组织工程支架材料研究进展及发展前景

李秋果 (长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434025)

组织工程支架材料研究进展及发展前景

李秋果 (长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434025)

组织工程支架材料在组织工程研究中起中心作用，不仅为特定的细胞提供结构支撑作用，而且还起到模板作用，引导组织再生和控制组织结构。研究开发具有良好性能的组织工程支架材料是组织工程的热点之一。对组织工程常用支架材料的种类及应用、支架材料的表面修饰、支架材料的仿生以及纳米支架材料进行了综述，并展望了其发展前景。

组织工程；支架材料；表面修饰；仿生；纳米

组织工程一词是1987 年由美国国家科学基金会正式提出和确定的，它应用生命科学和工程学的原理与技术，研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态生物替代。组织工程的核心是建立细胞与生物材料的三维空间复合体，即具有生命力的活体组织，用来对病损组织进行形态、结构以及功能的重建并达到永久性替代。

种子细胞、支架材料和细胞生长调节因子并称为组织工程的三大基本要素，而支架材料在组织工程研究中起中心作用[1]，它不仅为特定的细胞提供结构支撑作用，而且还起到模板作用，引导组织再生和控制组织结构。因此，用于组织工程的支架材料是组织工程的基础，是组织工程成败的关键因素，寻找具有良好生物相容性和生物降解性的支架材料是组织工程的一个重要方面。

1 组织工程对支架材料的要求

支架材料不仅影响细胞的生物学行为和培养效率，还决定着组织移植后与机体的适应、 结合以及修复效果。用于组织工程学的理想支架材料必须满足以下要求：(1)良好的生物相容性：对种子细胞和机体无毒性，不引起炎症和免疫排斥等不良组织反应，不引起细胞突变；(2)良好的生物降解性；(3)良好的生物力学性能：为细胞提供适宜的微应力环境，保持所培养组织的结构形貌完整性和稳定性[2]；(4)良好的材料-细胞界面关系：如材料表面的化学结构、拓扑结构、电荷状况、亲/疏水性、与细胞的亲和性，易于消毒，生产、纯化简单等[3-6]；(5)适当的孔径尺寸、高孔隙率以及高表面积。

2 常用的组织工程支架材料

2.1 天然高分子材料

天然高分子材料来源于生物体，能最终降解为多糖或氨基酸而被机体吸收，能保证足够的细胞和组织亲和性，是组织工程支架材料发展的一个重要方向，包括胶原、明胶、弹性蛋白、纤维蛋白、纤维素、几丁质、甲壳素、海藻酸盐、壳聚糖、葡聚糖、氨基酸类聚合物等。天然材料的优势在于含有利于细胞吸附或维持不同官能的信息，如特定的氨基酸顺序、肽链、生长因子等，缺点是重现性差，不能大批量生产，力学性能较差，降解速度也不易控制，会带来异种生物携带的病毒基因、抗原性消除不确定等问题[8]。

近年来，对许多天然水凝胶材料如纤维素、壳聚糖、海藻酸钠、胶原等，以及以水凝胶材料为载体的多种可注射型支架的研究很多。这类材料在注射状态下具有可流动性(溶胶) ，但注入体内后则通过物理或化学作用形成具有一定形状和机械强度的支架(凝胶)。杨维东等[7]从新西兰兔耳中分离获得软骨细胞，然后将软骨细胞分别与海藻酸钠载体和温度依赖性合成水凝胶进行混合，采用自体细胞转移方式，将软骨细胞-载体材料皮下注射于新西兰兔，8周后12例标本显示均有成熟软骨组织形成。

2.2 合成高分子材料

合成高分子材料具有物理、力学性能较好；加工性能好，能批量生产和按需剪裁；降解速度和强度可以调节,易构建高孔隙率三维支架；结构和性能可人为修饰和调控等优点，主要包括聚乳酸(PLA) 、聚乙醇酸(PGA) 、聚乳酸与聚乙醇酸共聚物(PLGA)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚羟基丁酸酯(PHB) 、聚四氟乙烯(PTEE) 、聚羟基辛酯(PHO)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 、聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA) 、多聚丙延胡索酸(PPF) 、聚氨基酸、聚磷腈、聚酯尿烷、尼龙、硅胶等。根据研究，这类材料也存在许多不足，如不具备生物活性；对细胞的亲和力弱往往需要引入适量能促进细胞黏附和增殖的活性基团、 生长因子或黏附因子；材料-界面间不能引发生物特异反应；可引起无菌性炎症等。

2.3 生物陶瓷材料

生物陶瓷材料具有无毒，细胞亲和性和生物相容性较好，可在生物体内发生降解，易被新生骨组织吸收和替代，而且具有较高的压缩强度、耐磨性和化学稳定性等优点，是骨组织支架中常使用的材料。主要有羟基磷灰石(HAP)、磷酸钙骨水泥(CPC) 、β-磷酸三钙(β-TCP) 、生物活性玻璃、云母等。生物陶瓷材料也存在一些缺点：降解速度慢，一些材料吸收过慢甚至不吸收，加工困难，形成的支架孔隙率低、脆性大等。

2.4 复合材料

复合材料是由 2 种或 2 种以上的不同材料优化组合而成。天然高分子材料、生物陶瓷材料、合成高分子材料可作为复合材料的基材，又可作为增强相和填料，它们相互搭配和组合可形成大量性质各异的复合材料。Chen 等[11]报道了一系列通过胶原或硫酸软骨素等天然高分子材料与聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸与聚乙醇酸共聚物等复合构建组织工程支架的研究。实验结果表明以上各种组织工程复合支架对软骨细胞、肝细胞及成纤维细胞等都有良好的细胞相容性，可集中多组分的性能优点，弥补各自的不足之处。常见的复合材料有：不同天然高分子材料之间的复合、生物陶瓷材料与天然或合成高分子材料复合、天然高分子材料与合成高分子材料复合等。

不同天然高分子材料之间构建的复合材料，主要是为了使获得的组织工程支架从组分上尽可能地与细胞外基质相类似。采用胶原-壳聚糖、胶原-透明质酸、壳聚糖-明胶等天然高分子材料构建组织工程支架的研究已有报道。Ma等[9-10]对胶原-壳聚糖复合材料做了大量的研究工作，他们以胶原、壳聚糖为主要材料，通过冷冻干燥和结构稳定化，获得了适用于真皮再生的多孔支架。体外细胞培养结果证明复合材料的优点是：细胞能够非常容易地侵入到支架内部并扩增生长，无明显细胞毒性，有良好的生物相容性，且分布均匀。

生物陶瓷材料与高分子材料构建的复合材料主要应用于骨组织工程。通过生物陶瓷材料与胶原、聚乳酸和壳聚糖等高分子材料的复合，能提高骨组织工程的强度及韧性，并且提高支架的生物相容性。

3 支架材料的表面修饰

对生物材料的表面修饰或改性的主要目的是引入具有细胞识别信号的物质，使其在修饰的支架材料上粘附、伸展、增殖更适宜。材料表面修饰方法一般包括化学改性法、杂化改性法、等离子体法、表面固定法、自组装单分子层等。

具有细胞识别信号的物质有：(1)天然高分子聚合物材料，包括胶原、几丁质、纤维蛋白和藻酸盐等，它们包含有细胞识别信号如 RGB序列或生长因子；(2)α-羟基酸与α-氨基酸共聚物材料，氨基酸类聚合物作为蛋白质的基本组成单位，氨基酸链段带有的反应活性官能团侧基可以用来吸附肽链，从而使整个高分子链获得特定的氨基酸顺序，以使细胞能够识别[12]。

3.1 化学改性法

化学改性是通过共聚、接枝等方法来改变材料的组成，从而获得具有良好细胞亲和性的表面。(1)用具有细胞识别信号的天然高分子材料进行改性，如合成高分子材料 PLA 与PGA 本身不具备生物活性，所以与第二单体进行共聚成为其改性最主要的方法。例如，包含有细胞黏附多肽 (RGD) 的PLA，可以为细胞生长提供更为适宜的环境[13]；经壳聚糖修饰后的PLA对鼠颅骨成骨细胞的粘连、增殖和碱性磷酸酶活性均明显提高；(2)用具有细胞识别信号的α-羟基酸与α-氨基酸共聚物进行改性，氨基酸上具有多个活性基团及支链可以与小肽、药物或交联剂等连接。聚氨基酸以酶解为主，能提供多个酶解位点，可通过调节聚氨基酸中各物质的比例来调控其降解速率。Langer 等[14-15]的工作证实PLA和α-氨基酸共聚后，再把 RGD 肽链接枝到氨基酸带有反应活性的官能团侧基上，使之具有细胞特异的、选择性识别位点，增强了聚合物对细胞的亲和性。

3.2 杂化改性法

杂化改性是将不同性质的材料通过杂化而获得具有新性能的组织工程支架材料。(1)添加生长因子的组织工程支架材料，如吸附有生长因子 BMP2 和 TGFB1 的多孔支架材料，实验结果表明这种多孔材料在肌肉中具有良好的异位诱导成骨能力以及较强的诱导成骨活性；(2)添加基因的组织工程支架材料，研究表明生长因子的一次性剂量给药,不能长时间维持其作用的有效水平。现有将特定的细胞因子基因转染到种子细胞中，使其表达蛋白在较长时间内能维持有效水平。如利用胶原作为某种基因载体的研究，转染细胞只要能产生少量细胞因子就有明显作用。

3.3 等离子体沉积法及等离子体聚合法

等离子体沉积可以在材料表面形成所需官能团，抑制材料表面非特异性作用，以及发送表面拓扑结构；等离子体聚合可以在材料表面引入羟基、磷酸基等官能团。例如Ratner 研究组以辉光放电等离子沉积方式形成聚合物薄膜，然后将薄膜与二糖共价键结合，能高度选择性识别许多模板蛋白，如免疫球蛋白、白蛋白、核糖核酸酶、溶菌酶和链霉亲和素，它能使关键蛋白富集，从而促进愈合过程[16]。

3.4 表面固定法

利用生物学原理将蛋白质、多肽、酶、生长因子及细胞等生物活性物质固定在材料表面，如将细胞黏附多肽、骨形成蛋白等固定到支架材料表面，充当配基或受体。聚乳酸与聚氧化乙烯(PEO)共聚，PEO链端头的官能基团能固定生物活性分子，改善亲水性能，并能调节其降解速率，同时PEO可以阻止非特异性蛋白吸附[17]。

3.5 自组装单分子层

Roberts 等[18]以单分子层自组装，成功将细胞粘附蛋白引入材料表面，研究确认端羧基亲水表面有利于成纤维细胞附着和生长。

4 支架材料仿生化

现有的无论是天然材料还是合成材料，都不具备完美的细胞外基质(ECM)功能，于是科学家在仿照天然生物材料ECM的各种组成成分、结构、性能的同时，还对其进行改进，合成和制备出仿生的ECM支架材料。Shen等[19]利用壳聚糖和明胶网络与聚乳酸复合，制备出软骨细胞支架材料。Wang 等[20]用仿生共沉淀法，制备出胶原/纳米羟基磷灰石复合材料。酆波等[21]制备了骨形态发生蛋白7多肽/壳聚糖/纳米羟基磷灰石/胶原的新型仿生复合骨组织工程支架，实验结果表明，它具有良好的细胞相容性，能够促进细胞在其表面增殖、黏附及分化，是一种很有前景的骨组织工程支架材料。

5 纳米支架材料

纳米材料是指其结构单元的尺寸介于1～100nm范围之间，它具有小尺寸效应和表面效应，这两个特性使其能有效地诱导细胞生长和组织再生。纳米支架材料具有良好的生物降解性、良好的可塑性和适宜的力学性能、无免疫原性等特性，使其在组织工程领域具有十分诱人的应用前景。

5.1 表面具有纳米结构或涂层的支架材料

表面具有纳米结构或涂层的支架材料可以改善细胞对材料的粘附性和生物相容性。目前，制备这种支架材料主要采用自组装技术、等离子沉积法、仿生原位沉积法等。Yanagida 等[22]通过纳米羟基磷灰石中钙离子与聚乳酸中羧基间的离子反应，将纳米羟基磷灰石晶体沉积在聚乳酸支架材料表面，研究了支架表面纳米羟基磷灰石涂层对小鼠成纤维细胞L929的粘附情况。体外实验结果表明，纳米涂层有效地提高了L929在支架表面的粘附，认为表面沉积纳米粒子有利于蛋白质吸附，从而为细胞在支架材料表面的粘附提供了物质基础。

5.2 纳米(复合) 支架材料

目前，制备纳米(复合) 支架材料主要采用仿生共沉淀法、等离子沉积法、电化学原位沉积法、溶胶-凝胶法、纳米粉末压制法等。天然骨主要由纳米羟基磷灰石晶体和胶原纤维束组成，纳米羟基磷灰石晶体包埋于胶原微结构中。Du等[23-24]和Banks等[25]采用仿生原位沉积矿化法、陈际达等[26]用电化学原位沉积法，均制备出仿生胶原/纳米羟基磷灰石复合骨支架材料。於娟等[27]以自制纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合材料作为固相，将柠檬酸、醋酸等按一定比例配置成溶液作为液相，制备出可注射型磷酸钙骨水泥，而且显示具有良好的细胞相容性。

6 展望

组织工程支架的最终目的是用于临床治疗，因此有必要在设计和制备中考虑材料的机械性能以有利于手术操作。材料植入是否简便，材料是否可以大规模地稳定生产，材料是否易于消毒，这些要素在基础研究中不是重点，但在实际应用中却非常重要。提供有效的、具有临床应用价值的组织工程支架，是组织工程材料研究的根本目标。

总之，组织工程支架材料是组织工程学研究的一大热点，它的开发具有广泛的应用前景和潜在的巨大经济、社会效益，已被许多发达国家列为 21 世纪最有发展前景的产业之一，它的发展也必将为人类的健康带来福音。

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10.3969/j.issn.1673-1409(S).2012.02.008

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1673-1409(2012)02-S021-05

2012-01-07

李秋果(1978-)，女，河南叶县人，助理研究员，主要从事环境材料研究。