组织工程支架材料研究进展

王海江 陈启富

[摘要] 细胞支架材料作为组织工程组织再生的框架，其特性直接影响细胞的粘附、生长和代谢功能，因此它是组织工程的关键要素之一。目前应用于组织工程的支架材料可分三大类：人工合成高分子可降解聚合物，天然材料提取物和细胞外基质，结合近年来的相关文献，对组织工程支架材料研究进展进行总结。

[关键词] 支架材料；组织工程；细胞外基质

[中图分类号] R318.08 [文献标识码] B[文章编号] 1673-9701（2012）01-027-03

Research progress of scaffold material in tissue engineering

WANG Haijiang CHEN Qifu

Department of Chest Surgery, Affiliated Hospotel of Guangdong Medical College, the Third People's Hospital of Shenzhen City. Shenzhen 518112, China

[Abstract] Cell scaffold material is the framework of regeneration in tissue engineering. The property of cell scaffold material is the direct effect on the adhesion, proliferation and metabolism functions. Therefore, cell scaffold material is one of the critical factors in tissue engineering. Currently, the scaffold material of tissue engineering is categorized as the synthesized absorbable macromolecule polymer, natural material extracts and extracellular matrix. Based on the pertinent iterature in recent years, the research progress of scaffold material in tissue engineering was summarized in this paper.

[Key words] Scaffold material; Tissue engineering; Extracellular matrix

组织工程研究已有近30年的时间，在20世纪80年代Yannas IV等[1]采用可降解胶原多孔材料作为模板进行皮肤再生的研究。Wolter与Meyer于1984年报道在聚甲基丙烯酸甲醋（PMMA）表面构建内皮细胞层用于眼科治疗，并首次应用“组织工程”这个词来描述其实验。其中细胞支架材料是组织再生的框架，其功能影响细胞的代谢、生长和粘附等，是组织工程研究的重要课题之一。

用于组织工程的支架材料应符合以下条件：①材料本身有生物活性，能够促进细胞增殖分化，可以诱导组织细胞再生；②材料可以降解，材料降解速度与细胞的生长相匹配；③无抗原作用；④组织生物相容性好；⑤有一定空隙率；⑥有一定力学强度，可塑形。根据来源不同，应用于组织工程的支架材料可分三大类：人工合成高分子可降解聚合物，天然材料提取物和细胞外基质（extracellular matrix, ECM）。现将细胞支架研究进展综述如下

1 人工合成聚合物

人工合成聚合物的组织工程支架材料有聚乳酸、聚羟基乙酸和两者的共聚物聚乳酸-聚羟基乙酸共聚物（PLGA）[2]。聚乳酸降解速度慢，可达2年，聚羟基乙酸降解速度较快，约4～8周，可根据聚乳酸、聚羟基乙酸构成比例控制支架的降解速度制成PLGA，实验研究PLGA组织相容性好，在体内可以降解为CO2和H2O，机械性能、降解可控性、微结构等符合支架材料的要求，PLGA形成的孔隙率可达95%以上[3]，能够按照设计要求大规模生产三维支架材料，广泛应用于组织工程支架材料的研究。Eberli.D等[4]构建空腔组织工程复合支架，将尿道平滑肌细胞和上皮细胞种植到PGA聚合物一侧，移植到小鼠皮下，1个月后发现支架上有这两种细胞生长，形成像活体的膀胱组织结构。Woo等[5]用多孔静电纺丝PLGA修复皮肤损伤，发现该材料能促进创伤愈合，无明显不良反应。Ren 等[6]将家兔骨髓间充质干细胞与PLGA复合培养，修复家兔的下颌骨缺损，术后12周下颌骨缺损修复良好。

可降解聚合物优点是可标准化生产，可降解，组织兼容性好，其强度、结构和降解可调控。其缺点是价格昂贵，降解产物可诱发炎症反应，无细胞因子，不利种子细胞的黏附。

2 天然材料提取物

天然材料提取物包括胶原、糖蛋白、蛋白多糖、壳聚糖、藻酸盐等，它们是正常组织的细胞外高分子物质，对细胞的黏附具有优势，但物理强度差,不易成形。

胶原是一种天然蛋白质，主要存在于动物的韧带、骨骼、皮肤等组织中。胶原生物相容性好，可以完全降解，常常用于骨等组织工程支架材料[7,8]。Rocha 等[9]用含碱和碱土金属的盐溶液处理牛心包膜，制作海绵状胶原基质支架材料，修复Wistar大鼠胫骨骨折，结果该种支架材料显示很好的骨传导性能和较低的免疫原性，但因其降解速率快和机械强度差等缺点, 不利于单独用作骨细胞支架。

丝素蛋白（Silk fibroin，SF）是一种从蚕丝中提取出的天然高分子纤维蛋白材料，主要以β折叠链、α螺旋的构象形式存在，力学性能取决于β折叠及其沿纤维轴方向高度聚集态结构[10]，目前被广泛应用于组织工程的研究。Charu 等[11]在实验中发现SF有很好的机械性能，被加工修饰后可以改变表面特性、固定细胞生长因子，细胞可以在SF支架很好的生长。Rao 等[12]对混合有不同含量丝胶的SF 支架研究，发现SF支架孔隙率、机械特性与丝胶含量成正比，即丝胶蛋白越高，支架机械特性越强，孔隙率越高，并且细胞培养后支架细胞粘附良好，降解率低，不良反应是有轻微炎症。SF支架具有很好的细胞粘附性、生物相容性和较好的机械性能，缺点是降解速率缓慢，且亲水性差。

壳聚糖是一种天然有机高分子聚合物，它有独特分子结构和良好的生物相容性，材料来源广泛并且价格比较便宜，也容易塑形，是较为理想的细胞外基质材料，在生物医学组织工程研究中应用多。Yamane 等[13]的实验证实软骨细胞在壳聚糖／透明质酸混合支架材料上能够粘附生长并维持其正常形态，并且见Ⅱ型胶原的表达。Ragetly 等[14]实验中发现在结合Ⅱ型胶原的壳聚糖支架上细胞容易粘附，而在乙酰化的壳聚糖支架上细胞粘附率低，认为壳聚糖经脱乙酰化处理后才能用于组织工程，

3 细胞外基质移植物（extracellular matrix graft, ECMG）

细胞外基质(extracellular matrix, ECM)是一种天然生物材料，经过脱细胞处理生物体原型组织后，保留了抗原性较低的蛋白多糖、胶原蛋白、糖蛋白等外，还含有多种调节细胞的生物因子和细胞因子，这些活性因子有利于细胞在材料上的粘附、生长和增殖[15]。其中生长因子是一种水溶性蛋白质，有利于组织再生和细胞的诱导分化，能够诱导和刺激细胞的增殖分化、维持细胞存活等生物效应。生长因子种类较多，碱性成纤维细胞生长因子、转化生长因子p、胰岛素样生长因子、血管内皮生长因子和表皮生长因子等是组织工程研究中相当活跃的生长因子。Akihiro等[16]，发现膀胱细胞外基质中含有FGF、TGF-p和VEGF等多种生长因子，这些生长因子都有利于促进组织修复和重构过程。对于SIS研究发现支架中包含有糖蛋白、纤维连接素、核心蛋白多糖等成分，作为生长因子的活性调节剂，在组织重建中起到重要的调节作用。于SIS中的生长因子主要包括酸性 aFGF、VECF、bFGF、和TGFp，这些生长因子以激活或潜伏状态存在[17]。

与前述两类材料相比，ECM具有种属差异小,抗原性弱,不易引发宿主产生免疫排斥反应,良好的生物相容性和较好的生物降解性等优点[18]，作为组织工程支架材料具有广阔的应用前景。Rotariu等[19]用猪SIS修复兔2.5cm长尿道缺损，尿道层完全再生，与天然尿道几乎无区别。Siever 等[20]用同种异体UECM修复兔尿道缺损，术后可见尿路上皮细胞长入基质，基质管腔可以被上皮细胞覆盖，并且在基质中看见平滑肌细胞，6~8个月时基质支架的三分之一有平滑肌细胞束覆盖，尿道动力学和尿道造影证实达到尿道重建修复功能。孙新君等[21]用异种的脱细胞骨基质( Acellularbone extracellular matrix，ABECM)ABECM 在动物体内实验，组织周围可见软骨生成、纤维细胞生长以及有新生血管。对照组用酒精浸泡后移植到动物体内，发现骨小梁间有大量炎性细胞浸润，无软骨生成，排斥反应明显，而ABECM 组外周血T 淋巴细胞无表明改变，实验表明ABECM对受体细胞免疫影响不大。Badylak 等[22]将来自猪小肠黏膜下层（SIS）或膀胱黏膜去除上皮细胞和肌层，制成天然支架，用于犬的食管修复，发现食管的黏膜上皮在35天左右覆盖整个供体，50天后新生血管和肌束形成，2个月内支架材料被吸收，补片供体未出现狭窄，但管状供体出现狭窄，管径缩小约50%。黄桂林等[23]用家兔、SD大鼠的气管细胞外基质植入SD 大鼠面颊部，发现术后3个月气管细胞外基质支架与周围组织相容较好，无明显炎性反应和气管腔塌陷。

细胞外基质（extracellular matrix，ECM）具有下述优点：① 良好的生物相容性、适当的生物可降解性；② 支架能维持细胞形态和表型，有一定机械强度；③ 免疫原性低、细胞的亲和性好；④ 含有多种细胞因子，促进细胞粘附与增殖，诱导组织再生。但是由于目前脱细胞技术的限制，细胞外基质研究还要进一步的深入才能更好的应用于组织工程实验与临床研究。

4 支架材料的表面修饰和性状改善

由于大多数支架材料在促进组织重建中存在一些缺陷，也限制了组织工程支架材料的应用，例如人工合成材料亲水性差，细胞不易于吸附，天然支架材料降解过快，不易于塑形等，为了解决上述问题可以对细胞支架的性状进行改善及表面的修饰等。Baman 等[24]为了使细胞与支架更易于黏附，在聚乳酸生物支架材料中用三氟乙醇建立通道。Park等[25]用过氧等离子及亲水性聚丙烯酸处理PLGA后，发现其亲水性及细胞增殖能力明显提高。Wang 等[26]用超声瞬间腔化作用打通聚乳酸生物支架材料原有泡沫样空间结构中多孔，改善了支架材料的组织相容性，促进了细胞与支架的黏附作用。Sato等[27]为了提高对成纤维生长因子22、转化生长因子β1等细胞因子的结合力，在对端胶原多孔支架表面覆盖肝素化的聚苯乙烯膜，然后在支架上种植软骨细胞，结果很大程度提高了细胞分化增殖能力。

Jeong等[28]研究明胶/PLCL共聚纳米纤维支架，细胞能很好的在支架上粘附增殖、生长，并具有一定的机械强度，与对照组相比细胞数量明显增多。将VEGF包裹于PLGA/海藻酸钠纳米微粒中，体外持续释放超过21天，与空白组及VEGF单次注射组对照，显示体外人脐静脉血管内皮细胞增殖优势明显，显示纳米微粒作为一种VEGF缓释系统载体，在组织工程血管化中前景光明。大量的实验证实通过对支架材料的表面修饰和性状改善及可以解决其性能上的缺陷，更利于种子细胞在支架上的粘附、增殖与生长。

5 小结

目前应用于组织工程的支架材料有人工合成高分子可降解聚合物，天然材料提取物和细胞外基质三大类，由于支架的材料来源及制备方法不同，性能差别也比较大，至今还没有找到一种材料能够完全符合细胞生长的要求，因此探索制备更加接近体内细胞生存环境的支架材料是今后研究的方向。主要包括材料降解吸收率与组织器官的再生速率相一致，加强材料的表面修饰、生物活性因子及纳米技术等促进细胞在支架上粘附、识别、诱导分化，通过对支架材料的表面改性来增强其对细胞的粘附能力及力学强度，并且加入各种活性因子调控细胞的生长，以获得理想的组织工程支架材料。

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（收稿日期：2011-10-26）