组织工程支架材料yd15940
李玲 周长忍 暨南大学生命科技学院，广州510632
国家973项目（Gl999054306)
原载:材料报导,2001/7; 47
【摘要】对组织工程各个领域应用的支架材料进行了论述，并对组织工程支架材料的最新研究动态进行了研究。
【关键词】组织工程 支架材料 生物活性 生物降解 仿生材料
组织工程是近年来正在兴起的一门新兴学科，其定义为：应用生命科学和工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下结构与功能关系的基础上，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的生物替代物的科学。
组织工程研究包括以下4个方面：种子细胞，生物材料，组织和器官的构建技术，组织工程临床应用等 组织工程的核心为：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，用以对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。
组织工程的基本方法是：将体外培养的高浓度组织细胞扩增后吸附于生物相容性好、可被人体降解吸收的细胞外基质(ECM)——组织工程支架材料上，该材料的功能是为细胞提供生存空间，使细胞获得足够的营养物质，进行气体交换，井使细胞按预制形态的三维支架生长，然后将细胞和生物材料的复合体植入机体病损部位，在生物支架降解吸收过程中，种植的细胞继续增殖繁殖，形成新的具有原来特殊功能和形态的相应组织和器官，以达到修复创伤和重建功能的目的。
在此，可以看到，用于组织工程的生物材料——组织工程支架材料是组织工程的基础，是组织工程领域中一个不可缺少的环节，因此组织工程支架材料自然形成了组织工程的一大分支。
近年来，组织工程支架材料这一领域的研究极为活跃，人们不仅在组织工程的最早产品人工皮肤领域进行了更为完善的研究和开发，同时，在诸如人工骨、软骨、神经、血管材料等各系统都进行了大量的研究和探索，下面对组织工程在这领域的生物材料逐一进行介绍。
1 组织工程支架材料
(1)骨、软骨组织工程支架材料
人工骨的支架材料有两大功能：① 有一定机械强度以支撑组织的高强度材料，以保证材料植入人体后，支撑人体的重量，不改变骨骆形状 ②有一定生物活性可诱导细胞生长分化并可被人体降解吸收。
以前第一种功能的材料为非降解性材料，仅起到支撑固定的作用，但存在一个问题，这就是在骨头愈合后，必须进行第二次手术，以取出这种材料。第二种功能的材料主要是给细
胞提供三维生长空问，其本身具有生物活性，可诱导细胞分化生长和血管的长入。
因此，骨组织支架材料分两类：生物降解型和非生物降解型，
生物降解材料有：纤维蛋白凝胶，胶原凝胶，聚乳酸[1]，聚醇酸及其共聚体，聚乳酸和聚羟基酸类，琼脂糖，壳聚糖和透明质酸等多糖类。
非生物降解材料有：高聚物[2](碳素纤维、涤纶、特氟隆)，金属材料（不锈钢、钴基合金、钛合金)，生物惰性陶瓷(氧化铝、氧化锌，碳化硅)，生物活性陶瓷[3](生物玻璃、羟基磷灰石、磷酸钙)等。
目前研究和使用的骨组织支架材料是降解材料或降解和非降解材料的结合[4]。
(2) 神经组织工程支架材料
神经修复的组织工程支架材料一类是取自于自体的神经、骨骼肌、血管、膜管的天然活性材料；另一类是非生物活性材料，例如脱钙骨管、尼龙纤维管、硅胶管、聚氨酯等。
神经支架材料的功能有：①必须为神经的恢复提供所需的三维空间，既要保证神经导管具有合适的强度、硬度和弹性，使神经具有再生的通道；②要保证其有理想的双层结构：外层提供必要的强度，为毛细血管和纤维组织长入提供营养的大孔结构，内层则可起到防止结缔组织长入而起屏障作用的紧密结构 因此，神经修复所用支架材料一般为：外层是强度大 降解速度慢的可降解材料，内层为具细胞生长活性的降解材料。用于神经修复的内层材料多为胶原和多搪。
目前研究和使用的多为胶原和聚乳酸的杂化材料[5]。
(3)血管组织工程支架材料
血管支架材料类似于神经支架材料，其结构上也分为双层，但内层不同于神经支架材料的是其为与血液相容性好的生物活性材料，该类材料要求不仅具有生物活性，同时还要具有抗凝血和抗容血作用，这类材料一般为经过表面修饰的降解材料[6]、液晶材料、类肝素材料等。而外层则是具有一定机械强度的慢降解材料，外层材料必须为保证内层材料细胞生长提供一定的支撑强度和抗拉强度和韧性。
最早的外层材料一般为：尼龙、聚酯等无妨布或无妨网等。目前，该类材料应用较多的为胶原或明胶蛋白包埋的或表面处理的可降解材料的无纺网，例如聚乳酸、聚羟基酸和多肽
等的无纺布或无纺网[7]等。
(4)肌腱组织工程支架材料
肌腱与韧带组织中的功能细胞分别是肌腱细胞和成纤维细胞，二者在组织来源上均属成纤维细胞型，但肌腱细胞分泌
Ⅰ型胶原，而成纤维细胞分泌Ⅰ，Ⅲ型胶原。因此，肌腱组织支架材料必须可降解，但一定要是降解时间较长的材料。
70年代肌睫支架材料般使用硅橡胶、尼龙聚酯、碳纤维等，目前使用的多是聚酯聚二氧杂环烷等[8]。
(5)皮肤组织工程支架材料[9]
(6)眼角膜组织工程支架材料
人工角膜材料要求透明，吸水，有一定的机械强度，屈光性好等特点，同时，要求可降解。以前常用的材料为HAMA、PMMA，近年来，多采用胶原和聚醇酸[10]等材料。
(7)肝、胰、肾、泌尿系统组织工程支架材料
肝、胰、肾、泌尿系统使用的组织工程支架材料多为可降解材料，目前这方面研究和使用的材料，主要以天然蛋白、多糖与合成高聚物杂化的可降解材料。例如用于肝组织工程支
架的血纤维和聚乳酸[11]，用于泌尿系统的聚乙醇酸等[12]。
2 组织工程支架材料的最新研究动态
(1)天然生物太分子
组织工程仍依赖于天然生物材料，本着方便、易得，取之于自然，用之于自然的原则，利用天然生物材料与人体组织相近和相似共容的优点，目前，仍然大量采用天然生物材料。这类材料都为天然生物大分子，例如，蛋白类、蛋白多糖类、多糖类、蛋白与多糖的杂化类等等[12，14]。
这类材料有着合成材料无法代替的优点，如生物相容性、生物活性、无抗原性等等，是组织工程支架材料的首选资源。可以说，这类材料取之不尽，用之不蝎，是大自然给予人类的恩赐。
(2)人工合成仿天然生物大分子
合成多肽，合成聚多糖[15]，胶原加钙[16]，随着组织工程材料的研究进展，人们吸收了天然材料的结构优点和特点，合成出性能优异但不易得的仿天然高分子材料，例如合成氨基酸、
合成多糖、多糖蛋白、胶原／羟基磷灰石等。
这类材料的特点是，既具备天然高分子的优点，又有合成材料的优点，可以大量地得到，而不必受天然条件的限制。
(3)天然和人工合成材料杂化
由于天然高分子的多项优点和机械性能不理想的缺陷，人们更倾向于把天然高分子与合成材料结台，采取杂化的方式得到各方面性能更为理想的材料。例如胶原与聚乳酸的杂
化[17]，胶原与羟基磷灰石的杂化，壳聚搪与聚羟基酸的杂化，胶原、壳聚糖与其他聚合物，诸如聚偶磷氮，聚酯尿烷的杂化等等。
这类材料既有天然生物材料的优点叉有合成材料所具备的良好机械性能，同时还可以大量得到，是目前最流行和使用最多的方法。
(4)合成制备方法的改进和创新
由于生物材料的合成制备已进行了多年，一般传统的方法已不能满足组织工程学的发展和要求，同时由于纳米技术和其他材料合成、制备手段的出现和改进，组织工程支架材料的合成制备手段也在不断更新和进步。由于组织工程支架材料的应用特点，也使得它的合成制备不仅限于材料的合成或制备，同时在与细胞的结合过程中，因细胞生长的特别要求，而使其合成方法不断地变化和创新。例如生物惰性材料上的表面修饰[18]。 (人工肝、人工血管)，蛋白杂化到PEG中进行表面修饰[19]，PEG上的多肽接枝[20]，人工骨的表面纳米涂层[21，22]，天然材料与聚合物的纳米杂化制备[23]等等，其新方法层出不穷。
5 组织工程支架材料的发展方向
(1)生物活性材料
生物活性材料是组织工程材料的主要方向，组织工程支架材料的要求之就是能够在材料上使细胞生长，因此，合成或制备有生物活性的生物材料是其最重要的发展方向。
(2)生物降解材料
组织工程的发展是使人工制备的材料被人类身体接受和消化 为了使人类在接受了外部植入的材料之后一没有任何不良后果，希望制备各种可降解的生物材料，以满足人体正常代
谢和生存的要求。
(3)仿生材料
自然生物材料有着天然被人体接受的优点，但由于天然生物材料资源有限，以及天然生物材料的某些不尽人意之处，使科学家在仿天然生物材料的同时，改进天然材料的不足，合成和制备仿生材料 仿生材料不仅完全模仿天然生物材料，同时也改进了天然生物材料的不足，例如：牙科材料磷聚合物[24]，神经材料合成多肽与有机材料复合等[25]。
总而言之，组织工程作为一门新兴和交叉学科，其生命力是极其旺盛的，它的发展也将会随着人类对它的要求而不断进步。
4 展望
组织工程是一门正在兴起的，生机勃勃和诱人的科学，它的出现为人类健康和长寿带来了福音，使过去人们对百岁的祝愿和幻想成为可能 组织工程的进展也为人类对提高生命质量带来了美好前景。
细胞工程与生物材料的相互促进，在组织培养和改进中对材料提出的更多更高的要求，将使生物材料更加完善，更加完美，使组织工程这一前程似锦的事业更加辉煌。
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(责任编辑 郑世沛)