高分子生物组织工程支架材料的研究进展

*王心怡

(常州市北郊高级中学 江苏 213000)

高分子生物组织工程支架材料的研究进展

*王心怡

(常州市北郊高级中学 江苏 213000)

生物降解性高分子材料作为生物组织工程支架材料为种子细胞的增殖和分化提供一个生长和代谢场所,是组织再生的框架.植入人体后可降解为无毒的小分子被人体代谢排出体外,避免二次手术,减少患者痛楚.这类高分子材料必须具有良好的生物相容性和可调的生物降解性,同时还具有一定的形状维持性和力学性能.本文主要介绍了高分子组织工程支架材料的种类、制备方法及其应用,并展望了高分子组织工程材料在生物医学领域的发展前景.

生物组织工程;高分子材料;支架材料

1.引言

在组织工程技术出现之前,临床医学上对皮肤烧伤或组织器官损坏的患者的治疗存在极大的难度.传统治疗常常是通过对自身或其他个体进行皮肤或组织器官移植治疗,这常常出现组织器官供体不足或出现免疫排斥而造成炎症或肿瘤反应.而生物组织工程支架是组织再生的框架,将患者自身组织的种子细胞在支架材料上培养生长,组织再生.自身细胞培养的再生组织植入人体后,具有较低的炎症反应,同时,再生组织的来源丰富.支架材料在植入人体后,在体液环境下可降解为无毒的小分子,被人体代谢排出体外.

人体细胞属于贴壁生长细胞,在体外培养与支架材料直接接触.此外.支架材料会随着再生组织一起移植到人体内.因此生物组织工程支架不仅影响细胞的代谢、生长和粘附等.还需具备以下几个特点:①良好的生物相容性;②可吸收性;③可加工成型性;④具较大的比表面积;⑤降解速率可调;⑥具有适宜的力学性能;⑦表面结构利于细胞的粘附和生长;⑧具有耐消毒灭菌性.

2.高分子生物组织工程支架材料的性质

与生物金属材料、生物陶瓷材料和生物复合材料相比,生物医用高分子材料的物理化学特性与人体组织更相近,这使得其成为近年来生物医用材料领域的重要研究对象.

(1)高分子生物组织工程支架材料的生物相容性

70年代初,生物医用材料的生物相容性问题就成为人们研究的关键性问题.当支架材料植入人体后,会产生各种生物化学反应,如:人体自身组织的生物学反应和支架材料的化学反应.同时,还要求支架材料必须对人体不具有毒性、致敏致癌性,也不具有其它的刺激性,也不对人体细胞组织、免疫系统和血液系统产生不良反应.目前,生物相容性是考量材料是否用作组织工程支架材料的首要因素.

通常,高分子支架进入机体产生的免疫排斥反应主要是由于:①支架材料在合成制备过程中残留的毒性低分子化合物或具有毒性的小分子单体;②支架材料在灭菌过程中吸附了化学毒剂以及聚合物在高温裂解为有毒小分子;③支架材料的物理形态以及材料表面的化学性质(如酸碱度等).

(2)高分子生物组织工程支架材料的表面改性

用作组织工程支架的高分子材料在组织工程中的应用存在一些缺陷,如人工合成高分子材料具有亲水性差,细胞不易粘附;而天然高分子材料的降解速率快,不易调控,力学性能差,不易于组织器官的修复再生.因此,可对高分子支架材料表面进行改性,克服其所存在的缺陷.

聚合物支架材料表面的化学性质对细胞的贴附、扩散迁移有重要的影响.当支架材料的表面含有亲水性基团时,有利于细胞的粘附和繁殖.通常在材料表面吸附蛋白质类物质,如胶原、短序列氨基酸、多糖、糖酯等改变支架材料表面的化学结构,就可促进细胞的粘附、繁殖和迁移.研究表明,对高分子支架材料的表面进行化学改性和微观物理形态调整,则可以避免高分子不易于细胞粘附、迁移和增殖的缺陷.

(3)高分子生物组织工程支架材料的生物降解性

高分子支架为细胞的生长繁殖、生存代谢提供了一个三维网状空间场所.支架材料随同培养的组织再生器官植入人体内,其不仅需要具备良好的生物相容性以免产生炎症等免

疫反应,而且在机体内能够发生生物性降解,其降解产物无毒性,能够被人体吸收或代谢排出.可吸收高分子骨架的降解周期应该取决于其应用组织的修复能力,特别取决于器官或组织再生所需要的时间.因此,生物可降解材料在组织工程的成功应用主要取决于材料的生物降解速度的可调控能力以及降解其产物是否具有毒性.

3.高分子生物组织工程支架材料的制备

(1)纤维粘结法

该方法是利用聚合物在有机溶剂中的溶解性的溶解或聚合物的熔融,将聚合物/有机剂的混合溶液倾注到聚乙交酯纤维网状结构上,对聚合物有机溶剂加热处理后,得到聚乙交酯纤维增强的三维网状支架.该方法制备的支架的强度和比表面积都较高,但存在孔隙率不易控制的缺点.

(2)溶剂浇铸法

该方法是将粒径较小的无机盐分散到聚合物的有机溶剂中,无机盐不溶于溶剂.然后将聚合物混合溶液浇铸到玻璃板上,待溶剂挥发后得到聚合物薄膜.最后用溶剂将薄膜中所含的无机盐溶解,留下细孔,得到含空隙的聚合物薄膜 .膜的孔隙率和孔径的大小都可以通过控制所加无机盐的多少和颗粒直径的大小来进行调控,这对制备多孔支架及其重要.但是该方法也存在一定的局限性,只能获得薄膜材料而很难得到三维空间支架.

(3)相分离法

在制备高分子支架时,采用相分离法可避免活性物质在机体化学环境和制备高温环境下失活.该方法是将高分子聚合物在有机溶剂中溶解并加入活性分子,该体系冷却后形成液-液相,然后急冷,固化,再通过升华去除有机溶剂,得到含有活性物质的多孔支架.

(4)微球烧结法

微球烧结法是利用乳液或溶剂蒸发的方法术合成陶瓷/聚合物成分的复合微球,然后烧结复合微球形成三维多孔支架.微球烧结法制备的支架材料的形状多样,且支架材料的孔隙率可控.可将生长因子包裹在复合微球中,通过对材料的降解速率的控制来实现生长因子的可控释放.但该法所制备的多孔支架的孔隙间的互通性较差,且该制备过程中需使用有机溶剂,不符合绿色环保的发展理念.

4.高分子生物组织工程支架材料的应用

(1)人工皮肤

用高分子材料制成三维支架材料,选取患者的无细胞真皮基质,以胶原为主要原料,在体外制备具有生命活性的三维基质细胞,三维网状支架给细胞提供了类似其在体内生长、组装的环境.组织工程皮肤能够对烧伤或烫伤患者进行皮肤移植,修复受损皮肤.此外它还能模拟人体肌肤进行试剂的毒性鉴定.

(2)人工神经

研究表明,人体神经细胞在体内外均无分裂分化的能力,但其在适当的环境引导下可以再修复.将聚合物管状导管支架置于受损神经的断端,聚合物神经导管可以对神经细胞进行引导和导向,使进神经细胞的生长和修复.选择制备导管的高分子材料的降解周期与神经生长速度一致是选择组织工程材料的关键,早期的神经导管选用的材料是硅橡胶.

(3)人工血管

高分子生物支架材料也可用作人工血管,而血管内皮细胞是典型的贴壁生长细胞.因此,需对高分子人工血管支架材料的表面进行改性处理,通常在材料表面吸附或固定纤连蛋白、层粘连蛋白或玻连蛋白,以提高支架材料与血管内皮细胞的粘附,促进细胞的生长扩增和增殖.为了促进细胞的生长和避免血栓的形成,在人工血管支架中添加生长因子、血小板活化因子和抗凝因子等活性物质,待人工血管植入人体后,将其缓慢释放,促进组织的修复再生,形成新血管.

5.结论

高分子生物材料由于其降解速率可控且降解产物无毒性、与生物体具有良好的生物相容性、化学结构及其表面可改性性能好而被广泛用作生物组织工程支架材料,近年了发展迅速.但高分子生物支架材料的应用仍面临很多挑战,如天然高分子材料具有良好的生物相容性和降解性,但其力学强度较差,不易塑形.而人工合成高分子材料孔隙率高,降解速率可控,但亲水性差,对细胞亲和力弱.为了解决目前高分子材料的缺陷,提高其在临床医学上的应用,需合成出具有具有不同强度、不同孔径结构、降解速度可控,并能释放各种生物活件物质引导和诱导细胞组织器官修复再生的高分子支架材料.

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王心怡,女,常州市北郊高级中学;研究方向:材料.

Research Progress of Polymer Biological Tissue Engineering Scaffold Materials

Wang Xinyi
(Beijiao Senior High School of Changzhou City, Jiangsu, 213000)

Biodegradable polymer materials, as biological tissue engineering scaffolds, provide a growth and metabolism site for the proliferation and differentiation of seed cells and are the framework of tissue regeneration. It is implanted in the human body and can be decomposed into non-toxic molecules that are metabolized and excreted out of the body, avoiding secondary surgery and reducing the patient's pain. This kind of polymer materials must have good biocompatibility and adjustable biodegradability, and also certain shape maintenance and mechanical properties.This paper mainly introduces the types, preparation methods and application of polymer engineering scaffold materials, and prospects the development prospect of polymer engineering materials in the field of biomedical engineering.

biological tissue engineering;polymer materials;scaffold materials.

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