生物医用材料专题2组织工程材料与人工器官软组织修复与重建.doc

专题六 组织工程材料与人工器官---软组织修复与重建 组织工程是指用生命科学与工程的原理构建一个生物装置来维护、增进人体细胞和组织的生长，以恢复受损组织或器官的功能。 传统材料如金属、陶瓷、高分子，植入体内存在着磨损、性能下降、安全性等问题；即使是暂时性植入材料，也存在着力学性能匹配、生物相容性、代谢途径等问题。组织工程学的出现，为人们寻找更为理想的体内植入材料开辟了一条新的途径。 器官移植会产生排斥作用，必须服用药物，这样又会破坏人体的免疫平衡，可能导致肿瘤。组织工程给组织器官的替代修复带来了新的曙光。 组织工程的基本原理和方法 组织工程三要素：种子细胞、支架材料、生长信息分子 支架材料：支架为细胞提供一个生存的三维空间，利于细胞获得营养物质，排除废物，支架应为一种有良好生物相容性，可被人体逐步降解吸收的生物材料。 方法简介：提取组织细胞---体外培养---吸附扩增于三维支架材料上---细胞在预先设计的三维支架上生长---细胞/支架复合体植入病损部位---支架材料逐步降解吸收的同时，种植的细胞继续增殖并分泌基质，形成新的组织器官---新生组织器官成熟后，支架降解排出体外。这种具有生命力的活体组织能对病损组织进行重建并永久替代。 二、组织工程材料—软组织修复与重建 1、组织工程材料应具备的条件 (1)材料能够促进组织的生长，使细胞之间能够沟通，并最大限度地获取营养物、生长因子和活性药物分子； (2)在某些场合能防止细胞激活(如外科手术、防粘连的场合)； (3)指导和控制组织的反应(促进某一组织反应，抑制其他反应) (4)促进细胞粘附及激活细胞(皮肤修复中成纤维细胞的粘附和增殖) (5)抑制细胞的粘附和激活细胞(防止血小板粘附在血管上)： (6)防止某一生物反应的攻布(在器官移植中，阻止抗体攻击同种或异种细胞)。 (7)易于加工成三维多孔支架： (8)支架要有一定力学强度以支持新生组织的生长，并待成熟后能自行降解； (9)低毒、无毒、可消毒； (10)能够释放药物或活性物质如生长激素等。 组织工程材料按件质和应用大致分为生物降解材料、组织引导材料、组织诱导材料和组织隔离材料。下面分别介绍一些近年研究的组织工程材料。 2、生物降解材料：生物降解材料通常分为天然生物降解材料与合成生物降解材料。 天然生物降解材料：与细胞的相容性比较好 1)Ⅰ型胶原 胶原是哺乳动物体内结缔组织的主要成分，共有14种， I型最丰富，且性质优良，因此被广泛用作生物医用材料。 胶原的结构、性能和制备已有详细研究。最基本的胶原结构由3股螺旋多肽链结构组成。直径为1～1.5nm，长约3000nm，每条肽链都具有左手螺旋二级结构。胶原分子的两端存在两个小的短链肽，称为端肽，不参与三股螺旋绳状结构。端肽是免疫原性识别点，可通过酶解将其除去。除去端肽的胶原称为不全胶原，可用作生物医学材料。 胶原在应用时必须交联，以控制其物理性质和生物可吸收性。戊二醛和环氧化合物是常用的交联剂。残留的戊二醛会引起生理毒性反应，因此必须注意使交联反应完全。胶原交联以后，酶降解速度显著下降。 在细胞培养中，多数细胞是粘壁依赖性的，欲使细胞生长、分化、生殖和进行代谢，需要有一个结合位点。胶原分子能提供这样的结合点。例如，成纤维细胞在胶原上生长时，代谢和形态与其在体内生长极为相似，因此胶原分子可以作为组织修复的支架材料。此外，胶原基质能促进新组织的生长。Yannas等人用胶原-硫酸软骨素多孔交联的支架成功地制得人工皮肤。这种人工皮肤能治疗严重烧伤的病人。 明胶是经高温加热变性的胶原，通常由动物的骨骼或皮肤经过蒸煮、过滤、蒸发干燥后获得。明胶在冷水中溶胀而不溶解，但可溶于热水中形成粘稠溶液，冷却后冻成凝胶状态。纯化的医用级明胶比胶原成本低，在机械强度要求较低时可以替代胶原用于生物医学领域。 明胶可以制成多种医用制品，如膜、管。明胶溶于热水，在60～80℃水浴中制备浓度为5％～20％的溶液，如果要得到 25％～35％的浓溶液，则需要加热至 90～100℃。为了使制品具有适当的机械性能，可加入甘油或山梨糖醇作为增塑剂。用戊二醛和环氧化合物作交联剂可以延长降解吸收时间。 2)氨基葡聚糖 氨基葡聚糖是几种由双糖重复单位聚合成高分子直链的杂多糖，一般包括一个醛酸部分(己糖醛酸)和一个胺基糖部分(N-乙酰氨基己糖)。这类化合物有硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素、硫酸角质素和透明质酸，后者是氨基葡聚糖的主要成分。和胶原相似，透明质酸容易进行化学修饰，使羧基变成酯基，降低亲水性，增加粘度。透明质酸无免疫原性，不产生炎症或免疫排斥反应，因此成为令人感兴趣的生物材料，主要缺点是强度和稳定性较差。 目前，对透明质酸