组织工程用人工支架表面改性的研究进展

严涛海 付春林 刘鹏碧 陈南梁

(1. 浩沙实业〔福建〕有限公司技术研发中心， 晋江， 362246;2. 东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心， 上海， 201620)

组织工程用人工支架表面改性的研究进展

严涛海1付春林1刘鹏碧2陈南梁2

(1. 浩沙实业〔福建〕有限公司技术研发中心， 晋江， 362246;2. 东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心， 上海， 201620)

组织工程用人工支架有着完美的三维结构、良好的细胞相容性和特殊的药理作用，一直受到生命科学和工程领域专家的重视。人工支架的表面改性研究关系到细胞生长、繁殖及迁移等状态，是组织工程的基础及热点。与普通人工支架相比，改性支架除了赋予细胞更好的黏附、增殖、迁移性能外，还赋予支架药物洗脱性能，使之能促进细胞生长或抑制病变细胞繁殖，为组织工程的设计研究提供了更广阔的应用空间。文章概述组织工程用人工支架表面改性的分类、制备方法、结构和性能，展望人工支架表面改性研究的前景。

人工支架， 细胞外基质， 组织工程， 表面改性， 细胞生长

组织工程是一个跨领域的学科，是将工程和生命科学的原理应用于发展生物替代品，用于恢复、维持或改善组织的功能，或是替代一个整体组织功能的科学。其一个主要的应用是在生物材料支架上通过生长细胞制造一个新的组织[1]。在组织工程中，人工支架是对细胞有黏附作用的一个三维模板，并在其上形成一个细胞外基质(ECM)环境，以及一种生长因子或其他生物分子信号的载体[2]。ECM主要包括胶原、糖蛋白、蛋白多糖、糖胺多糖和弹性纤维五大类。人工支架是否能够真实地模拟人体组织结构和ECM的生物功能是组织工程中的一个关键问题。一种理想的组织工程支架需要具有一定的力学性能，而最重要的是必须具有生物相容性。细胞和支架间的交互作用取决于材料的表面性质，如形状、化学成分、表面能等[3]。本文从人工支架表面改性的研究热点出发，分析了国内外的研究现状和进展，在寻求研究方式、方法借鉴的同时，提出进一步开展研究工作的建议，为组织工程人工支架表面改性的结构设计、功能设计等提供理论研究参考。

1 组织工程用人工支架表面改性的分类

人工支架的表面改性实质上是实现支架表面材料的功能化。一般有如下几种方式：一是支架构造适合细胞生长的粗糙表面、孔洞等；二是生物活性分子通过生物降解、生物拟态、吸收表面涂层的方式以达到药物传递系统(DDS)的目的；三是在支架表面进行惰性涂层处理，以防止体液腐蚀和支架降解；四是在支架表面接枝具有生物活性的有黏附性的空间分子，如丙烯酸、聚乙二醇、聚乳酸等[4]。这些表面改性技术为金属、聚合物或陶瓷用于组织工程的人工器官支架提供了广阔的应用前景。

1.1 人工支架表面粗糙度改性

具有良好微纳米形貌的支架表面可以是某种程度的粗糙表面或不同类型的纹理表面，作为一种不规范化的不连续存在，可以通过化学或物理方式来获得。除管腔内表面特别需要光滑外(作为血液流动的通道，粗糙度越高越易凝血)，支架作为细胞生长的载体需要有一定的粗糙度，光滑的材料表面对涂层和内皮细胞的种植非常不利，主要表现为细胞的脱落、涂层不均匀等。表面粗糙和晶粒细小的一定程度微观粗糙的支架表面更有利于生物体内的蛋白和细胞等生物分子吸附，从而显示出更好的生物活性[5-6]。比如，基于静电纺技术的微纳米纤维支架具有高的孔隙率和微纳米级的孔径，可以更好地适应细胞的生长黏附，有利于调节细胞的营养物质和废物交换运输，提高材料降解率，并有利于生物活性因子的释放，形成类似于天然ECM的形态结构[7-10]。图1为聚己内酯-聚乙二醇/聚己内酯(PCL-PEG/PCL)静电纺纳米纤维培养小鼠胚胎成纤维细胞系(NIH3T3)细胞，其结构中的大量微细孔洞是直接通过静电纺技术制备而得的[5]。图2所示的多孔结构PCL支架是通过热诱导的相分离(TIPS)获得的[11]。

图1 PCL-PEG/PCL静电纺纳米纤维培养NIH3T3细胞

图2 高度多孔PCL支架的表面电镜图

1.2 人工支架表面化学改性

人工支架制备好后，为了更好地应用于组织工程，需要对其进行表面改性。实际研究中更多的是进行化学改性，即通过化学的方法使支架表面接枝共聚亲和细胞的分子结构，或使支架表面形成一层具有特殊功能的涂层结构。支架表面的化学改性大致分为如下几类：①表面惰性改性，作为支架与组织之间的屏障，以提高支架抗体液腐蚀和降解的性能，并且降低支架材料离子、分子析出的可能；②表面药物涂层改性,即药物洗脱支架(DES)，在支架表面制备药物载体涂层，以抑制或促进某种细胞的增生和迁移；③表面类ECM改性，构成ECM有五大类生物物质，为了使细胞更好地在支架上增殖、生长，可以进行模拟ECM的表面改性，使支架表面充满这五大类生物物质，目前支架表面类ECM改性主要集中在多糖改性和多肽改性方面。值得注意的是，在骨组织工程中，人工支架表面改性在具有类骨结构羟基磷灰石改性这个方向开展了大量的研究。图3为壳聚糖- 明胶改性多孔聚乳酸支架[9]。

图3 壳聚糖-明胶改性多孔聚乳酸支架

2 人工支架表面改性的研究状况

2.1 人工支架表面粗糙度改性的研究状况

由PCL的四氢呋喃聚合物溶液采用冷冻干燥法制备的支架具有多孔粗糙表面。另外，聚合物相分离、胶体光刻和化学蚀刻等技术也是常用于支架表面处理的方法[12-13]。Li等[14]使用间接立体光刻技术(SL)制作的羟基磷灰石骨水泥骨组织工程支架具有多孔结构。沈阳等[15]采用化学腐蚀后溶胶-凝胶法涂覆TiO2薄膜和等离子体沉积(氧气作为还原气体)的方法，对血管支架表面改性使之粗糙化。Armitage等[16]利用喷丸硬化、电解抛光、抛光打磨、热处理方法对NiTi合金支架进行表面处理，研究表明喷丸处理表面显现出较好的表面粗糙度。周长春等[6]对骨组织工程支架在酸性溶液中利用水热法进行微纳米化表面改性,改性后可见明显的微纳米晶须生成。采用微纳米级连续纤维构建人工组织支架有很多优点，支架的网格化微纳米纤维具有较高的比表面积和互连孔隙率，从而有利于细胞的黏附和迁移，一般无需对其进行表面粗糙度改性。可控微纳米级多孔支架的物理化学制备工艺是未来多孔支架的研究重点，制备的支架具有很好的表面形态，经过简单的处理即可直接应用。对于金属合金支架的表面粗糙度处理，更高效率、更精细化、微纳米级的物理化学处理方法将是未来的研究方向，可以尝试物理气相法、化学沉积法、球磨粉加工和喷射加工等方法对金属支架表面进行改性处理。

2.2 人工支架表面化学改性的研究状况

2.2.1 支架表面惰性处理

Hoffmann等[17]采用选择性激光烧结技术对镍钛及钛合金骨支架进行了表面处理。陈吉华等[18]利用离子束对NiTi表面处理生产TiO2/Ta2O5复合涂层，研究表明掺36%质量分数Ta2O5的支架抗腐蚀性最好，掺10%质量分数Ta2O5的支架抗凝血性最好。王志浩等[19]采用非平衡磁控溅射法对316L不锈钢血管支架表面处理制备Ti及TiO2薄膜支架。胡涛等[20-21]采用真空电弧离子镀技术在316L不锈钢支架上成功镀上(Fe/Pd)n多层膜，该薄膜均匀、致密、结合强度良好，并且还具有磁性，有效磁场强度可达5×10- 4T以上，可以有效抑制血管内膜过度增生和血管壁的炎症反应。Singh等[22]认为如果是金属材料的人工支架，比如316L不锈钢、钛及钛合金、钴铬合金、镍钛记忆合金等，对支架表面进行氧化处理可以提高其表面生物活性及耐蚀性。支架表面惰性改性主要针对的是合金支架，需要表面改性使之具有一层致密的保护膜，以防止体液对金属支架的腐蚀。保护膜成分主要是惰性的金属或其氧化物，研究的热点是氧化技术在金属支架表面的应用。金属氧化物保护膜具有处理工艺简单、薄膜致密、结合强度高等优点，也是未来表面惰性处理的一大方向。

2.2.2 支架表面类细胞外基质改性

2.2.2.1 骨组织工程羟基磷灰石改性

羟基磷灰石(HA)具有类骨结构和性质，一直以来受到骨组织工程专家的重视。Balagna和Lopez-Heredia等[23-24]使用电沉积方法将HA涂层涂覆在多孔钛金属支架上，涂层厚度可达25 μm。周长春等[6]用NaOH溶液对PCL多孔支架进行表面处理引入羧基，使支架的亲水性得到改善，然后将支架放在真空中，采用CaCl2和 K2HPO4进行晶核化预处理，最后在过饱和模拟体液溶液(SBF)中矿化24 h，可以在样品表面生成一层致密的类骨磷灰石层。Nguyen等[25-26]使用含HA离子的SBF溶液处理PCL支架，比较支架浸入时间(2、 4、 8、 12 h)对骨细胞的附着程度，研究HA表面处理对骨细胞培养的影响，发现最高含量的羟基磷灰石沉积意味着最优的应用。Park等[27]将聚左旋乳酸(PLLA)支架在氧气环境中进行等离子体表面处理，然后对表面进行丙烯酸(AA)原位接枝处理，获得的PLLA-PAA在1.5倍SBF溶液中处理得到PLLA-PAA-HA。Kim等[28]采用聚氨酯涂层法将β磷酸三钙(TCP)整理到氧化铝支架上。在支架表面改性，使表面附着一层类骨羟基磷灰石，改性后的支架可以提高成骨细胞的黏附性和细胞的增殖率，从而有利于组织功能的恢复。目前主要的改性途径是浸泡含HA的SBF液体，热点是如何提高羟基磷灰石涂层的结合力，前处理、电化学沉积等都是比较有优势的提高结合力的方法。

2.2.2.2 多肽和多糖改性

人工支架可以进行葡聚糖凝胶处理，处理后的支架具有良好的蛋白质转运特性、最小的组织刺激性、良好的生物降解性和生物相容性[29-30]。Kirsebom和Gamboa-Martínez等[31-32]对PLLA支架进行纤维蛋白涂层改性，该涂层改善了细胞的黏附性能。张基昌等[33-35]以PEG-PLA-PLG聚脂肪酸为载体，通过载体接枝RGD三肽聚合物，采用涂层技术制成冠脉支架，研究表明涂层支架可显著加速内皮修复，显著降低再狭窄的发生概率。对支架表面进行多肽改性处理时，改性的方法是将类似于天然ECM蛋白长链分子或来自ECM完整肽序列构成的短的生物活性分子，对支架材料进行批量改性，与细胞受体产生特别的相互作用。这种改性后的支架可以刺激细胞基质的相互作用，从而促进组织生长，并且这种肽序列的蛋白分子还可以由特定的生物酶降解。

当用0.5%～2.0%质量分数的壳聚糖溶液对PCL支架进行改性处理后，黏附于改性支架上的细胞数量显著增加[36]。Wu等[37]对钛金属支架表面进行了处理，首先用5 mol/L碱液处理使之带负电荷，然后沉积一层带正电荷的聚L- 赖氨酸，再交替浸泡到带负电荷的海藻酸钠-骨髓间充质干细胞悬浮液和带正电荷的85%质量分数的壳聚糖溶液中，最后使支架表面形成一层壳聚糖。Liu等[38]分别使用0.1%、 0.5%、 1.0%质量分数的PDLLA二氯甲烷溶液处理壳聚糖明胶支架表面，发现0.1%质量分数的PDLLA溶液处理支架后，其力学性能提高4倍，且能保持原有支架良好的人成纤维细胞黏附、迁移和增殖性能。多糖一般不单独用于表面处理，如果单独使用多糖处理主要是为了提高支架表面的亲水性，更多的是与其他生物活性因子联合处理支架表面，其作用是利用生物体对多糖涂层的降解而起到缓释作用。

2.2.2.3 亲水性改性

为了提高支架的亲水性，研究人员做了很多尝试，主要集中在氧化处理、接枝共聚亲水性基团，以及使用亲水性的多糖、多肽和硅烷等涂层的改性。亲水改性后可提高支架表面的细胞黏附性，更易于形成类似于ECM的环境。Kwon等[39]利用臭氧对高密度聚乙烯支架表面进行氧化处理，结果显示，臭氧氧化后提高的亲水性对细胞组织培养的影响并不大，而支架孔径对细胞培养的影响是显著的。李勇等[40]使用棕榈酸对β -TCP/PLLA复合支架进行表面处理，提高了颗粒表面的亲水性，使β -TCP颗粒在PLLA 基体中分散均匀，同时提高了支架的力学性能。Ko等[41]对聚合物支架进行了表面处理，首先进行臭氧氧化，然后与含有聚乙二醇的丙烯酸酯进行接枝聚合，磺化聚乙二醇或耦合聚乙二醇衍生物。刘曦等[42]用己二胺处理支架使其在表面引入氨基，然后经过戊二醛处理制备醛基活化的PLA支架，结果表明细胞黏附性明显优化。

2.2.3 支架表面药物涂层改性

硫酸乙酰肝素具有快速恢复能力，制备的药物洗脱支架(DES)对骨髓间充质干细胞成骨诱导性骨形成具有诱导刺激作用，可以促进成骨细胞的增殖分化[43-44]。Åberg等[45]将成纤维细胞生长因子(FGF1)处理硬化硫酸钙骨水泥，发现FGF1浸泡10 min 处理的支架足以获得20～35d的FGF1持续释放，有利于脊髓损伤修复。Cont等[1]研究PLA-PDO静电纺支架时，利用5%质量分数的多巴胺对支架进行改性，使之具有亲水性，然后涂上一层维生素H，发现对细胞具有促进生长作用。将1号明胶和2.5 mg/mL的硫酸软骨素对PCL支架表面处理后，将支架应用于羊的损伤骨组织中3～12月的试验结果令人鼓舞[46]。Pullisaar等[47]将高度多孔的TiO2支架浸入辛伐他汀溶液中处理，辛伐他汀的成骨作用使支架具有更好的应用前景。Bezuidenhout等[48]通过2 mg/mL的亚硝酸脱氨化肝素溶液共聚接枝和胺化聚氨酯多孔支架，支架表面的肝素化处理可以促进血管生成而不产生炎症反应。将促进细胞生长繁殖的药物通过涂层技术应用于DES一直是组织工程的研究热点。需要注意的是，药物涂层的研究既要求有良好的组织相容性，又要求能控制药物的释放速率，同时还必须与基体结合牢固，并具有足够的强度和弹性以承受支架输送和扩张过程中的各种应力。

大多数DES涂覆有药物载体，药物洗脱通过扩散或降解达到，载体或缓释层常常是具备生物降解性的材料，如壳聚糖、可生物降解聚氨酯、PLLA或PGLA等。药物一般是抗凝血、抗增殖或抗炎症化合物，药物的作用要达到调节炎症反应及使某些细胞增殖平缓。研究人员将三氯生和酮咯酸应用于制备药物洗脱输尿管支架，该支架具有抑制炎症的作用[49-50]。胡廷章等[51]以抗血小板膜糖蛋白单克隆抗体SZ-21加入壳聚糖溶液, 采用超声雾化喷涂法制备SZ-21洗脱支架，并在外层喷涂一层PLLA作为屏蔽层控制SZ-21的释放速度，该涂层支架的溶血率和细胞相容性满足国家安全性规定的要求。Jeong等[52-53]对支架进行紫杉醇药物涂层，并以聚氨酯、聚乙烯-乙烯醇(EVAL)、聚乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)和聚乳酸-乙交酯(PLGA)等作为药物载体或缓释层，研究结果显示EVA适宜作为底层和药物层材料, 而PLGA是制备涂层最外层的最佳材料。另外，陈真等[54]还将125I溶解于聚氨酯溶液中，并涂履在金属支架表面，该支架的辐射射线可以产生抑制肿瘤组织的作用。值得注意的是，某些药物或材料具有广谱抗菌性，如Balagna等[23]制作具有抗菌性的3D陶瓷多孔支架，将多孔支架与0.05 mol/L硝酸银溶液通过离子交换使支架表面附着银离子，对支架进行体外抗菌性、细胞毒性、细胞增殖测试后，发现支架对金黄色酿脓葡萄球菌能灭杀99.9%， 但是培养4d后与对照组比较发现细胞数量少了60%。Balagna的试验说明银离子除了抑制病变细胞生产繁殖外，还会抑制正常细胞的增殖迁移，相信陈真等人的试验结果也是类似的。因此在进行DES设计时，必须综合考虑药物的剂量和药物缓释的速度，以求将抑制作用与细胞的正常生长达到平衡。

3 结语

组织工程用人工支架是细胞生长的载体，需要进行后加工或改性后才可以应用于人体。研究人员为了使支架更好地发挥促进细胞增殖、达到治疗效果或抑制病变的作用，常常需要对支架进行改性，使之具有特殊的功能。目前，国内外对人工支架改性的研究主要集中在：改善支架表面粗糙度和孔洞，使细胞更好地黏附生长；使支架表面更加接近于细胞外的生长环境；进行药物洗脱涂层支架的设计，使之能更精确地达到药物应有的效果等方面。随着时代的发展和科技的进步，科技工作者将会开发出更多、更优秀的人工支架。人工支架表面改性技术未来研究的重点是：对支架进行更接近于ECM的复合材料改性，使细胞的生长环境更贴近实际的ECM环境；针对不同细胞设计支架的特异孔洞和表面粗糙度，使细胞有更好的黏附繁殖性；药物洗脱支架设计研发应用新药物及新试剂、缓释药物剂量及药效的精确控制、新涂层工艺的开发等。人工支架表面改性技术必将更好地服务于人类健康。

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《产业用纺织品》编辑部

Advances in the surface modification of artificial scaffolds for tissue engineering

YanTaohai1，FuChunlin1，LiuPengbi2，ChenNanliang2

(1. R&D Center, Fujian Hosa Industrial Co., Ltd.;2． Engineering Research Center of Technical Textile, Ministry of Education, Donghua University)

Artificial scaffold for tissue engineering has perfect three-dimensional structure, good cell compatibility and special pharmacological effects, which attracts much attention from the experts in the field of life science and engineering. Artificial stent surface modification research, relating to cell proliferation migration status, is the basis and focus of tissue engineering. Compared with ordinary artificial scaffolds, modified stents not only give cell excellent properties such as good adhesion, proliferation, migration performance, but also have the drug-eluting stents performance which can promote cell growth or the inhibition of diseased cells reproduce, providing a broader application space for the design and research of tissue engineering. The classification, preparation method, structure and properties of surface modification for the artificial scaffolds were summarized and the prospect of the research of the stent surface modification was proposed.

artificial scaffold, extracellular matrix, tissue engineering, surface modification, cell growth

2015-06-25

严涛海，男，1983生，工程师。研究方向为功能纺织材料。

TQ316.6；TB34

A

1004-7093(2015)12-0001-08