謝排出.可吸收高分子骨架的降解周期應該取決于其應用組織的修復能力,特別取決于器官或組織再生所需要的時間.因此,生物可降解材料在組織工程的成功應用主要取決于材料的生物降解速度的可調控能力以及降解其產物是否具有毒性.

3.高分子生物組織工程支架材料的制備

(1)纖維粘結法

該方法是利用聚合物在有機溶劑中的溶解性的溶解或聚合物的熔融,將聚合物/有機劑的混合溶液傾注到聚乙交酯纖維網狀結構上,對聚合物有機溶劑加熱處理后,得到聚乙交酯纖維增強的三維網狀支架.該方法制備的支架的強度和比表面積都較高,但存在孔隙率不易控制的缺點.

(2)溶劑澆鑄法

該方法是將粒徑較小的無機鹽分散到聚合物的有機溶劑中,無機鹽不溶于溶劑.然后將聚合物混合溶液澆鑄到玻璃板上,待溶劑揮發后得到聚合物薄膜.最后用溶劑將薄膜中所含的無機鹽溶解,留下細孔,得到含空隙的聚合物薄膜 .膜的孔隙率和孔徑的大小都可以通過控制所加無機鹽的多少和顆粒直徑的大小來進行調控,這對制備多孔支架及其重要.但是該方法也存在一定的局限性,只能獲得薄膜材料而很難得到三維空間支架.

(3)相分離法

在制備高分子支架時,采用相分離法可避免活性物質在機體化學環境和制備高溫環境下失活.該方法是將高分子聚合物在有機溶劑中溶解并加入活性分子,該體系冷卻后形成液-液相,然后急冷,固化,再通過升華去除有機溶劑,得到含有活性物質的多孔支架.

(4)微球燒結法

微球燒結法是利用乳液或溶劑蒸發的方法術合成陶瓷/聚合物成分的復合微球,然后燒結復合微球形成三維多孔支架.微球燒結法制備的支架材料的形狀多樣,且支架材料的孔隙率可控.可將生長因子包裹在復合微球中,通過對材料的降解速率的控制來實現生長因子的可控釋放.但該法所制備的多孔支架的孔隙間的互通性較差,且該制備過程中需使用有機溶劑,不符合綠色環保的發展理念.

4.高分子生物組織工程支架材料的應用

(1)人工皮膚

用高分子材料制成三維支架材料,選取患者的無細胞真皮基質,以膠原為主要原料,在體外制備具有生命活性的三維基質細胞,三維網狀支架給細胞提供了類似其在體內生長、組裝的環境.組織工程皮膚能夠對燒傷或燙傷患者進行皮膚移植,修復受損皮膚.此外它還能模擬人體肌膚進行試劑的毒性鑒定.

(2)人工神經

研究表明,人體神經細胞在體內外均無分裂分化的能力,但其在適當的環境引導下可以再修復.將聚合物管狀導管支架置于受損神經的斷端,聚合物神經導管可以對神經細胞進行引導和導向,使進神經細胞的生長和修復.選擇制備導管的高分子材料的降解周期與神經生長速度一致是選擇組織工程材料的關鍵,早期的神經導管選用的材料是硅橡膠.

(3)人工血管

高分子生物支架材料也可用作人工血管,而血管內皮細胞是典型的貼壁生長細胞.因此,需對高分子人工血管支架材料的表面進行改性處理,通常在材料表面吸附或固定纖連蛋白、層粘連蛋白或玻連蛋白,以提高支架材料與血管內皮細胞的粘附,促進細胞的生長擴增和增殖.為了促進細胞的生長和避免血栓的形成,在人工血管支架中添加生長因子、血小板活化因子和抗凝因子等活性物質,待人工血管植入人體后,將其緩慢釋放,促進組織的修復再生,形成新血管.

5.結論

高分子生物材料由于其降解速率可控且降解產物無毒性、與生物體具有良好的生物相容性、化學結構及其表面可改性性能好而被廣泛用作生物組織工程支架材料,近年了發展迅速.但高分子生物支架材料的應用仍面臨很多挑戰,如天然高分子材料具有良好的生物相容性和降解性,但其力學強度較差,不易塑形.而人工合成高分子材料孔隙率高,降解速率可控,但親水性差,對細胞親和力弱.為了解決目前高分子材料的缺陷,提高其在臨床醫學上的應用,需合成出具有具有不同強度、不同孔徑結構、降解速度可控,并能釋放各種生物活件物質引導和誘導細胞組織器官修復再生的高分子支架材料.

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王心怡,女,常州市北郊高級中學;研究方向:材料.

Research Progress of Polymer Biological Tissue Engineering Scaffold Materials

Wang Xinyi
(Beijiao Senior High School of Changzhou City, Jiangsu, 213000)

Biodegradable polymer materials, as biological tissue engineering scaffolds, provide a growth and metabolism site for the proliferation and differentiation of seed cells and are the framework of tissue regeneration. It is implanted in the human body and can be decomposed into non-toxic molecules that are metabolized and excreted out of the body, avoiding secondary surgery and reducing the patient's pain. This kind of polymer materials must have good biocompatibility and adjustable biodegradability, and also certain shape maintenance and mechanical properties.This paper mainly introduces the types, preparation methods and application of polymer engineering scaffold materials, and prospects the development prospect of polymer engineering materials in the field of biomedical engineering.

biological tissue engineering;polymer materials;scaffold materials.

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