組織工程與細(xì)胞生物力學(xué)的進(jìn)展綜述

孫藝 沈陽(yáng)科技學(xué)院

組織工程與細(xì)胞生物力學(xué)的進(jìn)展綜述

孫藝 沈陽(yáng)科技學(xué)院

組織工程是目前發(fā)展最有潛力的學(xué)科之一，在再生修復(fù)醫(yī)學(xué)和人體健康方面應(yīng)用前景十分廣泛。本文結(jié)合組織工程學(xué)與細(xì)胞生物力學(xué)，對(duì)細(xì)胞生物力學(xué)在軟組織和血液組織修復(fù)工程中的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要的綜述，介紹了國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展，以期為今后的研究提供參考依據(jù)。

組織工程 細(xì)胞生物力學(xué) 組織修復(fù)

組織工程的研究范圍十分廣泛，涉及材料學(xué)、細(xì)胞生物力學(xué)以及生命科學(xué)等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。細(xì)胞生物力學(xué)在組織工程中主要用于構(gòu)建人工心肌、血管、神經(jīng)、皮膚以及軟骨組織和器官，涵蓋了骨科、整形外科、五官科、再生與康復(fù)等醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域。本文從軟組織修復(fù)和血液組織工程兩個(gè)方面對(duì)細(xì)胞生物力學(xué)的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 細(xì)胞生物力學(xué)在軟組織修復(fù)工程中的應(yīng)用

人體的韌帶是一種連接骨骼的緊密結(jié)締組織，在體內(nèi)分布廣泛，尤其是在接近關(guān)節(jié)處。韌帶的功能是保護(hù)關(guān)節(jié)，防止關(guān)節(jié)過(guò)度屈伸，主要成分是較厚的堅(jiān)實(shí)的膠原纖維和少量的氨基聚糖。在人參加運(yùn)動(dòng)時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生韌帶損傷，其中膝蓋韌帶損傷是運(yùn)動(dòng)相關(guān)損傷的主要類型，平均每年大約有150萬(wàn)韌帶損傷病例，其中至少5萬(wàn)患者需要進(jìn)行韌帶修復(fù)。目前，治療韌帶損傷撕裂的方法主要是假體性植入物（人工及天然的）、同種異體移植物、異種移植物，單獨(dú)或與加強(qiáng)物合用修復(fù)以及采用合成修補(bǔ)物等。但是，這些治療方法都不能提供長(zhǎng)期有效的作用。韌帶的合成材料移植雖然十分普遍，但在移植后容易出現(xiàn)移植物變形甚至喪失功能的情況?，F(xiàn)階段異體移植仍然處于試驗(yàn)期，有可能會(huì)引起傷口自發(fā)的免疫反應(yīng)。而自體移植的材料來(lái)源有一定限度，同樣是矯形外科醫(yī)師需要面臨的困難。

美國(guó)率先采用自體移植物來(lái)取代受損前交叉韌帶（ACL）進(jìn)行韌帶修復(fù)治療，其自體移植組織來(lái)自患者髕骨的跟腱、髂脛帶、股薄肌以及半腱肌。但是在這些部位取自體組織會(huì)引起供體相應(yīng)部位功能及強(qiáng)度的喪失或降低，從而引發(fā)次級(jí)并發(fā)癥。同時(shí)，進(jìn)行髕骨肌腱的自體移植時(shí)可能會(huì)發(fā)生跟腱斷裂情況。此外，ACL重建的外科手術(shù)復(fù)雜且價(jià)格昂貴，因此需要開發(fā)新型安全無(wú)排異現(xiàn)象的組織工程韌帶修復(fù)材料。目前組織工程化肌腱領(lǐng)域的研究主要在肌腱細(xì)胞外基質(zhì)替代物、肌腱細(xì)胞生物學(xué)性質(zhì)及其與細(xì)胞外基質(zhì)材料復(fù)合等問題上，研制了適合肌腱細(xì)胞生長(zhǎng)和發(fā)揮功能的細(xì)胞外基質(zhì)材料，建立可調(diào)控生長(zhǎng)和增殖的肌腱細(xì)胞系，在模擬體內(nèi)力學(xué)條件下，對(duì)肌腱細(xì)胞進(jìn)行了三維培養(yǎng)。

2 細(xì)胞生物力學(xué)在血液組織工程中的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著人口的激增，對(duì)于血液代用品的需求越來(lái)越大，僅靠醫(yī)院血庫(kù)和人員獻(xiàn)血難以滿足實(shí)際需要。而且，傳統(tǒng)輸血方式在血液貯存和運(yùn)輸方面有著較大的困難，艾滋病、肝炎等各種病毒侵染的危險(xiǎn)性較大，缺乏特殊血型，人口老齡化導(dǎo)致的健康供血人群不足等各種問題，給臨床醫(yī)療急救帶來(lái)巨大的困難。因此，國(guó)內(nèi)外關(guān)于血液代用品的開發(fā)和研究逐漸展開，據(jù)估計(jì)全球每年輸血達(dá)三千萬(wàn)單位，血液供給不足將會(huì)導(dǎo)致未來(lái)20年每年缺少約四百萬(wàn)單位的血液，開發(fā)能夠使用人類全部血型的代用品將解決這一難題。美國(guó)FDA日前批準(zhǔn)了一種含氟化物高分子膠體溶液作為血液代用品，氟碳化合物是由氟和碳組成的分子，與血漿或者水混合輸入人體，氟碳化合物會(huì)在全身循環(huán)，向組織輸送氧氣，起到與血紅蛋白一樣的功能。但是氟碳化合物雖然無(wú)毒性，卻容易在體內(nèi)堆積不能排出體外，長(zhǎng)期會(huì)引發(fā)健康問題。

目前，研究學(xué)者通過(guò)將人體血紅蛋白基因?qū)氲郊?xì)菌和植物中，進(jìn)行人工制造血紅蛋白，發(fā)現(xiàn)一種煙草植物能夠合成人類血紅蛋白，但研制過(guò)程昂貴且產(chǎn)量較小不能滿足實(shí)際需要。研究學(xué)者還傾向于用脂質(zhì)體包封血紅蛋白來(lái)作為血液替代品的研究，但是通常脂質(zhì)體的穩(wěn)定性較差，與天然紅細(xì)胞的形態(tài)不一致，并且沒有可變形性，因此臨床應(yīng)用不多。血紅蛋白作為血液代用品的最新進(jìn)展是研究學(xué)者運(yùn)用化學(xué)修飾，將多個(gè)血紅蛋白分子聚縮成一個(gè)大分子，形成2-6個(gè)分子構(gòu)成的聚合體，大大提高了輸送氧的速率。我國(guó)學(xué)者通過(guò)改型和去免疫化等方法成功將動(dòng)物血紅蛋白轉(zhuǎn)化為人體血液代用品，臨床應(yīng)用安全有效。在細(xì)胞生物力學(xué)和組織工程學(xué)理論的角度，深入認(rèn)識(shí)細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)及功能，在組織層面研究生物力學(xué)，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行紅細(xì)胞重建工作，用磷脂和結(jié)構(gòu)蛋白包封血紅蛋白，體外重建的紅細(xì)胞在變形性、脆性和彈力等生物力學(xué)特性上基本接近天然紅細(xì)胞，同時(shí)具有相同的雙凹蝶盤形態(tài)，穩(wěn)定性和運(yùn)送氧氣能力都較強(qiáng)。

細(xì)胞生物力學(xué)與組織工程學(xué)的有機(jī)結(jié)合，在細(xì)胞與組織水平研究信息傳遞及轉(zhuǎn)化規(guī)律，重點(diǎn)圍繞組織修復(fù)工程的基礎(chǔ)研究，在骨連接系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等方面發(fā)展相應(yīng)的研究方法和技術(shù)，并將成果應(yīng)用于人工血管、膽管、血液細(xì)胞、支架材料等方面，替代和修復(fù)人體病變損傷的組織器官，重建生理功能。

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