生物材料组织工程学概述

从机体内获得少量的活体组织将扩增的细胞与具有良好生物相容性、可降解和可吸收的生物材料按一定比例混合，使其粘附在生物材料上形成细胞-材料复合物用特殊的酶将细胞（种子细胞）从组织中分离出来并在体外进行培养扩增将该复合物植入机体的组织或器官病损部位，随着生物材料在体内逐渐被降解和吸收，植入的细胞在体内不断增殖并分泌细胞外基质，最终形成相应的组织或器官2.定义：运用工程科学和生命科学的原理及方法，从根本上认识正常和病理的哺乳动物组织和结构功能的关系，并研究生物学的替代物，以恢复、维持和改进组织的生物替代物。3.基本原理组织工程研究的基本原理及方法：(1)、直接移植或体外器官制作的杆细胞培养(2)、研制生物相容性好，能为细胞生成、增殖提供三维空间的生物材料支架(3)、种植形成细胞-生物材料复合物，植入机体病损部位(4)、材料降解，细胞增殖，形成新的组织和器官种子细胞＋可降解的生物材料＋细胞外基质有生命的组织或器官修复缺损组织重建功能体外构建植入体内2.组织工程的三要素假体支架种子细胞生长因子1.种子细胞种子细胞是组织工程研究的基础，也是制约组织工程发展的瓶颈。主要原因：许多组织细胞（如软骨细胞、内皮细胞）的供体来源和扩增能力均非常有限，无法通过取少量组织体外扩增细胞来构建大块组织，很难实现“小损伤修复大缺损”的组织工程基本设想。干细胞来源广，增殖力强，又能定向诱导分化为多种目的细胞并形成相应组织，因此，应用干细胞能够实现“小损伤修复大缺损”的基本设想，这为解决组织工程种子细胞问题提供了良好机遇。种子细胞包括组织细胞和干细胞，组织细胞包括：种子细胞来源（1）病人的自体细胞；最佳的细胞来源是病人的自体细胞，将其进行体外一定数量的扩增后用于组织工程研究。由于自体细胞具有体内移植后不引起免疫排斥反应等优点，因此受到研究人员的广泛青睐，是目前组织工程研究中应用最为广泛的一种细胞来源。尽管如此，自体细胞作为种子细胞来源也存在明显局限性，如自体细胞来源有限，在体外难以大量扩增，并且存在去分化现象等。（2）动物的异种细胞干细胞人胚胎干细胞和组织干细胞的研究进展为从根本上解决制约组织工程的细胞问题提供了可能。到目前为止,将胚胎干细胞分化而来的定向细胞用于治疗的实验已有报道,如将由胚胎干细胞衍化而来的少突神经胶质细胞移植到骨髓鞘缺陷型(ｍｙｅｌｉｎ-ｄｅｆｉｃｉｅｎｔＭＤ)大鼠胚胎的大脑脑室中,这些细胞会广泛分布,并形成髓鞘环绕在宿主的神经轴突周围。髓鞘缺陷型大鼠是人类遗传性髓鞘疾病的模型,进一步的工作便将衍化胶质细胞移植至动物模型的骨髓,发现髓鞘生长良好。这些实验都为将来人类疾病的攻克奠定基础。干细胞按来源来分：（1）胚胎干细胞（embryonicstemcells，ES）胚胎干细胞的分化和增殖构成动物发育的基础，即由单个受精卵发育成为具有各种组织器官的个体；（2）成体干细胞（Adultstemcells）成体干细胞的进一步分化是成年动物体内组织和器官修复再生的基础。种子细胞的分离和培养为支架材料提供生命源泉、并能形成组织的功能细胞称为种子细胞。依据其来源可分为自体、同种异体和异种细胞。自体细胞可由活检或穿刺所得到的组织进行分离培养,获得所需要的功能细胞;同种异体细胞主要来自胚胎、新生儿和成体组织;异种细胞主要来自于猪、牛等动物。其中干细胞研究最为突出。种子细胞的作用2.支架1）定义能与组织活体细胞结合并能植入生物体的三维结构体2）支架材料最基本的特征与活体细胞直接结合：羟基磷灰石（HAP）、聚乳酸（PLA）、聚羟基乙酸（PGA）网、尼龙网与生物系统结合：植入生物体的组织工程化软骨、骨、肌腱、牙、肺、肝、肾等组织与机体的结合具备细胞相容性和组织相容性（统称生物相容性）3）支架材料材料：钙磷材料、多聚物（合成的和自然的）要求：微孔结构、化学组成、可降解、力学性能作用：•在结构上加强缺损部位的强度；•阻碍周围组织长入；•作为体外接种的细胞在体内扩增和增殖的支架；•利用与细胞整合素以及受体的相互作用，作为一种可溶的细胞功能调节因子；•作为细胞、生长因子和基因的生物载体。细胞支架材料(多孔磷酸三钙生物陶瓷材料)3.生长因子1）定义在细胞间传递信息并对细胞生长具有调节功能的一些多肽类物质，它可以促进或者抑制细胞的增殖、分化、迁移和基因的表达。2）分类按受体的结构分类，成纤细胞生长因子（FGF）、表皮细胞生长因子（EGF）和肝细胞生长因子（HGF）等3）将生长因子用于组织工程技术中时，有两种不同的方式：•生长因子直接复合到支架上或者在支架构建之后再与其符合；•在支架上同时移植能分泌生长因子的细胞。3.组织工程研究方法1）研究的核心内容：合适的种子细胞来源、可供细胞粘附生长的生物支架或细胞外基质、用于促进组织再生长因子和组织的相容性等问题。2）利用组织工程方法生成活体替代组织或器官常可使用三种策略，可根据目标组织或器官而定。细胞分离体外培养扩增种植到多孔支架植入缺损部位生物活性肽多孔支架策略2策略1微结构策略3生物过程4.组织工程相关生物材料组织工程相关的生物生物材料主要有两种：天然的材料：胶原合成聚合物：开始于20世纪80年代中期优点：1）生物相容性2）可复制性3）可生物降解4）通过与多聚物结构一体化来连续地输送营养和激素材料典型应用聚二甲基硅氧烷，硅弹性体（PDMS）导尿管心脏瓣膜膜式氧合器、药物释放载体脑积水分流管乳房、阴茎和睾丸假体聚氨酯（PEU）导尿管心脏起搏器人工心脏和心室辅助装置聚四氟乙烯（PTFE）心脏瓣膜人造血管面部植入物膜式氧合器脑积水分流管导尿管和缝合线表可用于组织工程的聚合物材料聚乙烯（PU）关节置换假体导尿管聚砜（PSu）心脏瓣膜阴茎假体聚甲基丙烯酸甲酯（pMMA）义齿人工晶状体骨折固定用骨水泥聚甲基丙烯酸羟乙酯（pHEMA）导尿管角膜接触镜聚丙烯腈（PAN）透析膜聚酰胺透析膜缝合线聚丙烯（PP）缝合线血浆分离膜聚氯乙烯（PVC）血袋血浆分离膜乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）药物释放载体聚乳酸、聚羟基乙酸、聚乳酸-羟基乙酸（PLA、PGA、PLGA）缝合线药物释放载体缝合线药物释放载体聚苯乙烯（PS）组织培养瓶聚乙烯吡咯烷酮（PVP）血液代用品聚对苯二甲酸乙二酯（PET）人工心脏人造血管羟基磷灰石骨修复胶原人工皮肤各种各样的可生物降解材料已用作组织支架，包括陶瓷和多聚物。陶瓷主要用于骨组织工程，再次运用了羟基磷灰石多孔配方以承载来源于骨膜或骨髓的骨祖细胞。多聚物支架的典型形式：纤维网、多孔海绵或泡沫、或是水合凝胶。在纤维网和泡沫中更常使用的多聚物包括线形聚酯，例如，聚乙酸（PGA）、聚乳酸（PLA）和聚已内酯（PCL）；聚乙二醇（PEG）以及天然聚合物如胶原和透明质酸（HA）。组织工程的临床应用1、细胞移植2、损伤修复：3．成形外科的应用：小耳畸形修复、面部重建、鼻造形、面部整容、气管缺损修复。5.组织工程的应用及展望损伤修复组织工程的提出和建立虽然只有10多年的时间,但已在国际上得到迅猛发展。在美国,组织工程研究开展最早,进展较快。在80年代,美国首先由国家科学基金组织资助建立了一系列组织工程实验室。1995年筹建组织工程学会,并出版了正式刊物“组织工程学”。美国集中了相当数量的研究机构(包括ＮＡＳＡ,ＤＯＥ,ＮＩＨ)、大学(包括ＭＩＴ,ＨＭＳ,ＧＩＴ,ＵＣＳＤ等)、公司(如Ｓａｎｄｏｚ,Ｏｒｇａｎｏｇｅｎｅｓｉｓ,ＡｄｖａｎｃｅｄＴｉｓｓｕｅ等)。发展---国外在美国,目前已经形成价值60亿美元的产业,并以每年25%的速度递增。培育的骨骼、软骨、血管、皮肤以及神经组织正在进行体内实验。再造的肝脏、胰脏、乳房、心脏、手指、角膜等正在实验室里生长成形。其中一种名为Ａｐｌｉｇｒａｆ的组织工程化皮肤产品已经实现商品化,正式进入临床应用。软骨组织工程产品已进入临床实验,在几年内就可应用于临床,临时的助肝装置正在进行临床实验,组织工程化骨产品不久也将面世。德国、日本、加拿大、奥地利、瑞士和英国等也开展了与组织工程相关的研究工作。发展---国外在我国,组织工程学研究虽然起步较晚,但近几年国家对组织工程研究给予了高度重视,并逐步加大研究经费的投入,我国青年学者曹谊林博士在Ｖａｃａｎｔｉ的实验室中,于1996年在世界上第一个成功地在裸鼠身上培养制成了人形耳廓软骨支架。目前,国内已见到有关软骨、肌腱、血管、皮肤和神经等组织以及微囊化胰岛细胞、肝细胞等研究报道。这些研究目前均处于实验研究阶段,要形成产品用于临床尚需时日。发展----国内5.组织工程的应用及展望组织工程存在的问题：目前对组织工程化组织的科学本质还缺乏深刻的认识。对影响组织形成主要相关因素的作用机制缺乏深入的了解。具有复杂功能器官的构建研究才刚刚起步。组织工程化皮肤•皮肤是人体最大的器官，其主要起屏障作用，以隔离外部环境，其重要功能包括体液平衡、体温调节、免疫监视和自我伤口愈合等。•皮肤损伤主要是热损伤，仅在美国每年大约就有250万人烧伤，其他原因包括慢性溃疡、创伤、皮肤肿瘤切除或其他皮肤疾病。•传统的修复方法有：自体植皮、同种异体植皮、异种植皮和人工合成代用品的应用。但存在供区不足、免疫排斥及传播疾病等缺点。机能功能单元免疫监视郎格罕氏细胞及其他细胞防止机械或电损伤胶原纤维、弹性纤维和角蛋白纤维维持身体各部分形状胶原纤维调节体温汗腺、血管自我伤口愈合炎症细胞及相关组织细胞分泌排泄组织巨噬细胞合成生长因子、维生素等细胞表10-1皮肤的生理机能•伤口修复是一个可溶性递质、血管成分形成、细胞外基质和基质细胞互相影响和协调的协同过程。•伤口处理主要是尽快封闭伤口，形成功能性和具有一定美观性的瘢痕。•目前，一种生长因子和几种皮肤替代物已经投放市场，作为治疗难愈性溃疡的二线选择。创伤愈合过程•组织对创面的即刻反应是形成血凝块，阻止进一步出血；同时还会释放一些炎症细胞因子，这些细胞因子可以调节该区域的血流量，并吸引淋巴细胞和巨噬细胞来对抗感染；后期刺激血管形成和胶原沉积。•创面愈合过程包括了很多组织因子和成分的相互作用。慢性创面愈合能力较差主要是由于因子之间的不平衡造成的，并不是缺乏任何一个特殊因子所致。•表皮和真皮的反应由真皮成纤维细胞和表皮的角质形成细胞通过自分泌和旁分泌以及炎症细胞因子来调控，这些因子调控着角质和形成细胞的生长和分化、前炎症反应、血管增生和细胞外基质的沉积。组织工程皮肤•组织工程皮肤:由活性细胞接种在支架材料上形成的组织工程化皮肤，有真皮层或同时具有真皮层和表皮层，因此是一种活性生物敷料。•工程化皮肤结构需要复制的关键特性有：①一种具有恰当帮助真皮修复和支持表皮生长能力的真皮或者间质成分；②一层具有容易使创面达到生物覆盖能力表皮；③一层可以使屏障特性快速重建的表皮；④一个准许免疫系统、神经系统和血管系统生长的环境；⑤一种能在结构和附加功能（例如降低长期瘢痕形成和色素重建）方面正常化的组织。1.表皮替代物和支持基质•重建表皮的方法:细胞悬液→全层皮肤替代物。例如：聚硅氧烷膜、活的表皮角质形成细胞1975年，Rheiwald和Green等以3T3细胞作为滋养层采用共培养的方法培养出人类表皮角朊细胞获得成功。1981年，O’Connor等首次应用CEA法在体外培养出适于移植的人自体表皮细胞膜片，表皮细胞膜片附着良好。•尽管CEA技术是大面积烧伤治疗的一大进步，但单纯CEA移植技术存在一些缺点：如耗时长；细胞膜片菲薄易碎，难以操作；移植到创面后，接受率低，极易造成移植物脱失；即使在上皮化后，新生表皮不耐摩擦，容易发生水泡，造成残余创面。2.真皮替代物和支架材料•真皮替代物的研究是随着CEA的发展而不断引起人们的关注的。•研究进展：人尸体皮肤（发生免疫排斥反应、引发潜在感染的可能、移植物的来源以及原料质量的差异性）→去细胞的真皮乳头层深（部真皮和更表浅得乳头层真皮在结构上存在不同）→较深层的网状真皮•组织工程已经研究了通过使用支架和活细胞来引起肉芽组织形成的可能性。1980年，Yannas和Burke制成一种人工真皮替代物，网状皮片