皮肤组织工程支架材料的研究进展

毛淑芳

武汉理工大学华夏学院 （湖北武汉 430223）

皮肤组织工程支架材料的研究进展

毛淑芳

武汉理工大学华夏学院 （湖北武汉 430223）

综述了近年来国内外关于皮肤支架材料的研究现状，重点介绍天然皮肤支架材料中的胶原、壳聚糖和明胶类皮肤支架以及人工合成皮肤支架材料的研究进展。

组织工程 天然皮肤支架材料 人工合成皮肤支架材料

皮肤组织工程[1]是应用组织工程学的方法，先在体外培养高浓度的角朊细胞，并转种在细胞外基质（extra－cellular matrix,ECM）构成的三维支架上培养扩增，将这种角朊细胞-ECM生物复合体种植于创面，ECM可被肌体逐步降解吸收，角朊细胞继续增值，达到修复创面、重建功能的目的。组织工程化皮肤的研究主要分为三个环节：种子细胞（表皮角朊细胞、成纤维细胞、干细胞），支架材料（胶原海绵、异种脱细胞真皮支架、同种脱细胞真皮支架、人工多聚材料）和体外构建技术。

理想的支架材料应当具有以下特征[2]：（1）有良好的生物相容性，无明显炎症反应、免疫反应和细胞毒性。（2）材料与组织细胞间有良好的界面关系，有利于细胞的黏附、铺展和繁殖等功能。（3）材料便于加工成为在分子水平、宏观水平上理想的二维、三维空间结构，在移植后能保持原来的形态，且具有生物可降解性和适宜的降解速率，即在体外以及植入体内后的降解和吸收速度与细胞和（或）组织生长的速度相匹配。（4）材料可为生长因子的储存和释放及细胞的锚定提供适当的三维位点。（5）具有组织器官所要求的生物力学强度，材料不会在患者活动中塌陷、撕裂、破溃。

1 天然皮肤支架材料的应用研究

用于皮肤组织的支架材料要求能在组织再生后被吸收。目前常用的有胶原、壳聚糖、透明质酸（HA）[3]、明胶、海藻酸盐[4]等天然提取物。

1.1 胶原类皮肤支架

胶原是哺乳动物体内含量最丰富的蛋白质，约含蛋白质总量的1/4～1/3。同时，胶原也是细胞外基质的主要成分，目前已知的胶原有20多种。Ⅰ型胶原是哺乳动物体内分布最广、含量最多的胶原，是骨骼、皮肤、肌腱等的主要成分。胶原通常从富含胶原纤维的组织中提取。从动物中提取的胶原具有与人体胶原相近的氨基酸序列，因而人体对其具有很低的排异性。胶原的缺点是价格较高、力学性能较差，需交联后使用。

上个世纪80年代，美国Yannas等开发了硅橡胶膜/胶原-6-硫酸软骨素海绵双层皮肤。硅橡胶作为表皮临时替代物，提供力学支撑，并在创伤愈合初期控制水分从创面流失；6-硫酸软骨素和硫酸皮肤素增强了胶原海绵的力学性能，同时使皮肤增值速率明显降低。除硫酸软骨素和硫酸皮肤素之外，常用的还有硫酸乙酰肝素、透明质酸、硫酸角质素等多糖类化合物。

美国Integra Life Science公司开发的Integra®人工皮肤（IAS）是用多孔胶原-6-硫酸软骨素作为真皮取代物，它的特点是有效闭合创面，使真皮和表皮再生。胶原-硫酸软骨素真皮层起着生物降解模板的作用，在体内诱导真皮组织再生。真皮层基质的物理力学性能和降解速率应与组织生长速率相匹配，使组织长入的同时抑制创面痉挛。Apligraf于1998年5月被美国食品与药品管理局（FDA）批准用于临床，它以胶原为支架，是第一个含活细胞的真正意义上的组织工程皮肤。

Ma Lie等[5]用冷冻干燥法制备胶原-壳聚糖多孔支架材料，加入戊二醛（GA）作为交联剂，GA增强了材料的生物稳定性，壳聚糖起了一个连接桥的作用。体外实验证明GA交联后的胶原-壳聚糖材料能有效加速成纤维细胞的渗透和增殖；体内动物实验证明该材料能有效地支持和加速成纤维细胞从周围组织中渗透。Vaissiere G等[6]分别用天然Ⅰ型胶原、胶原-糖胺多糖-壳聚糖（collagen-GAG-chitosan,CGC）、两种不同浓度的L-α-二棕榈酰磷脂酸（DPPA-2、DPPA-3）交联的胶原进行成纤维细胞培养。实验结果表明，四种材料都有利于成纤维细胞的生长和真皮的形成，尤其是CGC以及DPPA-2、DPPA-3交联后的胶原海绵。

1.2 壳聚糖类皮肤支架

壳聚糖的前驱物甲壳质是节肢动物角质内主要结构多糖，与基质蛋白及结缔组分间存在多重相互作用。壳聚糖是甲壳质的部分脱己酰化产物，生物相容性良好，可生物降解，具有止血活性和抗炎症性能，并能促进创伤愈合，而且在植入环境中与肌体组织发生多重相互作用，经改性后可用于组织工程化皮肤。

壳聚糖作为人工皮肤支架，常与其它材料复合使用。Mao jinshu等[7]用戊二醛交联壳聚糖和明胶的酸性水溶液得到壳聚糖-明胶杂混聚合物网络水凝胶，利用其中的水作为致孔剂，通过控制预冻过程的传热模式制备出双层多孔支架。实验结果表明，该支架适合成纤维细胞黏附和增殖。向支架底层种植人成纤维细胞扩增3周后再在表层种植人角质形成细胞扩增1周，结果表明壳聚糖-明胶双层支架可作为人工皮肤支架。

Mao Jinshu等[8]研究壳聚糖-明胶膜或支架，将透明质酸与1-乙基-3-（3-二甲基氨丙基）-碳化二亚胺（EDC）和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）共交联。加入透明质酸提高了材料的弹性，有利于成纤维细胞的黏附，通过交联同时降低了壳聚糖-明胶支架的降解速率。Liu H F等[9]也研究了用冷冻干燥法制备壳聚糖-明胶-透明质酸支架材料，成纤维细胞培养结果表明细胞生长和增殖良好，有很强的生存能力；在支架上进行角朊细胞和成纤维细胞联合培养，构建人工双层皮肤，该皮肤有弹性、机械性能好，可以作为一种皮肤代用品。

1.3 明胶类皮肤支架

明胶是胶原的控制水解衍生物，富含甘氨酸（X）和羟基脯氨酸（Y），可作为细胞培养的支架以及生长因子的控制释放载体。Choi Y S等[10]将明胶和海藻酸钠的混合水溶液冷冻干燥制备出海绵状多孔支架，白明胶中添加亲水性的海藻酸盐可增加海绵的孔隙率。将该多孔支架材料用于修复大鼠背部皮肤缺损，12 d后能形成几乎完整的新上皮，在海绵中负载黄胺嘧啶银（AgSD），伤口愈合效果更佳。Choi Y S等[10]还研究了明胶与透明质酸支架材料，加入交联剂如1-乙基-3-（3-二甲基氨丙基）-碳化二亚胺等，该海绵材料交联度为10%～35%，平均孔径40～160μm，有孔性达35%～67%，抗张强度为10～30 N/cm2。

Wang Tzuwei等[11]模拟人皮肤结构制备了一种双层明胶海绵，该材料的微观结构与表皮、真皮之间的连接膜类似。6-硫酸软骨素和透明质酸的加入为细胞的增殖和迁移创造了一个有利的微环境。与碳化二亚胺交联后的明胶机械强度提高。角朊细胞培养可看到成倍的类表皮层，表明该双层支架材料是一种潜在的皮肤代用品。

2 人工合成皮肤支架材料的应用研究

除天然可降解材料外，许多人工合成的生物可降解材料现在也用得比较广泛。聚羟基乙酸（PGA）和聚乳酸（PLA）等聚乳酸类材料是典型的合成可降解聚合物。由于乳酸和羟基乙酸都是三羧酸循环中间代谢物，且吸收和代谢机理明确并具有可靠的生物安全性，因而聚乳酸和聚羟基乙酸作为第一批可降解吸收材料被美国FDA批准用于临床，是迄今研究最广泛、应用最多的可降解生物材料。作为皮肤组织工程支架材料，聚乙二醇对苯二甲酸酯（PEGT）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）[12]、聚氧乙烯（PEO）[13]等也有广泛应用。

Wang H J等[14]用微调控制瓶在生物可降解多孔PEGT/PET共聚物（PolyActive）上动态种植人真皮成纤维细胞，之后分别用静态和动态两种方法进行培养。分析结果表明，动态培养过程人成纤维细胞分布在支架的孔内，并且有大量细胞外基质沉积。成纤维细胞、胶原以及糖胺多糖的量比在同一条件下的静态培养要多。因为培养介质的流动刺激了人真皮成纤维细胞的增殖，加速了细胞外基质在PolyActive上的沉积，减少了培养时间。

Annette GM等[15]用PEGT/PBT制备多孔、致密的双层支架材料，其中PEGT/PBT量为55/45，PEG分子量为300时最佳。在材料下层种植成纤维细胞培养21 d之后，孔内充满成纤维细胞和细胞外基质，并且有I型、III型和IV型胶原、层粘连蛋白存在。在上层种植角朊细胞，有天然表皮形貌的多层上皮细胞生成。也有一些不足：一些特异性蛋白的表达和定位不一样、表皮过度增殖、缺少基片和锚定区。G JBeumer等[16]也制备了PEO/PBT或PLA双层可降解聚合物基质，它有致密的上层和多孔的下层，可用于三维、大面积皮肤损伤。

Yang Jian等[17]制备了PLA和PLA与PGA的共聚物（PLGA）支架材料，用无水氨等离子处理材料进行表面改性，以增强细胞黏附力。细胞培养结果显示孔径小于160μm有利于成纤维细胞的生长。细胞种植率达99%以上，这比用乙醇预湿等常规方法更好。等离子法避免了细胞在种植时丢失以及因乙醇残余而产生的负面影响。石桂欣等[18]首先制备了PLA、聚乳酸-己内酯（PLACL）多孔支架，并以生物相容性较好的猪的无细胞真皮（ADM）为参比，分别把三种材料植入大鼠背部肌层，术后定期取大鼠皮下埋藏组织进行组织学检测。结果发现PLA与PLACL多孔支架的降解周期、力学性能、孔隙率及其孔径都可以根据皮肤组织工程中的要求进行调控。组织学检查显示，移植物内无明显炎性细胞，21 d后，均完全血管化且分布较均匀。说明PLA与PLACL的生物相容性较ADM差，但并未出现明显的异物排斥反应，两者的生物相容性基本上可以满足组织工程中对支架的要求，这为聚乳酸类人工皮肤的进一步研究提供了有意义的实验依据。

3 展望

组织工程化皮肤在临床上主要应用于烧伤、慢性溃疡、创伤皮肤缺损以及先天性皮肤软组织缺损等创面。支架材料是组织工程化皮肤研究中的必要环节，许多研究者在该方面开展了大量研究工作，从最初的皮肤敷料发展到现在的模拟人皮肤结构的复合型皮肤，支架材料的选材以及不同的制备加工方法也在不断地完善和创新，但迄今为止还没有一种皮肤支架材料能完全符合生物相容性好、可降解且降解产物对人体无害、有一定的力学强度、可塑形、材料降解速度与细胞或组织生长的速度相匹配等方面的要求，如胶原有免疫原性、力学性能较差；聚乳酸类支架材料生物相容性差、易出现无菌性炎症反应等问题，因此还需要在这些方面作进一步的努力。

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Research Progress of Scaffolds for Skin Tissue Engineering

Mao Shufang

The research situation of the skin tissue engineering scaffolds in recent years at home and abroad is reviewed,focusing on the research development of some nature skin tissue engineering scaffolds such as collagens,chitosans and gelatins.Also,advance of synthetic scaffolds is specially introduced.

Tissue engineering;Nature skin scaffold;Synthetic skin scaffold

TQ 431.3

2014年1月

毛淑芳 女 1982年生 2006年武汉理工大学毕业 硕士研究生 讲师 研究方向：药用高分子材料 已发表论文6篇