組織工程支架材料及制備方法研究現(xiàn)狀

張婷芳, 劉志遠(yuǎn), 張瑜, 程杰, 崔景強(qiáng)

(1.河南省醫(yī)用高分子材料技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南駝人醫(yī)療器械集團(tuán)有限公司，河南 長(zhǎng)垣 453400；2.甘肅省醫(yī)療器械檢驗(yàn)檢測(cè)所，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

組織工程（tissue engineering，TE）一詞最早出現(xiàn)在1987年，美國(guó)科學(xué)基金會(huì)在華盛頓舉辦的生物工程小組會(huì)上[1]。其定義為：通過(guò)工程技術(shù)與生命科學(xué)的原理，方法制備組織替代物，改善和修復(fù)組織缺損或恢復(fù)功能的一門新興學(xué)科[2]。

組織工程的主要目的是對(duì)人體器官和組織進(jìn)行修復(fù)[3]。組織工程的基本過(guò)程是從人體獲取活體組織，采用一定的方法使得該組織中的細(xì)胞在體外進(jìn)行繁殖擴(kuò)增，同時(shí)在體外采用制備具有優(yōu)良生物相容性、可吸收、可降解的生物支架。將體外培養(yǎng)的組織細(xì)胞固載在生物支架上進(jìn)行體外培養(yǎng)，最后將固載有組織細(xì)胞的生物支架植入到體內(nèi)組織或器官病損部位。生物支架在體內(nèi)不斷吸收降解，同時(shí)植入體內(nèi)的細(xì)胞不斷增殖并分泌細(xì)胞外基質(zhì)，最終形成相應(yīng)的組織或者器官，達(dá)到人體器官和組織修復(fù)的作用（如圖1所示）。

目前組織工程技術(shù)可應(yīng)用于修復(fù)各種組織，如肌肉、骨骼、軟骨、腱、韌帶、人工血管和皮膚；生物人工器官的開(kāi)發(fā)，如人工胰臟、肝臟、腎臟等；人工血液的開(kāi)發(fā)；神經(jīng)假體和藥物傳輸?shù)确矫妗?/p>

組織工程中最核心的部分是“生物支架”。生物支架作為從機(jī)體獲取的組織或細(xì)胞增殖的載體，因此要具有較好的生物相容性。如下對(duì)組織工程中生物支架所用到的材料以及支架的合成方法進(jìn)行簡(jiǎn)要概括，并結(jié)合行業(yè)發(fā)展介紹其研究進(jìn)展，以期為支架的新材料、新應(yīng)用提供參考。

1 組織工程支架材料

生物支架的主要作用是確保從活體組織中獲取的細(xì)胞有足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)并且能及時(shí)清除代謝廢物[5]，因此生物支架要具備以下特點(diǎn)：

（1）具有多孔的三維結(jié)構(gòu)，便于獲取細(xì)胞生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

（2）具有良好的生物相容性和可降解、可吸收性，且在降解過(guò)程中不會(huì)引起免疫反應(yīng)。

（3）具有一定的表面活性，以供細(xì)胞附著、增殖、分化。

（4）具有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能。

在制備生物支架時(shí)要根據(jù)受損組織來(lái)選擇合適的材料。如骨骼肌、心血管等較“軟”的組織受損時(shí)一般使用高分子聚合物來(lái)制備生物支架；材料包括天然材料和合成材料，天然材料有膠原蛋白、纖維蛋白、明膠、聚羥基丁酸酯、多糖等；合成材料有聚酯、聚乳酸、聚酸酐等。

而骨骼等較“硬”的組織受損時(shí)一般使用高分子聚合物、陶瓷、金屬、復(fù)合材料來(lái)制備生物支架，在使用高分子聚合物做“硬”組織支架時(shí)，由于高分子聚合物的機(jī)械性能較低，需要添加增強(qiáng)體從而使高分子聚合物形成復(fù)合材料。常用的“硬”組織支架材料有：羥基磷灰石、磷酸三鈣、偏磷酸鈣、生物玻璃、復(fù)合材料、金屬等[4]。

2 組織工程支架制備方法

經(jīng)過(guò)多年的快速發(fā)展，許多現(xiàn)有的技術(shù)被用于組織工程支架的制備中。以下將簡(jiǎn)要介紹幾種常用的組織工程支架的制備方法。

2.1 相分離技術(shù)

根據(jù)引起聚合物溶液相分離的因素，相分離技術(shù)可以分為熱誘導(dǎo)相分離（TIPS）和非溶劑誘導(dǎo)相分離（NIPS）。Gundula[6]等利用熱誘導(dǎo)相分離技術(shù)制備了孔徑分別為100 nm和200 nm的聚乳酸（PLLA）支架，將關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞和鼻中軟骨細(xì)胞固定于PLLA支架上，分別培養(yǎng)7天和14天，進(jìn)而研究細(xì)胞在支架上的附著能力、形態(tài)、體外細(xì)胞活性等，結(jié)果研究表明關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞和鼻中軟骨細(xì)胞在該支架上生長(zhǎng)狀態(tài)良好。Kim[7]等利用非溶劑誘導(dǎo)相分離的方法制備了具有多孔的聚己內(nèi)酯（PCL）/羥基磷灰石（HA）復(fù)合骨科支架，并研究了不同的HA的添加量（0%、10%、15%和20%）（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對(duì)復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的影響，研究結(jié)果表明合成的該復(fù)合材料孔隙率較高、機(jī)械性能高，并且具有較好的生物相容性。熱誘導(dǎo)相分離技術(shù)主要由溫度來(lái)調(diào)控，該方法可以獲得大小可控的孔徑以及孔隙率，但是只適用于熱塑性材料；非溶劑誘導(dǎo)相分離只適用于沒(méi)有溶劑的體系中，最終得到較大孔徑和孔隙率的支架，缺點(diǎn)是在操作過(guò)程中用到了有機(jī)溶劑。

2.2 冷凍干燥技術(shù)

冷凍干燥技術(shù)主要運(yùn)用升華的原理。將聚合物溶解在合適的溶劑中，控制溫度至聚合物溶液的冰點(diǎn)，通過(guò)固體溶液的升華獲得多孔支架。王[8]等利用冷凍法制備了聚乳酸、聚乙醇酸、殼聚糖和海藻酸鈉支架，在聚合物溶液的冷凍過(guò)程中產(chǎn)生了多孔結(jié)構(gòu)，隨后在冷凍條件下使聚合物凝固，因此多孔結(jié)構(gòu)在隨后的干燥階段不會(huì)被破壞，制備的支架孔隙率大于0.8，孔徑60～150 mm。Healy[9]等用冷凍法制備了可生物降解的多孔聚乙醇酸支架，孔隙率為91%～95%，孔徑為13～35 um（較大孔徑大于200 μm），比孔面積為58～102 m2/g。這些支架在組織再生或修復(fù)器官等方面得到應(yīng)用。冷凍干燥技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于避免使用有毒的有機(jī)溶劑，但是需要消耗較多的能量并且準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)。

2.3 發(fā)泡法

將包含聚合物、表面活性劑和催化劑的水溶液置于反應(yīng)器，攪拌器不斷攪拌，使之加壓升溫，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)氣體飽和后，驟然降壓，此時(shí)巨大的壓差使混合物表面開(kāi)始發(fā)泡，而后降壓、降溫，使聚合物固化、結(jié)晶，形成多孔結(jié)構(gòu)。Kim[10]等利用氣體發(fā)泡和顆粒浸出結(jié)合的方法制備了聚乳酸/羥基磷灰石復(fù)合支架，將大鼠顱骨成骨細(xì)胞培養(yǎng)于該聚合物支架上，并于5周和8周后對(duì)組織中鈣含量進(jìn)行定量分析，結(jié)果表明細(xì)胞生長(zhǎng)良好。發(fā)泡技術(shù)避免了溶劑的殘留，但形成的孔很小且孔均在支架內(nèi)部，阻礙細(xì)胞生長(zhǎng)所需要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳輸。

2.4 顆粒浸出

顆粒浸出總是和其他技術(shù)聯(lián)合使用，例如相分離技術(shù)、發(fā)泡技術(shù)等。Kumar[11]等使用纖維素或羥甲基纖維素利用相分離技術(shù)和顆粒浸出技術(shù)，最后用高碘酸氧化成功制備出雙脫氫纖維素（DAC）膜作為一種潛在的組織工程支架，制備的支架孔隙率在87%～93%之間。最后用人的皮膚呈纖維細(xì)胞評(píng)價(jià)了該支架的生物活性，研究結(jié)果表明細(xì)胞在支架上附著并擴(kuò)散。顆粒浸出最大優(yōu)點(diǎn)是制備的支架孔隙率和孔徑可控。顆粒浸出的主要缺點(diǎn)是材料受限，后處理時(shí)間長(zhǎng)，且存在溶劑殘留風(fēng)險(xiǎn)[4]。

2.5 靜電紡絲技術(shù)

近年來(lái)靜電紡絲的研究越來(lái)越多地傾向于在組織工程中使用。靜電紡絲裝置主要由四部分組成：高壓電源、注射泵、噴絲頭和收集器[12](如圖2所示)。靜電紡絲過(guò)程中，聚合物溶液或熔體在強(qiáng)電場(chǎng)中進(jìn)行噴射紡絲。在電場(chǎng)作用下，針頭處的液滴會(huì)由球形變?yōu)閳A錐形（即“泰勒錐”），并從圓錐尖端延展得到纖維細(xì)絲。這種方式可以生產(chǎn)出納米級(jí)直徑的聚合物細(xì)絲。Marques[13]等利用靜電紡絲技術(shù)制備了聚己內(nèi)酯（PCL）軟骨修復(fù)支架，這里將PCL與明膠混合，明膠具有良好的生物學(xué)相容性，避免了PCL疏水從而不利用細(xì)胞附著、增殖的缺點(diǎn)。此外，在靜電紡絲過(guò)程中引入了聚乙二醇（PEG）顆粒，聚合物通過(guò)同步電噴霧混合。這些顆粒隨后被去除，形成孔徑較大的纖維支架。Chen[14]等利用靜電紡絲技術(shù)制備了多巴胺（PDA）改性的聚乳酸（PLA）/纖維素（CNF）復(fù)合納米纖維，XPS和拉曼光譜結(jié)果表明PDA成功地改性了該復(fù)合納米纖維。人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（hMSCs）能夠更好的在改性后的纖維上粘附、增殖和生長(zhǎng)，說(shuō)明改性后的纖維具有更好的親水性、生物相容性。靜電紡絲技術(shù)制備的組織工程支架具有很好的力學(xué)性能，不足之處在于在紡絲的過(guò)程中容易斷絲，導(dǎo)致制備效率下降。

2.6 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)與普通打印工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實(shí)實(shí)在在的原材料，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，逐層進(jìn)行斷層掃描把“打印材料”層層疊加起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物[15]。如圖3所示，liang[16]等利用3D打印技術(shù)打印了聚己內(nèi)酯/聚乙烯吡咯烷酮復(fù)合生物支架，通過(guò)對(duì)印刷工藝參數(shù)溫度、電壓、流速、打印高度、速度等的優(yōu)化，最終打印了具有一定高度的三維支架。打印的復(fù)合支架用來(lái)培養(yǎng)小鼠軟骨細(xì)胞，實(shí)驗(yàn)表明，培養(yǎng)的第5天比第3天具有更高的細(xì)胞密度，說(shuō)明支架具有良好的細(xì)胞相容性，并且促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖。Wiglusz[17]等利用3D打印技術(shù)打印出來(lái)了羥基磷灰石/聚乳酸復(fù)合支架用于軟骨組織的再生與治療。主要驗(yàn)證摻雜不同濃度的銪（Eu3+）后是否會(huì)提高該復(fù)合支架的生物相容性，研究了三種不同的離子濃度即1%、3%和5%對(duì)脂肪細(xì)胞形態(tài)、活力、增殖和免疫的影響，最終確定了3mol%銪（Eu3+）的添加使得復(fù)合支架具有較高的細(xì)胞相容性、促進(jìn)軟骨細(xì)胞分化。3D打印技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于打印精度較高，可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制，缺點(diǎn)在于打印耗時(shí)較長(zhǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

組織工程支架在再生醫(yī)學(xué)方面的優(yōu)勢(shì)是有目共睹的，近幾十年得到了飛速的發(fā)展。組織工程技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于皮膚、軟骨、心血管、心臟等領(lǐng)域。因此，未來(lái)的研究重點(diǎn)將是不斷地研制各種理想支架材料，發(fā)展支架制備工藝，探索綜合運(yùn)用各種新技術(shù)新方法來(lái)制備組織工程支架，這也必將為今后組織工程的發(fā)展開(kāi)辟?gòu)V闊的前景。