组织工程支架材料降解的监测

王祥盛 综述 张文杰 审校

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组织工程支架材料降解的监测

王祥盛 综述 张文杰 审校

支架材料是组织工程三大要素之一，始终是研究的重点和热点。合适的支架材料必须具有与组织形成相匹配的降解速率。因此，有效监测支架材料降解的技术是该领域亟待解决的问题。我们回顾了近年来对支架材料降解监测的相关研究，对各种监测方法的原理、优缺点进行综述，以期为探索理想的监测方法提供思路。

组织工程支架材料降解监测

组织工程的基本原理是将体外扩增的种子细胞接种到可生物降解的支架材料上，通过细胞在支架材料上的增殖和细胞外基质分泌及支架材料的逐步降解，从而最终在体外或体内构建组织工程化组织或器官。其中，支架材料不仅提供了细胞黏附、迁移、增殖和功能代谢的场所，还承担着细胞、信号分子及营养物质的传输和废物的排泄等功能[1]。理想支架材料的重要特征之一是具有与组织形成相匹配的降解速率。材料过早降解将失去对细胞的支持，而过晚降解则因空间占位效应阻碍组织的再生。因此，了解支架材料的降解情况具有重大意义。我们就监测组织工程支架材料降解的方法进行综述，并提出可能的监测新技术。

1 常用支架材料的特性

1.1 基本特性

组织工程支架材料在宏观形态、微观结构、机械强度、毒性、细胞相容性和免疫原性等方面都有严格的要求。因此良好的组织工程支架材料需要满足以下条件[2]：①具有良好机械强度和韧性，可形成特定的三维结构；②适合的表面性质，有利于细胞附着；③生物相容性好，可满足细胞的增殖分化，产生细胞外基质；④具有与组织再生相匹配的降解速率，降解产物无毒性及免疫原性；⑤微观上具有相互连通的孔隙结构和高孔隙率，利于组织长入和代谢废物排出。

1.2 基本分类

组织工程常用的可生物降解的支架材料可分为典型的四个种类：可降解的无机材料、人工合成高分子聚合物、天然生物材料，以及复合材料。

1.2.1 可降解的无机材料

这类材料常用于构建组织工程骨，如羟基磷灰石（HA）和磷酸三钙（TCP）等。其特点为：较高的机械强度，非常低的弹性和脆硬的表面。由于在化学成分和组成结构上与天然骨组织有很高的相似性，与成骨细胞的生物相容性好，可以提高成骨细胞增殖与分化的能力[3-4]。但是，这类材料脆性大、不易塑形，且植入困难，无法维持新生骨重塑所需要的机械负荷[5]，降解速率不易控制[6]等，难以满足临床应用的需求。

1.2.2 人工合成高分子聚合物

这类材料可制造出特定的三维结构，且孔隙率可调整，通过改变其组成比例、分子大小，可以控制其降解速率[7-8]。常见的有聚苯乙烯、聚左旋乳酸（PLLA）、聚乙醇酸（PGA）和聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）等。这类材料弥补了无机材料的不足，在组织工程中应用广泛。然而，这类材料的生物相容性较差，降解产物具酸性，可降低局部的pH值，导致细胞或组织的活性下降，甚至凋亡[9]。

1.2.3 天然生物材料

天然生物材料具有生物活性，可促进细胞的黏附与生长，并且允许宿主细胞分泌细胞外基质，并被其取代。常见的有各种胶原、蛋白聚糖、海藻酸盐和壳聚糖等。其缺点是机械性能差，三维结构不牢固，降解速率过快。

1.2.4 组织工程复合载体支架材料

这类支架材料包括：天然材料间复合、天然材料与合成材料复合，以及有机材料与无机材料复合[10-12]。比较典型的方法是将胶原蛋白为基础的支架，掺入其他材料以此来提高机械强度。利用不同性质支架材料合成的组织工程复合材料，具有足够的机械强度和韧性，良好的生物相容性和合适的生物降解速率。既弥补了单一天然生物材料本身存在的机械强度和韧性不足、降解速率过快等缺陷，也使得人工合成聚合物材料生物相容性差、降解产生细胞毒性、缺少细胞识别位点等问题有了很大改善。

1.3 材料的影像学特征

可降解的无机材料，由于含有大量钙、磷、硅等元素，因此结构较为致密，能在X线下显影，并能与周围的软组织区分开，但是因为其密度与骨接近，所以在骨组织工程中，无法区分新生骨组织与支架材料。而高分子聚合物材料，由于与软组织密度较为接近，虽然可以区分新生骨组织与支架，但是不能很好地区分支架与软骨组织，也不能区分支架与周围组织的关系。

2 监测支架材料降解的方法

2.1 有创检测方法

动物实验中最常用的材料降解检测方法为标本组织学切片染色法或机械测量等[13-14]，这些方法均是在固定时间点处死动物，将再生组织取出，然后进行相关的检测。这些方法可较为直观、准确地了解支架材料的降解情况，以及细胞组织的再生状况。但缺点亦显而易见：①需要制备大量的实验动物，以备在不同的时间点取材；②无法实现同一动物体内连续的观察；③动物间存在个体差异，材料在不同个体内的降解不一致，可能导致实验结果的误差；④无法用于临床。

2.2 非侵入监测技术

为克服上述缺陷，需要建立一种能在同一实验对象上无创性动态监测组织生长和支架降解的方法。近年来，非侵入成像技术得到快速发展，为持续动态监测体内组织工程支架材料的降解提供了可能。

2.2.1 X线计算机断层成像（CT）

CT或Micro－CT常用于非侵入性地检测支架降解。其特点是操作简便，有较高的时间和空间分辨率，可以确定材料的相对空间位置、大小，获取支架材料的三维空间结构信息，安全可靠。研究表明，可以用CT来检测羟基磷灰石、生物凝胶等支架材料的降解和骨的形成[15-16]。但是，CT只对硬组织成像效果良好，如骨骼、牙齿等；而对低密度的软组织，如心脏、肝脏、血管及高分子聚合物材料等，效果差，组织间无法区分，有些甚至无法成像[17-18]。另外，CT只能提供支架材料的表面结构信息，无法探究材料内部结构变化及性能的改变。

2.2.2 超声弹性成像（UEI）

UEI是一个有价值的非侵入性工具，适用于生物组织力学特性的研究[19-22]。超声弹性成像的基本原理是对组织施加一个内部（包括自身的）或外部的动态/静态/准静态的激励。在弹性力学、生物力学等物理规律作用下，组织将产生一个响应，例如位移、应变、速度的分布产生一定改变。利用超声成像方法，结合数字信号处理或数字图像处理技术，可以估计出组织内部的相应情况，从而间接或直接反映组织内部的弹性模量等力学属性的差异。最常用的弹性成像技术是基于二维相关的散斑跟踪方法[23-24]。Owens等[25]应用该方法成功监测了poly(1,8-octanediol-co-citrate)（POC）合成的支架材料的降解。然而，UEI只能显示二维弹性成像，无法获得三维结构信息；支架材料微观结构上的孔隙大小和数量也会影响到超声结果的准确性；材料降解时，支架本身的张力发生变化，其弹性也会相应改变，这些都会干扰UEI的准确性[26-27]。

2.2.3 荧光成像监测

Artzi等[28]合成了荧光素标记的聚乙二醇及德克萨斯红色标记的胶原蛋白，通过有机荧光染料共价结合到支架材料上，形成荧光标记的支架材料，并在大鼠模型上成功实现荧光光学成像，随着支架的降解，荧光材料逐渐被代谢排出，通过使用非侵入性的活体成像系统（IVIS）信号，计算总物质荧光的衰减，成功监测了支架材料的降解情况。Kim等[29]首次报道利用小鼠模型，通过两性离子近红外荧光纳米分子探针ZW800-1标记胶原支架，并进行了长时间体内近红外成像。结果表明，荧光成像可以实时示踪胶原支架在体内代谢的动态过程。荧光分子探针和荧光成像系统可以在细胞、分子水平上对支架材料的降解情况进行示踪，具有很高的灵敏度，是一种较为新型的非侵入监测手段。其不足之处在于：只能二维平面成像，无法获得三维结构（剖视性）；荧光探针代谢时可能被周围细胞吸收，进入新生组织，使得难以区分残留荧光和原支架材料荧光。故单独使用荧光成像监测支架材料降解，还存在着较大困难。

2.2.4 放射性元素材料标记监测

用放射性元素标记示踪法追踪物质的代谢与转归，是生物学上常用的方法之一。孙皎等[30-31]创建了一种能直接标记聚丙交酯-乙交酯的125I同位素示踪技术，可用于分析聚丙交酯-乙交酯降解类生物材料的降解产物在体内分布、代谢和评价等问题。然而，同位素示踪法监测材料降解，有可能会造成放射性核素的污染，使其临床应用受到限制。

3 展望

动态监测组织工程支架材料的降解速率是组织工程领域亟待解决的难题之一。以往的组织学染色法和直接机械测量法虽能较直观地检测支架的降解情况和组织的再生情况，然而是以牺牲动物，材料取出为代价，并不能用于后续研究，且存在个体误差，使用动物样本量大，无法用于临床等问题。近年来，CT、MRI、UEI、荧光成像等非侵入检测手段的应用，一定程度上让动态无创性监测体内支架材料的降解成为可能。然而由于各自的局限性，其应用都受到一定的限制。目前该领域的研究重心，是探索开发出一种“支架材料探针”，可以与支架材料结合在一起，并且不影响支架材料的理化、生物性质，又能长时间检测支架的降解情况和组织的再生情况。除了对材料进行放射性元素标记以外，纳米材料技术的发展，为材料标记提供了新的可能。例如，将荧光金纳米团簇与支架材料相结合，利用金纳米团簇稳定的近红外荧光特性，和对X线强的衰减特性[32]，有望实现近红外荧光和CT双模式成像的方式，建立无创性动态监测支架材料降解速率与组织再生匹配程度的体系，为动态监测支架材料的降解，提供一种新的途径和思路。

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Monitoring of Scaffold Degradation in Tissue Engineering

Tissue Engineering;Scaffold;Degradation;Monitor

R318.1

B

1673－0364（2017）01－0042－03

WANG Xiangsheng,ZHANG Wenjie.
Department of Plastic and Reconstructive Surgery,Shanghai Ninth People's Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai Key Laboratory of Tissue Engineering,Shanghai 200011,China;National Tissue Engineering Center of China,Shanghai 200240,China.Corresponding author:ZHANG Wenjie(E-mail:wenjieboshi@aliyun.com).

2016年7月23日；

2016年9月14日）

10.3969/j.issn.1673-0364.2017.01.012

国家自然科学基金（81271714，31170944）；上海市科委基础重点研究项目（15JC1490600）。

200011上海市上海交通大学医学院附属第九人民医院整复外科，上海市组织工程重点实验室，组织工程国家工程中心。

张文杰（E-mail：wenjieboshi@aliyun.com）。

【Summary】Biodegradable scaffolds as one of the three main factors in tissue engineering,play an important role in tissue regeneration.An ideal scaffold material must have appropriate degradation rate that could match the forming rate of tissue regeneration process.However,how to monitor the degradation of scaffold materials has been a great challenge in this field. In this paper,the latest literature about monitoring of scaffold degradation in tissue engineering was reviewed.The principle of each method as well as their advantages and disadvantages were summarized and the potential methods were discussed.