組織工程支架材料

組織工程支架材料是指能與組織活體細胞結合併能植入生物體的不同組織，並根據具體替代組織具備的功能的材料。為了使種子細胞增殖和分化，需要提供一個由生物材料所構成的細胞支架，支架材料相當於人工細胞外基質。組織工程支架材料包括：骨、軟骨、血管、神經、皮膚和人工器官，如肝、脾、腎、膀胱等的組織支架材料。

組織工程支架材料在組織工程中所起的作用：

1. 支架材料的結構和形貌控制再生組織的結構、尺寸和形貌，作為連線細胞和組織的框架，引導組織生長成特定形態；
   
2. 作為信號分子的載體，將其運送到缺損部位，並作為緩釋體使誘導因子緩慢發揮作用，為工程化的組織提供一個賴以存在的空間，可引導組織(神經，骨，血管）的再生和成長；
   
3. 作為組織繁殖分化和新陳代謝的場所，為細胞生長輸送營養，排除廢物；
   
4. 支架表面特殊位點與組織起特異性反應，對不同類型細胞起“身份鑑別”及選擇黏附的作用（IKVAV短肽，RGD短肽）；
   
5. 起到機械支撐作用，可以抵抗外來的壓力，並維持組織原有的形狀和組織的完整性；
   
6. 支架材料還可以作為活性因子的載體，可以用來承載一些生物活性物質，如生長因子（骨形態發生蛋白BMP,血管內皮生長因子VEGF），為細胞的生長、分化和增殖提供養分。
   

組織工程支架材料來源分類：

1. 天然可降解高分子材料。天然生物可降解高分子材料是指由動植物組織中提取的高分子可降解材料。如膠原（collagen），其本身就是天然骨的組織成分。殼聚糖（chitosan），是甲殼素的衍生物。還有明膠（gelatin）、瓊脂、葡聚糖、透明質酸。這類材料的特點是降解產物易被機體吸收，但強度和加工性能較差，降解速度無法調節。
   
2. 天然可降解無機材料。例如珊瑚是天然動物的骨骼，其中99%是磷酸鈣。再如，珊瑚羥基磷灰石（CHA）。它們都具有天然珊瑚的多孔結構，有較好的孔隙率。能和靶細胞很好的黏附，而不影響增殖、分化、成骨，是很好的骨組織工程材料。
   
3. 合成可降解高分子材料。常用的可降解合成高分子材料有聚乳酸[poly（lactic acid）,PLA],聚乙醇酸[poly(glycolic acid),PGA],聚己內酯(polycaprolactam, PCL)，聚醚，聚碳酸酯等。這類材料的降解產物可在體內代謝排除，對機體無害，可塑性較好。其中PLA和PGA在組織工程中套用最廣泛。
   
4. 合成可降解無機材料。常用的主要有磷酸鈣水泥(calcium phosphate cement,CPC)，羥基磷灰石(hydroxyapatite,HA),磷酸三鈣( tricalcium phosphate, TCP),生物活性陶瓷如生物活性玻璃陶瓷( biological activity ceramic glass,BCG),細胞外基質陶瓷類材料等。
   
5. 複合材料：通過結合不同材料的特點，結合相互的優勢來實現某些特定的功能。如:聚乳酸－羥基磷灰石。
   

組織工程材料功能分類

骨組織工程支架材料

1.理想骨組織支架材料的特徵

①生物相容性和表面活性：有利於細胞的黏附，無毒，不致畸，不引起炎症反應，為細胞的生長提供良好的微環境，能安全用於人體。

②骨傳導性和骨誘導性：具有良好骨傳導性的材料可以更好地控制材料的降解速度，具有良好骨誘導性的支架材料植入人體後有誘導骨髓間充質幹細胞向成骨細胞分化並促進其增殖的潛能。

③合適的孔徑和孔隙率：理想的支架材料孔徑最好與正常骨單位的大小相近(人骨單位的平均大小約為223 μm)，在維持一定的外形和機械強度的前提下，通常要求骨組織工程支架材料的孔隙率應儘可能高，同時孔間具備連通孔隙，這樣有利於細胞的黏附和生長，促進新骨向材料內部的長入，利於營養成分的運輸和代謝產物的排出

④機械強度和可塑性：材料可被加工成所需的形狀，並且在植入體內後的一定時間內仍可保持其形狀。

2.常用的骨組織工程支架材料：

人工骨支架材料可分為兩類，即生物降解和非生物降解型。

早期的人工骨支架材料都是非生物降解型的，這類材料有：高聚物（碳素纖維，滌綸，特氟隆），金屬材料（不鏽鋼，鈷基合金，鈦合金），生物惰性陶瓷（氧化鋁，氧化鋅，碳化矽），生物活性陶瓷（生物玻璃，羥基磷灰石，磷酸鈣）等。這些材料的特點是機械強度高（耐磨、耐疲功、不變形等，生物惰性（耐酸鹼、耐老化、不降解）。但存在二次手術問題，因此人們開始研究使用可生物降解並具有生物活性的材料，這類材料有纖維蛋白凝膠、膠原凝膠、聚乳酸、聚醇酸及其共聚體、聚乳酸和聚羥基酸類、瓊脂糖、殼聚糖和透明質酸等多糖類。

目前研究和使用的骨組織支架材料是降解材料或降解和非降解材料的結合。

神經組織工程支架材料

1. 神經支架材料的功能有兩種:

（1） 必須為神經的恢復提供所需的三維空間，即要保證神經導管具有合適的強度、硬度和彈性，使神經具有再生的通道。
（2） 要保證其有理想的雙層結構：外層提供必要的強度，為毛細血管和纖維組織長入提供營養的大孔結構；內層則可起到防止結締組織長入而起屏障作用的緊密結構。因此，神經修復所用支架材料一般為：外層是強度大、降解速率慢的可降解材料，內層為具有細胞生長活性的降解材料。用於神經修復的內層材料多為膠原和多糖。目前研究和使用的多為膠原和聚乳酸的複合材料。

理想的人工神經是一種特定的三維結構支架的神經導管，可接納再生軸突長入，對軸突起機械引導作用，雪旺細胞支架內有序地分布，分泌神經營養因子（NTFs）等發揮神經營養作用，並表達CAM、分泌ECM，支持引導軸突出再生。

2. 常用的神經組織工程支架材料：

以往用於橋接神經缺損的神經套管材料有矽膠管、聚四氟乙烯、聚交酯、殼聚糖等。如以矽膠管為外支架，管內平行放置8根尼龍錢作為內支架的“生物性人工神經移植體”。

目前用於人工神經導管研究的可降解吸收材料有聚乙醇酸（PGA）、聚乳酸（PLA）及它們的共聚物等。也有用聚丙烯腈（PAN）和聚氯乙烯（PVC）的共聚物製作神經導管，內壁具有半透膜性質，僅能允許分子量小於50KD的物質通過，使再生軸突能從導管外獲取營養物質和生長因子，並避免纖維疤痕組織的侵入。但因其不能降解，在完成引導再生軸突通過神經缺損段之後，仍將長期留存於體內，有可能對神經造成卡壓。

3.神經支架材料的研究進展

戴傳昌、曹誼林製備了聚羥基乙酸（PGA）纖維支架，其上接種體外培養擴增的雪旺細胞（SC）形成一種組織工程化周圍神經橋接物。沈尊理等則利用生物可吸收纖維PDS作為膠原神經導管內部的三維支架結構，種植雪旺細胞，形成一種人工神經。葉震海、顧立強利用自行研製的PLA管作為外圍的神經導管，以生物可吸收縫線PGA纖維作為內部縱行三維支架結構，種植SC；發現SC可以貼附於PLA管壁、PGA纖維生長，引導再生軸突生長向前。

選擇適宜的生物材料，使SC與生物材料粘附，加入生長因子，對細胞外基質與可降解吸收生物材料經體外培養，在體內預製成類似神經樣SC基膜管結構（眾多縱行中空管狀結構），使人工神經血管化或預製帶血管蒂，並保證SC存活、增殖並有活性，這此將成為今後的研究熱點。

血管組織工程支架材料

1.血管支架材料特點：

在組織學上，血管壁細胞外基質主要由三層結構組成，其中中膜層有重要的生理意義，主要成分有膠原纖維和彈性蛋白，這種結構賦予血管良好的機械性質和順應性。所以，在設計和製造血管組織工程支架材料時，人們儘可能地模擬

自然血管的細胞外基質的成分、三維結構、生理功能及機械性能。近年血管順應性逐漸受到重視，自然血管和組織工程血管之間順應性的錯配被認為是小口徑血管移植失敗的主要原因。這使小口徑血管血栓形成及內膜增生，導致移植失敗。自然血管和人工血管之間機械性質的不同，導致吻合口處血流動力學的改變，引起應力集中，增加了血栓的形成和新生內膜的增生。所以，理想的組織工程血管支架材料除了應該具有良好的材料生物相容性，可降解性，具有良好的材料一細胞界面及一定的空間三維結構外，還應具有一定的順應性。

2.血管支架材料的類型

最早的外層材料一般為尼龍、聚酯等無紡布或無紡網等。目前，該類材料套用較多的為膠原或明膠蛋白包埋的或表面處理的可降解材料的無紡網，例如：聚乳酸、聚羥基酸和多肽等的無紡布或無紡網等。

3.血管支架材料的研究進展

20世紀50年代問世的Dacron是最早套用的人工血管，由於它對凝血系統有激活作用而只能對大口徑血管有較短的替代作用。以後又開發利用四氟乙烯（PTFE）、聚氨基甲酸乙酯（Poroussegmented Polyurethane）、膨體聚四氟乙烯（e-PTFE）等，並通過多種方法改變材料的物理性狀、表面特點，以達到血管植入的要求。

（1）人工材料上打孔，使之形成多微孔結構，一者提高材料的順應性，與自體血管彈性相匹配，二者使用周圍毛細血管內皮細胞通過微孔長入內膜層，覆蓋內表面。Alexander.w.Clowes證實60pePTFE移植後形成內皮細胞層，主要依靠周圍毛細血管經微孔處長大，而不是吻合口兩端內皮細胞的延伸生長，（兩端的延伸僅約2cm），並指出完整的內膜層會減少平滑肌的過度增和。Matsuda採用雷射在聚氨基甲酸乙酯膜上打孔，促進內皮細胞的爬行覆癧。

（2） 採用各種可降解塗層以減輕血小板及血細胞的粘集，並希望隨著塗層逐步降解，內皮細胞逐步爬行覆蓋。Satoshiniu等採用多聚環氧化合物做交聯劑，在人工血管上形成明膠－肝素塗層抑制血小板的聚集、纖維素的形成，同時利於吻合口內膜的長入。Himyukinkito在血管假體內表面塗布硫酸軟骨素（CS）及透明質酸（HA），外表面塗以明膠層，以達到內表面抗血小板、血細胞吸附，外表面吸引周圍組織長入的目的。ArumaN在內膜剝脫的血管周圍放置浸有內皮細胞的明膠海綿，利於內皮細胞的遷移及旁分泌等作用減少內膜的增生。

（3） 人工血管內皮化　由於內皮細胞在抗血栓形成、抑制血小板聚集、分泌血管活性因子等方面的重要作用，人們很早就構想在人工血管內表面形成內皮細胞的襯裡，以達到模擬自體管的目的。宿主內皮細胞由吻合口向人工血管內遷徙僅限於吻合口周2cm，而毛細血管通過管壁的長入、循環內皮在人工血管表面的沉積這兩種途徑的原因、機制效果不清，有待進一步研究。於是將新鮮獲取或體外培養的內皮細胞直接種植於人工血管的內表面，成為首選的努力方向。

皮膚組織工程支架材料

1.組織工程皮膚以三維支架為載體，通過將細胞種植在支架上而獲得。理想的人工皮膚支架應該同時滿足材料和結構的要求。在材料上：（1）允許細胞在其表面粘附，促進細胞增殖，保留分化細胞的功能；（2）具備降解性，材料及降解產物均無細胞毒性，不會引起炎症；（3）具有良好的生物相容性；（4）來源廣泛，價格低廉，無疾病傳播風險等特點。在結構上：（1）具備高孔隙率從而為細胞粘附、細胞外基質的再生及細胞擴散提供足夠的空間，孔隙結構可以允許細胞在整個支架上分布，從而促進均質組織形成；（2）應具有三維支架結構，為特定細胞提供結構支撐作用和模板作用，引導組織再生和控制組織結構。

2.目前常用作組織工程皮膚支架材料的天然高分子有甲殼素、殼聚糖、海藻酸鹽、膠原蛋白、葡聚糖、透明質酸、明膠、瓊脂等。因為其本身具有相同或類似於細胞外基質的結構，可以促進細胞的黏附，增殖和分化。目前來看，天然材料來源較為廣泛，製作簡單，且價格低廉。但它也存在力學性能較差，抗原性消除不確定，降解速率不宜控制等問題，具有一定的機械強度

此外聚合物有良好的生物相容性以及可控的降解速率，力學性能優良，因而被廣泛用作製備組織工程支架材料，常用的有聚乳酸、聚氨酯、聚環氧乙烷等。目前的研究主要集中於通過對材料表面的改性而增強它對細胞的粘附性，以及材料的親水性。

聚合物共混是一種為組織工程提供新型理想材料的有效方法，已成為目前組織工程生物材料研究的熱點。近年來提出的複合材料有海藻酸鈉/殼聚糖、膠原/殼聚糖、膠原/瓊脂糖、殼聚糖/明膠、殼聚糖/聚己內酯、聚乳酸/聚乙二醇等體系。

其他組織工程材料

1. 肌腱和韌帶組織工程材料

作為緻密結締組織分別連線著骨骼與肌肉、骨骼與骨骼，它們的高張力強度對

對於介導肢體正常的運動及維持關節的穩定性起關鍵作用。肌腱組織主要包括水(占濕重的55%)，蛋白多糖(<1%)、細胞、I型膠原(占乾重的85%)及少量Ⅲ、V、Ⅻ和ⅪV型膠原。韌帶從大體和顯微結構上類似於肌腱，但韌帶代謝更活躍，含有更多的細胞、更高的DNA含量及更多簡化的膠原交聯。肌腱，但韌帶代謝更活躍，含有更多的細胞、更高的DNA含量及更多簡化的膠原交聯。肌腱和韌帶在張力不超過4%的情況下具有較好的彈性，是一種黏滯性材料。

現在採用的天然材料有膠原、殼聚糖、纖維蛋白和脫細胞材料等。

2.角膜組織工程支架材料
　　 角膜組織工程支架材料除了有組織工程支架材料的基本特徵外還應同時有

一定的透明性、屈光力。對光線散射作用小，可以使光線透過並屈折成像等特性。目前沒有一種材料能完全具備這些特性。現在採用的天然材料有羊膜、膠原、角膜基質殼聚糖殼、以及它們的複合物，合成材料有聚羥基乙酸、合成膠原等。

3.肝、胰、腎、泌尿系統組織工程支架材料

肝、胰、腎、泌尿系統使用的組織工程支架材料主要以天然蛋白、多糖與合

成高聚物複合的可降解材料。例如：用於肝組織工程支架的血纖維蛋白和聚乳酸，用於泌尿系統的聚乙醇酸等。

擴展閱讀：

1. 曹誼林，劉偉，崔磊.組織工程學理論與實踐.上海科學技術出版社.2004年12月第1版.
   
2. 王海江， 陳啟富.組織工程支架材料研究進展. 中國現代醫生. 2012年1月第50卷第1期
   
3. Kim BS, Yang SS, Lee J. A polycaprolactone/cuttlefish bone-derived hydroxyapatite composite porous scaffold for bone tissue engineering. J Biomed Mater Res B. 2014;102:943-51.
   
4. Bhumiratana S, Grayson WL, Castaneda A, Rockwood DN, Gil ES, Kaplan DL, et al. Nucleation and growth of mineralized bone matrix on silk-hydroxyapatite composite scaffolds. Biomaterials. 2011;32:2812-20.
   
5. Wang W, Itoh S, Matsuda A, Ichinose S, Shinomiya K, Hata Y, et al. Influences of mechanical properties and permeability on chitosan nano/microfiber mesh tubes as a scaffold for nerve regeneration. J Biomed Mater Res A. 2008;84A:557-66.
   
6. Zhu YB, Gao CY, Liu XY, He T, Shen JC. Immobilization of biomacromolecules onto aminolyzed poly(L-lactic acid) toward acceleration of endothelium regeneration. Tissue Eng. 2004;10:53-61.
   
7. Pezeshki-Modaress M, Rajabi-Zeleti S, Zandi M, Mirzadeh H, Sodeifi N, Nekookar A, et al. J Biomed Mater Res A. 2014;102:3908-17.
   
8. Leong NL, Petrigliano FA, McAllister DR. Current tissue engineering strategies in anterior cruciate ligament reconstruction. J Biomed Mater Res A. 2014;102:1614-24.
   
9. Mi SL, Khutoryanskiy VV, Jones RR, Zhu XP, Hamley IW, Connon CJ. Photochemical cross-linking of plastically compressed collagen gel produces an optimal scaffold for corneal tissue engineering. J Biomed Mater Res A. 2011;99A:1-8.