组织工程支架材料及制备方法研究现状

2022-03-17张婷芳刘志远张瑜程杰崔景强

橡塑技术与装备 2022年3期

张婷芳, 刘志远, 张瑜, 程杰, 崔景强

(1.河南省医用高分子材料技术与应用重点实验室，河南驼人医疗器械集团有限公司，河南长垣 453400；2.甘肃省医疗器械检验检测所，甘肃兰州 730070)

0 引言

组织工程（tissue engineering，TE）一词最早出现在1987年，美国科学基金会在华盛顿举办的生物工程小组会上[1]。其定义为：通过工程技术与生命科学的原理，方法制备组织替代物，改善和修复组织缺损或恢复功能的一门新兴学科[2]。

组织工程的主要目的是对人体器官和组织进行修复[3]。组织工程的基本过程是从人体获取活体组织，采用一定的方法使得该组织中的细胞在体外进行繁殖扩增，同时在体外采用制备具有优良生物相容性、可吸收、可降解的生物支架。将体外培养的组织细胞固载在生物支架上进行体外培养，最后将固载有组织细胞的生物支架植入到体内组织或器官病损部位。生物支架在体内不断吸收降解，同时植入体内的细胞不断增殖并分泌细胞外基质，最终形成相应的组织或者器官，达到人体器官和组织修复的作用（如图1所示）。

目前组织工程技术可应用于修复各种组织，如肌肉、骨骼、软骨、腱、韧带、人工血管和皮肤；生物人工器官的开发，如人工胰脏、肝脏、肾脏等；人工血液的开发；神经假体和药物传输等方面。

组织工程中最核心的部分是“生物支架”。生物支架作为从机体获取的组织或细胞增殖的载体，因此要具有较好的生物相容性。如下对组织工程中生物支架所用到的材料以及支架的合成方法进行简要概括，并结合行业发展介绍其研究进展，以期为支架的新材料、新应用提供参考。

1 组织工程支架材料

生物支架的主要作用是确保从活体组织中获取的细胞有足够的营养物质并且能及时清除代谢废物[5]，因此生物支架要具备以下特点：

（1）具有多孔的三维结构，便于获取细胞生长所需要的营养物质。

（2）具有良好的生物相容性和可降解、可吸收性，且在降解过程中不会引起免疫反应。

（3）具有一定的表面活性，以供细胞附着、增殖、分化。

（4）具有适当的机械性能。

在制备生物支架时要根据受损组织来选择合适的材料。如骨骼肌、心血管等较“软”的组织受损时一般使用高分子聚合物来制备生物支架；材料包括天然材料和合成材料，天然材料有胶原蛋白、纤维蛋白、明胶、聚羟基丁酸酯、多糖等；合成材料有聚酯、聚乳酸、聚酸酐等。

而骨骼等较“硬”的组织受损时一般使用高分子聚合物、陶瓷、金属、复合材料来制备生物支架，在使用高分子聚合物做“硬”组织支架时，由于高分子聚合物的机械性能较低，需要添加增强体从而使高分子聚合物形成复合材料。常用的“硬”组织支架材料有：羟基磷灰石、磷酸三钙、偏磷酸钙、生物玻璃、复合材料、金属等[4]。

2 组织工程支架制备方法

经过多年的快速发展，许多现有的技术被用于组织工程支架的制备中。以下将简要介绍几种常用的组织工程支架的制备方法。

2.1 相分离技术

根据引起聚合物溶液相分离的因素，相分离技术可以分为热诱导相分离（TIPS）和非溶剂诱导相分离（NIPS）。Gundula[6]等利用热诱导相分离技术制备了孔径分别为100 nm和200 nm的聚乳酸（PLLA）支架，将关节软骨细胞和鼻中软骨细胞固定于PLLA支架上，分别培养7天和14天，进而研究细胞在支架上的附着能力、形态、体外细胞活性等，结果研究表明关节软骨细胞和鼻中软骨细胞在该支架上生长状态良好。Kim[7]等利用非溶剂诱导相分离的方法制备了具有多孔的聚己内酯（PCL）/羟基磷灰石（HA）复合骨科支架，并研究了不同的HA的添加量（0%、10%、15%和20%）（质量分数）对复合材料微观结构的影响，研究结果表明合成的该复合材料孔隙率较高、机械性能高，并且具有较好的生物相容性。热诱导相分离技术主要由温度来调控，该方法可以获得大小可控的孔径以及孔隙率，但是只适用于热塑性材料；非溶剂诱导相分离只适用于没有溶剂的体系中，最终得到较大孔径和孔隙率的支架，缺点是在操作过程中用到了有机溶剂。

2.2 冷冻干燥技术

冷冻干燥技术主要运用升华的原理。将聚合物溶解在合适的溶剂中，控制温度至聚合物溶液的冰点，通过固体溶液的升华获得多孔支架。王[8]等利用冷冻法制备了聚乳酸、聚乙醇酸、壳聚糖和海藻酸钠支架，在聚合物溶液的冷冻过程中产生了多孔结构，随后在冷冻条件下使聚合物凝固，因此多孔结构在随后的干燥阶段不会被破坏，制备的支架孔隙率大于0.8，孔径60～150 mm。Healy[9]等用冷冻法制备了可生物降解的多孔聚乙醇酸支架，孔隙率为91%～95%，孔径为13～35 um（较大孔径大于200 μm），比孔面积为58～102 m2/g。这些支架在组织再生或修复器官等方面得到应用。冷冻干燥技术的优点在于避免使用有毒的有机溶剂，但是需要消耗较多的能量并且准备时间较长。

2.3 发泡法

将包含聚合物、表面活性剂和催化剂的水溶液置于反应器，搅拌器不断搅拌，使之加压升温，当反应器内气体饱和后，骤然降压，此时巨大的压差使混合物表面开始发泡，而后降压、降温，使聚合物固化、结晶，形成多孔结构。Kim[10]等利用气体发泡和颗粒浸出结合的方法制备了聚乳酸/羟基磷灰石复合支架，将大鼠颅骨成骨细胞培养于该聚合物支架上，并于5周和8周后对组织中钙含量进行定量分析，结果表明细胞生长良好。发泡技术避免了溶剂的残留，但形成的孔很小且孔均在支架内部，阻碍细胞生长所需要营养物质的传输。

2.4 颗粒浸出

颗粒浸出总是和其他技术联合使用，例如相分离技术、发泡技术等。Kumar[11]等使用纤维素或羟甲基纤维素利用相分离技术和颗粒浸出技术，最后用高碘酸氧化成功制备出双脱氢纤维素（DAC）膜作为一种潜在的组织工程支架，制备的支架孔隙率在87%～93%之间。最后用人的皮肤呈纤维细胞评价了该支架的生物活性，研究结果表明细胞在支架上附着并扩散。颗粒浸出最大优点是制备的支架孔隙率和孔径可控。颗粒浸出的主要缺点是材料受限，后处理时间长，且存在溶剂残留风险[4]。

2.5 静电纺丝技术

近年来静电纺丝的研究越来越多地倾向于在组织工程中使用。静电纺丝装置主要由四部分组成：高压电源、注射泵、喷丝头和收集器[12](如图2所示)。静电纺丝过程中，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形（即“泰勒锥”），并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。这种方式可以生产出纳米级直径的聚合物细丝。Marques[13]等利用静电纺丝技术制备了聚己内酯（PCL）软骨修复支架，这里将PCL与明胶混合，明胶具有良好的生物学相容性，避免了PCL疏水从而不利用细胞附着、增殖的缺点。此外，在静电纺丝过程中引入了聚乙二醇（PEG）颗粒，聚合物通过同步电喷雾混合。这些颗粒随后被去除，形成孔径较大的纤维支架。Chen[14]等利用静电纺丝技术制备了多巴胺（PDA）改性的聚乳酸（PLA）/纤维素（CNF）复合纳米纤维，XPS和拉曼光谱结果表明PDA成功地改性了该复合纳米纤维。人骨髓间充质干细胞（hMSCs）能够更好的在改性后的纤维上粘附、增殖和生长，说明改性后的纤维具有更好的亲水性、生物相容性。静电纺丝技术制备的组织工程支架具有很好的力学性能，不足之处在于在纺丝的过程中容易断丝，导致制备效率下降。

2.6 3D打印技术

3D打印技术与普通打印工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，通过计算机辅助设计，逐层进行断层扫描把“打印材料”层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物[15]。如图3所示，liang[16]等利用3D打印技术打印了聚己内酯/聚乙烯吡咯烷酮复合生物支架，通过对印刷工艺参数温度、电压、流速、打印高度、速度等的优化，最终打印了具有一定高度的三维支架。打印的复合支架用来培养小鼠软骨细胞，实验表明，培养的第5天比第3天具有更高的细胞密度，说明支架具有良好的细胞相容性，并且促进细胞生长和增殖。Wiglusz[17]等利用3D打印技术打印出来了羟基磷灰石/聚乳酸复合支架用于软骨组织的再生与治疗。主要验证掺杂不同浓度的铕（Eu3+）后是否会提高该复合支架的生物相容性，研究了三种不同的离子浓度即1%、3%和5%对脂肪细胞形态、活力、增殖和免疫的影响，最终确定了3mol%铕（Eu3+）的添加使得复合支架具有较高的细胞相容性、促进软骨细胞分化。3D打印技术的最大优点在于打印精度较高，可实现个性化定制，缺点在于打印耗时较长。