生物新材料在组织工程中的研究及利用|伦敦大学学院生物材料与组织工程

　　组织工程是指应用生命科学与工程的原理和方法，构建一个生物装置，来维护、增进人体细胞和组织的生长，以恢复受损组织或器官的功能。它的主要任务是实现受损组织或器官的修复和再建，延长寿命和提高健康水乎。其方法是，将特定组织细胞“种植”于一种生物相容性良好、可被人体逐步降解吸收的生物材料（组织工程材料）上，形成细胞－生物材料复合物；生物材料为细胞的增长繁殖提供三维空间和营养代谢环境；随着材料的降解和细胞的繁殖，形成新的具有与自身功能和形态相应的组织或器官；这种具有生命力的活体组织或器官能对病损组织或器宫进行结构、形态和功能的重建，并达到永久替代。近10年来，组织工程学发展成为集生物工程、细胞生物学、分子生物学、生物材料、生物技术、生物化学、生物力学以及临床医学于一体的一门交叉学科。
　　生物材料在组织工程中占据非常重要的地位，同时组织工程也为生物材料提出问题和指明发展方向。由于传统的人工器官（如人工肾、肝）不具备生物功能（代谢、合成），只能作为辅助治疗装置使用，研究具有生物功能的组织工程人工器官已在全世界引起广泛重视。构建组织工程人工器官需要三个要素，即“种子”细胞、支架材料、细胞生长因子。最近，由于干细胞具有分化能力强的特点，将其用作“种子”细胞进行构建人工器官成为热点。组织工程学已经在人工皮肤、人工软骨、人工神经、人工肝等方面取得了一些突破性成果，展现出美好的应用前景。
　　专家预计，新型组织工程的开发具有广阔的市场前景。目前，发达国家都投入巨资开展组织工程产品的研发。我国“十五”、“十一五”规划也将组织工程列入重点发展的领域之一，是“973”、“863”计划等资助的重要方向。福建是海洋大省，贝壳类海产品极为丰富，支架材料的来源非常广泛，且成本比现有的合成材料低三分之二，发展这一项目具有得天独厚的条件。
　　
　　替代输尿管缺损的组织工程学材料
　　
　　简介：随着组织工程学技术的发展,组织工程学材料之一--ECM作为修复缺损区的材料得到了广泛应用。该材料具备二个特点:(1)作为异体组织材料,在经特殊脱细胞处理后,已无含细胞抗原的细胞成分,仅保留了由胶原蛋白,蛋白多糖,糖蛋白等低抗原物质构成的ECM。ECM的种属差异小,抗原性弱,移植后不易产生排斥反应。(2)该材料可为细胞提供生存的三维空间,有利于细胞获得足够的营养物质,进行气体交换并排除废物。将输尿管ECM移植于缺损区后,保持输尿管完整性,保证尿液流通的作用,同时还可作为自体输尿管细胞生长框架,诱导自体细胞长入其内。因输尿管有极强的再生能力,移植后自体输尿管将形成新的具有原来功能和形态的输尿管,达到修复和重建的目的。
　　意义：为寻求理想的输尿管替代材料，该项目应用组织工程学材料--同种异体脱细胞输尿管细胞外基质作为输尿管替代材料,并在动物实验取得满意结果的基础上,成功应用于临床。
　　项目负责：北京积水医院泌尿外科；申鹏飞
　　湖南医科大学湘雅医院泌尿外科；胡杰
　　杰雅莱福生物技术公司技术部。
　　
　　组织工程角膜生物材料载体制备
　　
　　简介：成年York猪角膜基质材料，以Triton联合0.25%胰酶，处理30 min～3 h为材料1；Triton联合DNA、RNA酶，处理8～14 h为材料2；Triton联合0.25%胰酶、DNA-RNA酶，处理3～5 h为材料3。3种材料用无水氯化钙脱水干燥保存。在材料上接种兔角膜基质成纤维细胞，观察细胞生长情况。
　　结果：材料1、2细胞脱出不完全，处理最佳时间分别是2h和10～12h，角膜基质网状间隙无明显增大；接种兔角膜基质成纤维细胞后，3～4d细胞死亡；植入兔角膜基质中有明显的免疫排斥反应。材料3脱出细胞完全，其脱细胞处理的最佳时间为4 h，角膜基质纤维结构无破坏，呈三维网状结构，网状间隙明显增大；接种兔角膜基质成纤维细胞后，细胞在材料上贴附生长良好；将其植入兔角膜基质中无炎性及排斥反应，可逐渐降解吸收，有良好的生物相容性。
　　意义：比较用不同的方法脱细胞处理异种（猪）角膜基质制备组织工程角膜支架材料，并对其生物相容性进行研究。试验证明：Triton联合0.25%胰酶、DNA、RNA酶法处理的异种（猪）角膜基质具有良好的生物相容性,可作为一种组织工程角膜的支架材料。
　　项目单位：武警陕西总队医院
　　第四军医大学口腔医学院组织病理学教研室组织工程实验中心
　　第四军医大学西京医院。
　　
　　应用于心肌组织工程的支架材料
　　
　　简介：本发明属于组织工程领域，具体涉及一种应用于心肌组织工程的支架材料的制造方法。该支架在组成上尽量模拟心肌细胞的细胞外基质成分。它的原始形态为一种液态水凝胶，主要由液态胶原(I型和III型等)、弹性蛋白、层粘连蛋白、鸡胚抽提物、2×DMEM和胎牛血清等组成。将这些成分按适当的比例混合即可形成类似于天然心肌组成的支架材料，与心肌细胞混合后可铸成各种形状心肌细胞-支架材料构建物。用这种支架材料可构建出一致跳动的组织工程化心肌组织。
　　意义：一种应用于心肌组织工程的支架材料的制造方法。根据天然心肌细胞外基质的主要组成分按适当的比例和步骤混合而成，具有促进心肌细胞生长和跳动的生物学特性和力学性能。
　　项目负责：中国人民解放军军事医学科学院基础医学研究所。
　　
　　可降解聚合物用作骨组织工程细胞外基质材料
　　
　　简介：现有的骨替代材料用作骨组织工程细胞外基质材料都或多或少的存在一些缺点。人工合成可降解聚合物材料由于其组成成分、分子量、表面微结构、大体形态、机械性能、降解时间等都能预先设计和调控，最后基本降解完全，避免了长期异物反应的危险，但是相比天然生物材料，人工合成材料最大的缺点是缺乏细胞识别信号，不利于细胞特异性粘附及特异基因的激活。为了增强材料对成骨细胞的粘附力，采取吸附或溶剂链接的方法，将纤维连接蛋白(fibronectin,FN)、胶原或某些促细胞粘附氨基酸短肽如精氨酸-甘氨酸一天冬氨酸(Arg-Gly-Asp,RGD)短肽和天冬氨酸-甘氨酸-谷氨酸-丙氨酸(Asp-Gly-Glu-Ala，DGEA)短肽引入基质材料的表面或整体，必将促进细胞粘附，增强生长代谢。
　　意义：该项目进一步相信随着材料科学及其制作加工工艺的不断发展，以及对材料-细胞相互作用研究的不断深入，以合成可降解聚合物为主要成分的有利于成骨细胞粘附和分化的新型基质材料在骨组织工程研究领域必将展现喜人的应用前景。
　　
　　骨组织工程多孔支架材料
　　
　　简介：本项目研究包括钙磷生物陶瓷粉末的合成，可降解聚合物聚乳酸的合成，以及生物陶瓷、聚乳酸及天然聚合物材料多孔体的制备，应用多孔支架对兔胫骨骨缺损进行修复的研究。
　　1） 对钙磷生物陶瓷粉末的合成工艺过程进行了改进，应用Ca(OH)2与H3PO4中和反应，成功制备了β-TCP和HA粉末，具有工艺简单、合成量大的优点。
　　2）以Al、Mg酸式磷酸盐为粘结剂，钙磷陶瓷粉体为原料，采用有机泡沫浸渍工艺制备了骨组织工程多孔支架。通过对原料和成形过程的控制，可以改变支架中磷酸盐组成，调控支架的降解速度。
　　3）以冰微粒为致孔剂，开发了制备块状聚合物多孔支架的冷冻干燥―粒子滤出复合方法，用此方法制备的聚乳酸块状多孔支架无致孔剂残留，可解决目前国际上大孔、块状聚合物多孔支架成形的工艺难题。
　　4）将种子细胞种植于多孔支架上进行培养，构成种子细胞―支架复合体，研究了支架的细胞相容性。并制备了动物骨缺损模型，将种子细胞―支架复合体植入，修复骨缺损，初步结果满意。
　　5）掌握了纳米抗菌材料粒子单分散工艺，在天然聚合物多孔膜片上复合纳米抗菌材料，制备了多孔生物材料复合膜片，可作为新型密闭性伤口敷料用于伤口治疗。
　　意义：合成的生物陶瓷和聚乳酸材料在生物材料领域具有广泛的用途，研制的多孔体可应用于骨、软骨组织工程及用作药物缓释载体。
　　项目单位：东南大学。
　　
　　骨髓间充质干细胞生物特性及其构造组织工程软骨
　　
　　简介：软骨构建及软骨缺损的修复组织工程学是20世纪80年代末发展起来的一门新兴边缘学科。MSCs在适宜的体内或体外环境下，不仅可分化为间充质组织，还可以保持内外胚层的组织发育分化潜能，可以分化成神经系统、肝、肺、上皮组织等。干细胞中的MSCs固有的优势和特性将在软骨组织修复中成为首选种子细胞, 可通过取自体且体外扩增的MSC回植自体内修复重建软骨组织缺损。多项实验表明在地塞米松的作用下，MSCs可以向骨、软骨、脂肪甚至肌细胞等方向分化。在体外培养的骨膜细胞中加入TGF-β1后，可诱导其分化为软骨细胞。TGF-β1在MSCs定向分化为软骨细胞的过程中起到了非常关键的作用。TGF-β1能诱导MSCs转化为软骨细胞，同时对软骨细胞的分化和功能具有双向调节作用，促进未分化或分化早期软骨细胞DNA 合成、增殖、分化及细胞外基质的合成，抑制成熟软骨细胞的增殖和分化。TGF-β1在MSCs生成软骨诱导分化中发挥重要作用，其作用机制目前尚不清楚。
　　意义：作为细胞移植的细胞源，MSCs具有独特的优越性：①骨髓组织取材容易，可以通过穿刺获得。②骨髓干细胞分离扩增方法简单，成人的MSCs仍保持了多方向分化的潜能。③可以用于自体移植，避免的排斥反应和疾病传播。④人骨髓干细胞移植的方法已经经过临床验证。随着MSCs及其在软骨组织工程中研究的不断深入，相信组织工程软骨将成为软骨缺损修复的最有效方法。
　　项目负责：河北省唐山市华北煤炭医学院附属医院；
　　
　　软骨组织工程用生物降解型可注射的改性水凝胶支架
　　
　　简介：将水溶性氧化、还原引发体系、去离子水、二种生物相容性聚合物的单体按重量比相混合配制成均匀溶液，在恒温水浴中反应，则可得到可用于软骨组织工程的可注射性水凝胶。1.一种软骨组织工程用生物降解型可注射的改性水凝胶支架，其特征在于：将水溶性氧化还原引发体系、去离子水、二种生物相容性聚合物的单体按重量比相混合；其氧化剂∶还原剂∶去离子水∶聚合物单体1∶聚合物单体2为1～120mg∶ 1～70mg∶1～30g∶1g∶0.1～30g配制成均匀溶液，在20℃-50℃恒温水浴中反应1min-60min，则可得到未混悬软骨细胞的凝胶。
　　意义：提供了具有凝胶速度快、凝胶温度恒定、成形后凝胶强度大、保水能力极强、降解速度快又具有良好生物相容性的可用于软骨组织工程的可注射性水凝胶支架。应用前景非常广阔。
　　项目负责：清华大学。