脂肪组织工程支架材料的研究进展

王刚　刘毅

组织工程的核心是建立由种子细胞和生物材料支架构成的三维空间结构复合体，生物材料是组织工程发展的关键，随着材料科学、化学和生物学的发展，各种适合细胞生长、繁殖和分化的天然和合成的可降解材料被用来制作组织工程支架。要成功构建工程化的脂肪组织，选择适当的支架材料是必不可少的。支架材料为种子细胞提供贴服场所，而且决定最终构建的脂肪组织形状，因此，支架材料的理化特性是需要考虑的非常重要的因素。本文就脂肪组织工程支架材料的研究进展做一综述。

1 概述

脂肪组织工程旨在把获得的种子细胞种植在三维结构支架材料上，在合适的微环境及细胞因子的作用下，发育为成熟的脂肪组织。支架材料作为人工细胞外基质，为种子细胞提供了适合其迁移、粘附、生长、繁殖的生物学空间，促进合成新的细胞外基质成分，支持新陈代谢 [1]。前脂肪细胞只有贴附于合适的支架上，才能进行分化、增殖。支架材料和人体组织直接接触，所以对其生物学特性和理化性质有较高的要求。理想的用于脂肪组织工程的支架材料应具备的条件为：①足够的机械强度和柔韧性；②良好的生物相容性；③生物活性和生物降解性；④具有适合的三维空间多孔结构；⑤能提供明确的生物学上的刺激因素，促进血管形成；⑥具有可加工性、可消毒性及抗凝血性；⑦来源充足，易于重复制作、加工成型。

2 支架材料来源

目前，用于构建脂肪组织工程的支架材料包括天然和人工合成材料。常用的天然高分子生物材料主要分为多糖类和蛋白质类两大类，包括壳聚糖、藻朊酸盐、胶原蛋白、丝素蛋白、透明质酸及其衍生物等，这类材料自身包含的生物信息能够刺激细胞产生或维持各种功能，所含的一些天然结构有利于细胞的附着或保持分化，而且它们具有良好的生物相容性和化学多样性，可以促进细胞间的相互作用，降解过程受细胞控制[2]。但这类材料在大规模生产过程中，会出现质量难以控制、性能变化与结构变化不成比例等，而且来源有限，价格较为昂贵，使其应用受到一定程度限制[3]。在临床应用中，为了尽可能降低机体产生免疫反应的可能性，确保支架长期稳定，天然材料通常要在应用前进行一些预处理。人工合成材料包括PGA，PLA，PLGA，PEGDA（聚乙二醇二丙烯酸酯）等，机械性能良好，设计制造过程中能对材料的许多性能进行控制，易加工成不同的形状，可以被制作成凝胶、海绵、纤维网织物和纳米纤维[4]，被广泛用作生物材料。

3构建组织工程脂肪支架材料

3.1 胶原蛋白：胶原蛋白是一种由三条肽链组成的纤维状蛋白质，广泛存在于细胞外基质和结缔组织中，是目前组织工程研究中最常用的天然生物材料。胶原蛋白有着良好的机械性能及生物相容性，可被胶原蛋白酶和基质金属酶生物降解[5]，免疫原性较低，细胞对其适应性强，可承载多种细胞，具有三维多孔结构，能释放生物活性因子，可促进细胞增殖和分化，促进脂肪组织形成，可塑性良好，制备方便，是一种较理想的脂肪组织工程支架材料。胶原蛋白以I、Ⅱ、Ⅲ型最为多见，其中I型胶原由于性能优良且含量丰富，已被广泛用于构建组织工程人工皮肤。I型胶原凝胶支架具有半固体、半液态的特点，能够相对容易地实现细胞的均匀分布，而且能够通过物理性捕获效应将大量细胞限制于其中，同时解决了细胞与材料的复合问题及接种过程中细胞的丢失问题 [6]。Ⅰ型胶原海绵孔隙率较高，具有较大的空间和比表面积，可以为脂肪干细胞的生长和增殖提供更为广阔的空间，孔径较适合细胞粘附生长，对脂肪干细胞的吸附率较高。将人成纤维细胞接种在天然胶原蛋白材料上，发现细胞可以在胶原海绵支架周围粘附、生长、增殖分化，随着培养时间的延长细胞长入孔隙内，分泌细胞外基质，细胞连接成片，表明这种材料对细胞有粘附作用[7]。大量研究表明胶原海绵可以支持多种细胞来源的脂肪组织生成[8]，将人及兔脂肪干细胞在Ⅰ型胶原蛋白支架上进行体外培养，结果显示脂肪干细胞在支架上粘附、生长和增殖良好，表明I型胶原蛋白支架材料具有良好的细胞相容性和亲和力，有促进细胞粘附和诱导生长分化的作用。细胞-胶原蛋白复合物能形成有效的微环境网，提供丰富的血供，有利于新的脂肪组织的持续生成[9]。在体内，胶原蛋白能促进多数细胞生长、分化、增殖和代谢，支持粘附种植更多的细胞，积聚更大量的脂质。在胶原凝胶中添加短胶原纤维可以增强体内细胞的生存力和脂肪积聚。含有封装了成纤维细胞生长因子-2（FGF-2）明胶微球的胶原凝胶被证明在体内可以促进血管化的脂肪组织发育[10]。

在应用中，胶原蛋白降解产物可被细胞利用合成新的基质，不影响内环境pH 值，而且可参与组织修复。另一方面，胶原蛋白降解速度过快——在体内4周后已完全降解，目前，解决这一问题的主要方法是通过干热、戊二醛或紫外辐照等方法交联，可以在调节降解速度的同时，提高其综合使用性能。此外，胶原蛋白价格较高。胶原材料由于独特的生物学特性，在烧伤、创伤、美容等领域研究中已取得了可喜成果，但作为组织工程载体材料的研究还处于起步阶段。

3.2 丝素蛋白：丝素蛋白来源于天然蚕丝或蛛丝，是一种无生理活性的天然结构蛋白。结构上含有疏水区和亲水区，疏水区为高度保守的重复序列，亲水区由更复杂的序列构成[11]。丝素蛋白具有无可比拟的机械强度和柔韧性，力学性能较其他天然纤维更为优良；可被蛋白酶水解，降解速度缓慢，降解产物对周围组织有营养和修复作用；生物相容性优于传统的人工合成材料，可以支持细胞粘附、分化和组织形成[12]；免疫原性低，具有良好的透气性和透湿性，还能耐受较大范围的湿度和温度变化。可广泛应用于临床。在组织工程中，丝素蛋白已经被广泛应用于组织构建的支架材料。丝素蛋白三维多孔性支架材料能够支持干细胞的粘附、增殖以及在体内的分化。体外培养发现接种于丝素蛋白支架上的前脂肪细胞贴壁良好，生长增殖活跃，两周左右支架网眼充满前脂肪细胞，扫描电镜可见基质分泌。实验表明丝素蛋白对前脂肪细胞具有良好的吸附作用，并能维持前脂肪细胞的正常形态和功能。丝素蛋白用做支架材料时，无需再加工。此外，蚕丝来源丰富，价格便宜，处理简单，可以加工成多种形式的支架，并可通过遗传工程对其进行针对性改造以调节降解周期。对于组织工程应用，丝素蛋白已经被证明是一种多用途的生物材料，在构建工程化的脂肪组织中，可以成为前脂肪细胞体外培养的良好天然支架。

3.3 透明质酸：透明质酸（Hyaluronic acid，HA）为大分子多糖，是细胞外基质的主要成分，并在多种生理活动中起重要作用，例如组织水化作用，营养物扩散和细胞分化等[13]。HA可以特异性地结合内源性受体，如CD44，RHAMM，ICAM-1，调节细胞迁移，生长和粘附，从而参与组织生长和改造。研究表明，人类前脂肪细胞可以成功地在HA基础支架上接种和培养。此外，接种于这种支架上的人脂肪母细胞在体内能充分分化成熟为脂肪细胞。由于结构疏松，含水及多孔性因而特别适于细胞的迁移及增殖，防止细胞在迁移到位及增殖够数之前过早地进行分化 [3]。然而，高度亲水性导致了力学特性不佳，加之加工处理特性较差，严重制约了HA应用于组织工程学。为了规避这些缺陷，在保留HA生物活性的前提下，可以通过交联或偶联反应，对HA进行化学修饰，主要是针对部分葡醣醛酸的羧基的酯化修饰，从而可以获得一系列的衍生物（HYAFF）。不同的酯化程度可能引起不同的疏水度，孔隙尺寸的不同可能导致细胞粘附的差异性。其中，HA苯甲基酯（HYAFF R 11）是一种近年来发展的半合成的可吸收材料，通过酯化修饰，增强了疏水性，延长了在机体内的存在时间，可以更好地抵抗透明质酸酶的作用。通过裸鼠模型业已证实，HYAFF R11海绵-人前脂肪细胞复合体在脂肪组织再生中非常有效，把人前脂肪细胞-HYAFF R 11复合体移植于裸鼠体内3周后，细胞密度高于胶原复合体[14]。HYAFF有良好的生物降解速度，作为一种聚多糖，抗原性非常弱。体内外实验已经证实其对脂肪母细胞的增殖、分化有支持作用，且孔径为400μm的HYAFF支架最合适脂肪母细胞增殖分化。由于它良好的可加工性和生物相容性，已经被广泛用于生物医学领域。HA衍生材料三维多孔支架在脂肪组织工程研究中具有广阔的前景。

3.4 脂肪族聚酯材料：聚乳酸（PLA）、聚羟基乙酸（PGA）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）为人工合成的脂肪族聚酯材料，具有良好的组织相容性、生物降解性及组织可吸收性，表面活性良好，是常用的细胞支架材料，被广泛应用于组织工程领域。PLA、PGA主要用于脂肪组织工程的三维网织物、支架和（或）移植物 [15]。细胞种植于PGA支架上，可以容易地积聚脂质。PLA在体内首先降解为乳酸，最终生成二氧化碳和水。PGA分子的结构特点与PLA类似，但降解较快，降解产物-羟基乙酸可以通过三羧酸循环或以尿液等形式排出体外。PGA通过熔融纺丝可以获得高强度的PGA纤维，编织后可以得到用于组织工程的多孔支架。PGA纤维具有较高的强度和模量，但是较脆，可以通过与其他分子共聚的方法降低其脆性。目前主要将PGA 与PLA 聚合，或者用羟基乙酸和乳酸的单体共聚形成聚合物PLGA。有时也用胶原溶胀液进行包衣处理，以提高PLA 或PGA 作为支架时对细胞的粘附水平。LA和GA共聚后可以得到PLGA， LA和GA的比例不同，聚合物的降解速率不同。近年来发现PLGA多孔支架具有介导脂肪组织生成的能力。Patrick等[16]从SD或Lewis大鼠附睾脂肪垫中分离出前脂肪细胞，在PLGA支架上培养后，移植入大鼠背部，5周后可见分化的脂肪细胞。源于人和鼠的脂肪细胞，加入诸如bFGF等因子后种植在PLGA支架上，已经被证明可诱导血管形成。李春明等[17]将兔脂肪间充质干细胞接种在PLGA支架上，移植于兔背部肩胛骨两侧皮下，可见细胞逐渐扩展至支架孔隙中，随着支架的降解，新的脂肪组织形成明显，伴有少量的血管长入。前述体内外的研究表明PLGA支架能促进种子细胞的粘附、增殖和分化，可作为构建工程化脂肪组织的支架材料。PLA体内降解需要12周时间，PGA体内降解需要4周时间。可以通过改变其分子量、结晶度、乳酸和羟基乙酸的比例来控制其降解性，降解速度可以从几周到几年不等。降解后的酸性产物降低了局部的pH值，会影响组织和细胞的粘附和生长，或导致细胞中毒甚至死亡。而且此类材料太过脆硬，使得患者甚感不适，其来源主要靠进口，价格昂贵。目前仅有PLGA等少数几种此类材料被SFDA、FDA批准上市。

4其他支架材料

近年来，可承载脂肪干细胞的注射凝胶在脂肪组织工程中的前景引起了人们的高度关注[13]。对于脂肪组织工程的实际应用来说，挑战在于输送必需的脂肪形成因子，如：胰岛素、胰岛素样生长因子、地塞米松等来诱导脂肪形成，藻朊酸盐已被用作可注射的细胞载体[5]，这类材料可以按期望的外形进行填充，在相关生长因子的作用下可以增殖，移植时不需开放式外科手术[18]。纤维结合素是一种有胶原结合结构域的细胞外基质蛋白，生物相容性良好，通过与整合素相互作用在细胞识别与细胞吸附中发挥效应，并且通过影响内皮细胞迁移增加血管形成，使脂肪生成增加。但还没有被用来制作三维结构支架。其他已经被开发用于脂肪组织工程的人工合成材料，包括聚乙二醇（PEG）凝胶三维结构支架[19]、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚丙烯组成的网织物[15]等也初显应用前景。明胶海绵材料可生物降解，植入皮下后可被充分吸收，在脂肪组织工程中也展现出光明的前景。

5展望

近年来，由于纳米技术的发展，纳米材料也日益广泛应用于组织工程。由于脂肪组织对缺血、缺氧极其敏感，而一些细胞因子，如：VEGF，HGF等对移植物血管形成和血管新生有重要的始动和促进作用，把细胞因子包被在材料里，随着材料的降解，渐进式的释放，可以促进移植物的存活。因此，设想可以在三维支架上复合已包被了生长因子的纳米生物材料微珠。还可以对生物材料的表面进行化学修饰，支架材料亦可用细胞外基质成分进行包被，可以在多聚物支架表面掺入细胞粘附分子，使之更利于细胞粘附，增加其生物相容性。总之，临床上脂肪移植的需求与日俱增，加之材料科学的飞跃发展，会有更多、性能更卓越的生物材料用于脂肪组织工程。

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[收稿日期]2012-05-15 [修回日期]2012-07-20

编辑/李阳利