组织工程用生物材料及细胞支架研究进展.doc

组织工程用生物材料及细胞支架研究进展 组织工程作为一门新学科是20世纪80年代末才在国际上得到确认的，然而考古发现，我们的祖先远在数千年前就已 开始应用组织工程概念。例如：在公元前4 000年人类就已有了缝合和闭合创口的方法，公元前2 000年已开始使用金属来修补骨头，本世纪初人们就开始使用天然组织(羊膜和胎盘)来修复皮肤，只是由于当时没有免疫反应的知识而未能成功，也由此放弃了 使用天然组织的努力而改为致力于使用合成材料作为医用植入物。金属学的进展又促进了把金属作为骨重建和牙的修补材料，第一次世界大战的严重伤亡，确立了用 不锈钢和其它金属作为矫形植入材料的地位；第二次世界大战后高分子工业的大发展，开发了大量具有优良性能的新材料。但基于当时的认识是“作为生物材料的高 分子应稳定性越高越好”，因此当时主要着眼于如涤纶、氟纶和硅橡胶等类生物惰性高分子；直到80年代，在认识到当植入物和周围组织间存在相互作用可更有利 于创口修复后，才修正了对生物材料必须是生物惰性物质的不正确认识，并从而转向将材料科学同免疫学和细胞生物学的知识相结合，并设计和制备降解性高分子， 开展了将此用于制备人体器官及组织代用物的组织工程研究，并取得了良好的效果［1］。　　组织工程的三大要素是：种子细胞、生物材料及组织和器官的形成和再生，其中生物材料具有不可替代的主要作用。因此，根据组织工程的发展历史也可以说：组织工程的发展与材料科学的发展有密不可分的关系。 1　组织工程用生物材料的基本要求 　　作为组织工程细胞支架的生物材料，一般必须具有以下的性能：生物可降解性、良好的生物相容性和细胞亲和性、一定的力学性能、可加工性及可消毒性［2］。　 　由于组织工程中细胞支架的作用是为细胞增殖营造环境，且应随着细胞的繁殖而逐渐降解、消失，将空间让位于细胞，使所形成的组织和器官具有细胞支架相似的 几何形状。因此作为细胞支架的高分子材料必须具有生物降解性，即在生理或体内环境下，组成材料的高分子链能自动断裂，并由此形成的小分子能逐渐被机体代谢 或吸收。此外，还要求材料的降解速度与细胞的增殖速度相匹配，以及由降解所形成的小分子不对细胞繁殖产生不利的影响。因此组织工程的细胞支架材料必须具有 生物降解性和一定的降解速度、良好的生物相容性及细胞亲和性。　　此外，组织工程的细胞支架，不仅应有在细胞培养操作中保持形状、不会破碎的力学强度外，从临床应用出发，细胞支架还必须具有一定的柔韧性，能与机体缝合、并能与机体贴合，也不会对机体组织形成机械损伤的力学性能。 2　生物降解高分子 　　目前在组织工程中用作细胞支架的生物材料主要是一些天然高分 子、天然无机物和合成高分子。天然高分子有甲壳素、壳聚糖、海藻酸盐、胶原蛋白、葡聚糖、透明质酸、明胶、琼脂等；天然无机物有羟基磷灰石、珊瑚礁等；合 成高分子有脂肪族聚酯、聚酸酐、聚膦腈、聚原酸酯、聚醚等［3］。　　天然高分子及天然无机物一般都无毒、亲水、生物相容 性及细胞亲和性好，但缺点是质量受产地、原料来源等影响，因而重复性差。此外，有些天然高分子强度和加工性能都较差，有的价格极高，使之难以直接作为细胞 支架使用。此外天然无机物的力学性能差、降解速度快、加工性能差。　　合成高分子的生物相容性及细胞亲和性一般不如天然高分子，但合成高分子在生 物降解速度、力学性能、加工性能和价格等方面都比天然高分子为优，可调性也大。目前应用较多的合成高分子是脂肪族聚酯类生物降解高分子，主要有聚乙交酯 (PGA)、聚丙交酯(PLA)、和共聚(乙交酯-丙交酯)(PLGA)。这些材料都已获了美国FDA的批准，此外降解速度也较快。然而，由于PGA的高 度结晶性，使其溶解性极差，以致PGA含量高的PLGA也难以溶解，因此往往难以加工成型和应用。此外，PGA的力学性能也不能令人满意。　　由 于不同的组织工程对象对细胞支架有不同降解速度、亲水性和力学性能的要求，因此基于PGA的高降解速度、PLA的高强度及PCL的低降解速度和高药物透过 性，可以在高分子设计的基础上合成一系列具有不同降解速度及力学性能的脂肪族共聚内酯，通过对材料组分、组成比、分子量、分子量分布等的控制，可以调节材 料的生物降解速度在几周至几年间变化。如今已合成的不同脂肪族聚内酯有：聚乙交酯(PGA)、聚-D，L-丙交酯(PDLLA)、聚-L-丙交酯 (PLLA)、聚己内酯(PCL)、聚(乙交酯/丙交酯)二元共聚物(PLGA)［4］、聚(乙交脂/己内脂二元共聚物(PGC)、聚(丙交脂/己内脂)二元共聚物(PLC)和聚(乙交酯/丙交酯/己内酯)三元共聚物(PGLC)［5］等。此外，聚醚类高分子如聚乙二醇(PEG)、聚丙二醇(PPG)以及环氧乙烷/环氧丙烷的共聚物(Pluronic)等，由于具有优良的生物相容性及可注射成