第六章組織工程的研究與進展課件

組織工程的研究與進展

(ResearchandDevelopmentofTissueEngineering)組織工程的研究與進展

(ResearchandDevel1

隨著移植醫(yī)學(xué)與替代醫(yī)療的發(fā)展，人體病損器官、器件和組織的替代物的臨床需求量迅

速增長。

隨著移植醫(yī)學(xué)與替代醫(yī)療的發(fā)展，人體病損器官、2

據(jù)美國國家健康統(tǒng)計中心（ＮＣＨＳ）調(diào)查，１９９３年不包括齒科材料，植入一件以上植入物的患者，在美國已達１１００萬人，占其總?cè)丝诘模矗ィ蚬烙嫵^３０００萬人。

據(jù)美國國家健康統(tǒng)計中心（ＮＣＨＳ）調(diào)查，１９９3

齒科植入物，據(jù)日本齒科學(xué)會估計，廿一世紀(jì)初對牙種植體的需求量將達到其總?cè)丝诘模担埃ァ?/p>

齒科植入物，據(jù)日本齒科學(xué)會估計，廿一世紀(jì)初對牙4

１９９７年美國ＦＡＤ預(yù)測未來十年生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)３９項新產(chǎn)品中涉及人體器官、器件和組織替代物的幾乎占５０％。

１９９７年美國ＦＡＤ預(yù)測未來十年生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)5

由于源于人體的同種移植物來源有限，在美國僅不足２０％的患者能得到及時治療，耗資４００億美元。

由于源于人體的同種移植物來源有限，在美國僅不6

許多人工合成與制造的替代物，但在一定程度上能滿足臨床的要求，特別是在植入人體較長時間后，并發(fā)癥較多。因此，研制開發(fā)植入人體后能形成與人體結(jié)構(gòu)組織相同、參與人體代謝、能夠修復(fù)和改善病損器官、器件和組織功能的植入物，是各國科學(xué)家孜孜以求的目標(biāo)。

許多人工合成與制造的替代物，但在一定程度上7

組織工程（TissueEngineering)就是在這樣一些需求背景和人工器官技術(shù)、生物技術(shù)、生物材料技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)進展的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項綜合性的高新技術(shù)，是跨世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)工程前沿領(lǐng)域之一。

組織工程（TissueEngineeri8

１９８７年美國科學(xué)基金會在華盛頓舉辦的生物工程小組會上提出組織工程這個名詞，１９８８年被定義為：“它應(yīng)用工程科學(xué)與生命科學(xué)的原理與方法，在可控、可重復(fù)條件下，通過哺乳動物、人類（包括患者自己）的特定細(xì)胞在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的體外培養(yǎng)、體內(nèi)植入增殖，形成具有特定功能組織和生物替代物?！?/p>

１９８７年美國科學(xué)基金會在華盛頓舉辦的9

第一個組織工程產(chǎn)品——人工皮膚于１９８８年２月經(jīng)ＦＤＡ批準(zhǔn)其上市銷售，進入臨床實用階段。正在研究開發(fā)的骨骼、軟骨、血管以及神經(jīng)組織等項目也已進入進行體內(nèi)實驗的階段。

第一個組織工程產(chǎn)品——人工皮膚于１９８８年２10

一、組織工程的基本原理

一、組織工程的基本原理

11

許多文獻都將組織工程技術(shù)歸納為三個要素：種子細(xì)胞、基質(zhì)材料與細(xì)胞生長因子。實際上除了上述三個要素以外，培養(yǎng)的生物環(huán)境也是重要的要素。

許多文獻都將組織工程技術(shù)歸納為三個要素：種子細(xì)胞12

１．種子細(xì)胞

１．種子細(xì)胞

13

種子細(xì)胞指培養(yǎng)、存活、增殖最后形成組織的原始細(xì)胞。

種子細(xì)胞指培養(yǎng)、存活、增殖最后形成組織的原始細(xì)14

種子細(xì)胞可分為三類：異種、同種異體和自體細(xì)胞。

種子細(xì)胞可分為三類：異種、同種異體和自體細(xì)胞。15

性能穩(wěn)定、可重復(fù)提供的種子細(xì)胞來源是組織工程產(chǎn)品商業(yè)化的首要前提。

性能穩(wěn)定、可重復(fù)提供的種子細(xì)胞來源是組織工程產(chǎn)16

動物細(xì)胞是存量充足的可靠細(xì)胞來源之一，但動物細(xì)胞在人體內(nèi)會引起免疫排斥反應(yīng)導(dǎo)致安全性的問題。

動物細(xì)胞是存量充足的可靠細(xì)胞來源之一，但動17

采用轉(zhuǎn)基因等生物技術(shù)可使動物攜有人類的基因以減少甚至避免免疫排斥反應(yīng)。但更嚴(yán)峻的問題是動物體內(nèi)的一些病毒會導(dǎo)致人類的一些新的疾患的產(chǎn)生。

采用轉(zhuǎn)基因等生物技術(shù)可使動物攜有人類的基因以18

有一些國家政府就明令禁止實施異種植入人體。實際上，對科學(xué)家來說重要的是要解決防止動物病毒傳染人類的問題，一旦異種細(xì)胞植入的安全性問題獲得解決，相信這些國家政府的禁令亦會逐步取消。但目前尚有較大的難度。

有一些國家政府就明令禁止實施異種植入人體。19

目前在組織工程研究中人類自身的細(xì)胞仍然是種子細(xì)胞的主要來源。人類自身的細(xì)胞也存在不少問題。培養(yǎng)的人體組織細(xì)胞增生能力一般有限，同時在體外培養(yǎng)條件下隨著細(xì)胞的增殖會產(chǎn)生去分化現(xiàn)象，細(xì)胞喪失應(yīng)有的功能。

目前在組織工程研究中人類自身的細(xì)胞仍然是種子20

人類自身的原代細(xì)胞作為種子細(xì)胞的商業(yè)前景暗淡。但是，應(yīng)強調(diào)在體內(nèi)的條件下，有許多種成體細(xì)胞具有較強的“再生”能力。

人類自身的原代細(xì)胞作為種子細(xì)胞的商業(yè)前景暗淡21

這同傳統(tǒng)的組織工程的研究思路不同，反而同傳統(tǒng)的人工器官的研究思路較接近。這就是近年發(fā)展的再生醫(yī)學(xué)發(fā)展的內(nèi)容

這同傳統(tǒng)的組織工程的研究思路不同，反而同傳統(tǒng)22

１９９８年末，美國有兩個研究機構(gòu)先后成功地培養(yǎng)出人胚胎干細(xì)胞。與成體細(xì)胞不同，此類細(xì)胞具有持續(xù)生長，分化的能力，即從理論上講此類細(xì)胞在一定的條件下可以分化成人體的任何成體細(xì)胞，并具有成體細(xì)胞的功能。

１９９８年末，美國有兩個研究機構(gòu)先后成功地23

此類細(xì)胞是頗為理想的種子細(xì)胞來源。近年人胚胎干細(xì)胞的研究發(fā)展迅猛。隨著人胚胎干細(xì)胞研究的深入進行，也遇到了相當(dāng)多的實踐問題，包括法律的與道德的問題。就技術(shù)而言仍有一些困難問題需要克服。

此類細(xì)胞是頗為理想的種子細(xì)胞來源。近年人胚胎24

人胚胎干細(xì)胞移植人體內(nèi)后的致癌性問題、抗原性問題、如何調(diào)控人胚胎干細(xì)胞定向分化構(gòu)建組織的目的細(xì)胞的問題等。

人胚胎干細(xì)胞移植人體內(nèi)后的致癌性問題、抗原25

目前比較接近于實際應(yīng)用的種子細(xì)胞來源是從組織中分離出來的所謂“前驅(qū)細(xì)胞”，亦有稱之為組織干細(xì)胞。

目前比較接近于實際應(yīng)用的種子細(xì)胞來源是從組織中分26

由于此類細(xì)胞在向特定分化方向轉(zhuǎn)化上已得到了部分調(diào)控，但它們尚未完全分化，因而尚存有足夠的靈活性以發(fā)育成幾種不同的類型的細(xì)胞。

由于此類細(xì)胞在向特定分化方向轉(zhuǎn)化上已得到了部分27

來源于中胚層細(xì)胞的間充質(zhì)干細(xì)胞，它們存在于成人的骨髓中，在適當(dāng)?shù)恼T導(dǎo)條件下具有多向分化為肌腱、骨、軟骨、脂肪、基質(zhì)組織細(xì)胞的潛能，進而增殖培育成相應(yīng)的組織。目前研究較多的此類細(xì)胞包括：造血干細(xì)胞系、神經(jīng)干細(xì)胞系以及間充質(zhì)干細(xì)胞系等。

來源于中胚層細(xì)胞的間充質(zhì)干細(xì)胞，它們存在28

２．基質(zhì)材料

２．基質(zhì)材料

29

基質(zhì)材料類似于人體細(xì)胞外基質(zhì)、作為種子細(xì)胞以及細(xì)胞生長因子的載體，使種子細(xì)胞賴以定向分化增殖發(fā)育成相應(yīng)的組織。基質(zhì)材料亦有稱為細(xì)胞支架。理想的基質(zhì)材料起碼應(yīng)具有以下一些性能：

基質(zhì)材料類似于人體細(xì)胞外基質(zhì)、作為種子細(xì)胞以及30

a.生物相容性

除了具有一般生物材料的生物相容性要求，還要求它利于種子細(xì)胞的粘附、分化與增殖。

a.生物相容性

除了具有一般生物材料的生物相31

b.生物降解性

作為種子細(xì)胞的支架，一旦種細(xì)胞培育成組織，要求基質(zhì)材料降解并為人體所代謝，即基質(zhì)材料的降解速率與細(xì)胞生長的速率相適應(yīng)，降解速率應(yīng)可根據(jù)組織的生長特性加以調(diào)控。

b.生物降解性

作為種子細(xì)胞的支架，一旦32

c.具有三維多孔立體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)具有較高的比表面積和孔隙率，以利于種子細(xì)胞增殖、細(xì)胞外基質(zhì)沉積進而形成組織。其中較高的空隙率，利于營養(yǎng)、氧氣的進入和代謝廢物的排出，有利于血管與神經(jīng)的長入。

c.具有三維多孔立體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)具有33

d.材料—細(xì)胞界面

d.材料—細(xì)胞界面

34

基質(zhì)材料應(yīng)提供優(yōu)異的材料——細(xì)胞界面，利于細(xì)胞的粘附、生長，更重要的是應(yīng)能激活細(xì)胞特異基因的表達和維持正常細(xì)胞的表型表達。

基質(zhì)材料應(yīng)提供優(yōu)異的材料——細(xì)胞界面，利于細(xì)胞35

e.加工性能和機械強度

e.加工性能和機械強度

36

由于病損和缺失的組織、器件、器官，形狀尺寸變化較大，有的基質(zhì)材料甚至在手術(shù)植入時還需進一步加工，

由于病損和缺失的組織、器件、器官，形狀尺寸變37

有的基質(zhì)材料植入體內(nèi)需為新生組織維持一段時間的力學(xué)支撐，直至新生組織具有足夠的力學(xué)特性為止。

有的基質(zhì)材料植入體內(nèi)需為新生組織維持一段時38

f.滅菌性能

f.滅菌性能

39

基質(zhì)材料使用時均需滅菌。因此，要求滅菌過程對基質(zhì)材料的基本性能不產(chǎn)生明顯的影響

和不帶來新的生物學(xué)危害作用。

基質(zhì)材料使用時均需滅菌。因此，要求滅菌過程對40

目前在組織工程中應(yīng)用的基質(zhì)材料主要有三大類別：天然材料及其復(fù)合物；合成高分子可降解材料及其復(fù)合物；無機材料及其復(fù)合物。

目前在組織工程中應(yīng)用的基質(zhì)材料主要有三大類別41

a.天然材料

a.天然材料

42

目前應(yīng)用較多的有膠原（以Ｉ型膠原為主）、明膠、甲殼素、殼聚糖、海藻酸鹽、透明

質(zhì)酸鈉等。

目前應(yīng)用較多的有膠原（以Ｉ型膠原為主）、明膠、甲43

此類材料制成的細(xì)胞支架生物相容性一般較好。其界面利于種子細(xì)胞的粘附、分化、增殖。問題是這類材料濕態(tài)強度差，較易為體液的各種酶所降解，降解速率過快。

此類材料制成的細(xì)胞支架生物相容性一般較好。其44

目前，大都采用交聯(lián)的方法來提高強度與減緩降解速率。也有采用天然材料之間的復(fù)合，

目前，大都采用交聯(lián)的方法來提高強度與減緩降解速率45

b.合成可降解高分子材料

b.合成可降解高分子材料

46

目前應(yīng)用較多的品種是聚乙交酯（ＰＧＡ）、聚丙交酯即聚乳酸（ＰＬＡ）、聚己內(nèi)酯（ＰＣＬ）以及它們之間的各種共聚物。通過材料的組份、組成比、分子量、分子量分布等因素的調(diào)控來制備體內(nèi)降解速率（半降解期）可以從幾周到幾年、其它性能也不盡相同、各有特長的基質(zhì)材料。

目前應(yīng)用較多的品種是聚乙交酯（ＰＧＡ）、47

ＰＬＡ、ＰＧＡ及其共聚物在組織工程中采用的主要結(jié)構(gòu)形式有纖維支架、多孔泡沫以及管狀結(jié)構(gòu)等。

ＰＬＡ、ＰＧＡ及其共聚物在組織工程中采用的主要結(jié)48

纖維支架是由ＰＧＡ通過擠壓制成１０～１５μｍ的纖維，再通過編織加工技術(shù)形成編織加工技術(shù)形成編織狀或無紡狀結(jié)構(gòu)，孔隙率可高達９７％，面積體積比高達０.０５μｍ-1

纖維支架是由ＰＧＡ通過擠壓制成１０～１５μｍ的49

１.這樣形成的支架一般不能承擔(dān)壓力。

１.這樣形成的支架一般不能承擔(dān)壓力。

50

高度多孔的泡沫狀支架是一種較好的結(jié)構(gòu)形式。可用多種方式獲得多孔泡沫結(jié)構(gòu)，如：溶劑澆鑄、微粒溶出、氣體發(fā)泡、相分離等方法。其中氣體發(fā)泡法效果最好。

高度多孔的泡沫狀支架是一種較好的結(jié)構(gòu)形式。可51

ＰＬＡ和ＰＧＡ及其共聚物還可制成管狀結(jié)構(gòu)用于尿道，小腸等管狀器官的基質(zhì)材料。

ＰＬＡ和ＰＧＡ及其共聚物還可制成管狀結(jié)構(gòu)用于尿道52

脂肪族聚酯類可降解高分子材料，作為基質(zhì)材料尚有一些不足的方法，有待改進：

脂肪族聚酯類可降解高分子材料，作為基質(zhì)材料尚有53

（１）親水性差，細(xì)胞粘附、生長增殖受阻。如：ＰＬＡ包埋的ＰＧＡ無紡纖維支架由于親水性差，細(xì)胞吸附力弱，滿足不了組織工程研究的要求。

（１）親水性差，細(xì)胞粘附、生長增殖受阻。如：Ｐ54

（２）引起無菌性炎癥。ＰＬＡ與ＰＧＡ在臨床應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)約有８％左右患者出現(xiàn)非特異性無菌性炎癥。平均分子量低于２萬時發(fā)病率增長，使用高分子量的ＰＬＡ只能遲緩而不能消除此種并發(fā)癥的發(fā)生。

（２）引起無菌性炎癥。ＰＬＡ與ＰＧＡ在臨床應(yīng)55

（３）抗壓強度差。大多數(shù)ＰＬＡ與ＰＧＡ無紡布支架均有抗壓強度差的問題。除了上述介紹的脂肪族聚酯可降解高分子材料及其復(fù)合物外，文獻中還報道采用聚偶磷氮（Polyphosphazenes）、聚原酸酯（Polyorthoesters,POE)、聚氨基酸（PolyaminoAcid)|bctisgxjrnpvsgxj(Polyesterurethane)等。

（３）抗壓強度差。大多數(shù)ＰＬＡ與ＰＧＡ無56

與天然材料相比，合成的材料最大缺點是缺乏細(xì)胞識別信號，不利于細(xì)胞特異性粘附及特異基因的激活，許多學(xué)者致力于將一些識別信號片斷，引入合成基質(zhì)材料表面與整體，以促進種子細(xì)胞的粘附、生長、增殖。

與天然材料相比，合成的材料最大缺點是缺乏細(xì)57

c.生物陶瓷

c.生物陶瓷

58

生物陶瓷指由金屬離子及非金屬離子以離子鍵結(jié)合的晶體材料。根據(jù)其在生理環(huán)境中的化學(xué)活性可分為四類：惰性生物陶瓷，表面活性生物陶瓷，可吸收性生物陶瓷與復(fù)合生物陶瓷。

生物陶瓷指由金屬離子及非金屬離子以離子鍵結(jié)合59

作為基質(zhì)材料一般采用可生物降解的可吸收性生物陶恣。主要有以下一些品種：

作為基質(zhì)材料一般采用可生物降解的可吸收性生物60（１）磷酸鈣陶瓷支架：磷酸

鈣陶瓷按其Ｃa/P比值分別為１.５、１.６７和２而分為磷酸三鈣、羥基磷灰石和磷酸四鈣，此外還有Ｃa/P比介于它們之間的物質(zhì)，如：氟代及氧代的羥基磷灰石。其中以羥基磷灰石（ＨＡ）與β磷酸三鈣（β-ΤCΡ）研究最多。

（１）磷酸鈣陶瓷支架：磷酸

鈣陶瓷按其Ｃa/61

７０年代的研究認(rèn)為骨骼中的無機成份主要是ＨＡ，因此認(rèn)為ＨＡ植入人體內(nèi)有利于骨組織的再生。

７０年代的研究認(rèn)為骨骼中的無機成份主要是ＨＡ，因62

近年的研究表明骨組織中的礦物質(zhì)是Ｃa/P＜１．５的碳酸鹽磷灰石，除鈣、磷外尚含有鎂、鈉、鉀及一些微量元素。

近年的研究表明骨組織中的礦物質(zhì)是Ｃa/P＜１63

許多學(xué)者研究以β-ＴＣＰ為主的支架及其在組織工程中的應(yīng)用取得一定的進展。由于磷酸鈣陶瓷表面的ξ電位效應(yīng)、濕潤性及游離的磷酸根離子不利于細(xì)胞的粘附、增殖，這方面改進的研究尚待深入。

許多學(xué)者研究以β-ＴＣＰ為主的支架及其在組織64

（２）碳酸鈣陶瓷支架：天然珊瑚（主要成份為碳酸鈣）制成的細(xì)胞支架在９０年代初即被用于作為人類骨髓細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、牙齦纖維細(xì)胞及胎鼠骨細(xì)胞的體外培養(yǎng)。實驗發(fā)現(xiàn)盡管培養(yǎng)早期人類細(xì)胞的貼壁率較低，但２０天后細(xì)胞數(shù)量和培養(yǎng)板一致，細(xì)胞的生理活性正常，分泌的骨唾蛋白，Ｉ型、ＩＩＩ型膠原、骨橋素均顯示陽性。細(xì)胞在支架上增殖持續(xù)時間長，碳酸鈣又是在體內(nèi)可降解的材料。

（２）碳酸鈣陶瓷支架：天然珊瑚（主要成65

（３）生物活性玻璃細(xì)胞支架：含磷和鈣的硅玻璃（SiO-ＣａＯ-ＨＰＯ４）可以部分降解，其中一類特殊結(jié)構(gòu)的稱為生物活性玻璃。其表面水解形成的水合層利于羥基磷灰石形成沉積，同時此類新生態(tài)的羥基磷灰石可選擇性吸附膠原、纖維粘連蛋白，從而使玻璃表面與骨及軟組織之間形成很好的生物相容界面，利于新骨形成。

（３）生物活性玻璃細(xì)胞支架：含磷和鈣的66

３.細(xì)胞生長因子

３.細(xì)胞生長因子

67

生長因子（GrowthFactor,GF)是具有定向誘導(dǎo)和激活組織分化、增殖，維持細(xì)胞生物活性等生物效應(yīng)的蛋白質(zhì)類物質(zhì)。它對于促進細(xì)胞增殖，以及組織的修復(fù)、再生具有重要的促進作用。

生長因子（GrowthFactor,GF)是68

生長因子的生理功能具有特異性和專一性，即每種生長因子只對某些細(xì)胞或某些細(xì)胞的某個分化階段發(fā)揮其生理功能。

生長因子的生理功能具有特異性和專一性，即每種生69

細(xì)胞生長因子并不能調(diào)控細(xì)胞分化的全過程。特別是利用生長因子來調(diào)控加快干細(xì)胞定向分化成目的細(xì)胞，利用一種生長因素，時常很難奏效。往往是若干種生長因子間協(xié)同作用方能調(diào)控向目的細(xì)胞的分化與增殖。

細(xì)胞生長因子并不能調(diào)控細(xì)胞分化的全過程。特別70

生長因子的作用往往與細(xì)胞表面相應(yīng)受體的活躍程度有關(guān)。如利用ＩＧＦ-Ｉ對肌腱細(xì)胞生長增殖的促進作用，其必要條件是ＩＧＦ-１受體系統(tǒng)的活躍。

生長因子的作用往往與細(xì)胞表面相應(yīng)受體的活躍71

利用細(xì)胞因子來促進種子細(xì)胞的分化與增殖，雖是很有效的技術(shù)手段，但要成功地運用自如尚有相當(dāng)多的問題需要研究加以解決。

利用細(xì)胞因子來促進種子細(xì)胞的分化與增殖，雖是72

４.培養(yǎng)的生物環(huán)境

４.培養(yǎng)的生物環(huán)境

73

目前許多研究者強調(diào)組織工程中細(xì)胞培養(yǎng)與擴增，應(yīng)當(dāng)是三維，因此推崇采用微重力效應(yīng)下，細(xì)胞與組織三維培養(yǎng)技術(shù)。

目前許多研究者強調(diào)組織工程中細(xì)胞培養(yǎng)與擴增，應(yīng)74

我們應(yīng)當(dāng)看到人體的細(xì)胞的種類是非常多的，不同組織與器官所在的生理環(huán)境（包括力學(xué)環(huán)境）千差萬別。因此，在某些特定環(huán)境中應(yīng)用的組織只有在特定的環(huán)境條件下培養(yǎng)才能符合臨床應(yīng)用的要求。

我們應(yīng)當(dāng)看到人體的細(xì)胞的種類是非常多的，不75

因此，研究組織工程中細(xì)胞培養(yǎng)與擴增條件時，應(yīng)當(dāng)重視在與人體生理環(huán)境類似條件下的培養(yǎng)。特別是人體的許多組織的再生能力很強：如人的膀胱，研究在人體環(huán)境下膀胱的再生無疑是非常有科學(xué)價值的研究方向。

因此，研究組織工程中細(xì)胞培養(yǎng)與擴增條件時，應(yīng)76

二、組織工程一些活躍的研究領(lǐng)域

二、組織工程一些活躍的研究領(lǐng)域

77

組織工程的目標(biāo)旨在研制、開發(fā)能夠修復(fù)損傷或缺失組織功能的體內(nèi)植入物。因此，組織工程的一些活躍的研究多集中在能夠較快地在臨床應(yīng)用、可形成商品化、應(yīng)用前景較明確的一些領(lǐng)域。

組織工程的目標(biāo)旨在研制、開發(fā)能夠修復(fù)損傷或缺失78

１.骨組織工程

１.骨組織工程

79

將基質(zhì)材料與生長因子（主要是骨形成蛋白rhBMP-２和人轉(zhuǎn)移生長因子βｒｈＴＧＦ-β。在體外組裝后植入體內(nèi)，通過生長因子分子誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化、增殖進而長成新骨。這對于小區(qū)域骨缺損的修復(fù)有較好的療效。

將基質(zhì)材料與生長因子（主要是骨形成蛋白rh80

另一種思路，利用體外細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)增殖獲得足夠數(shù)量的成骨細(xì)胞，然后與基質(zhì)材料在體外組裝后植入缺損部位。目前，正在利用后一種思路研究長骨的體內(nèi)生物植入物。

另一種思路，利用體外細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)增殖獲得足夠數(shù)81

ＢＭＰ在人體內(nèi)發(fā)揮作用的時間受到限制，有的學(xué)者提出將控制ＢＭＰ合成的ＤＮＡ質(zhì)粒復(fù)合于基質(zhì)材料中植入人體，這樣可以在骨組織形成過程中不斷合成ＢＭＰ，促進成骨細(xì)胞生長。

ＢＭＰ在人體內(nèi)發(fā)揮作用的時間受到限制，有的學(xué)者82

２．皮膚組織工程

２．皮膚組織工程

83

最早的皮膚生物替代物是源于患者本人的角質(zhì)細(xì)胞在高鈣條件下的復(fù)層模片，爾后將其用酶從培養(yǎng)瓶中消化下來，移植至斷層或全層皮膚創(chuàng)面。

最早的皮膚生物替代物是源于患者本人的角質(zhì)細(xì)胞84

之后，較成功的實驗是將新生兒包皮中成纖維細(xì)胞與牛Ｉ型膠原制成真皮替代物。表面由自體表皮細(xì)胞覆蓋，成功地用于人體創(chuàng)面復(fù)蓋。

之后，較成功的實驗是將新生兒包皮中成纖維細(xì)胞85

近年，由膠原與硫酸軟骨素復(fù)

合的模擬真皮；ＰＧＡ和ＰＬＡ作支架移植新生兒包皮成纖維細(xì)胞增殖后制成的人工真皮；去除包含有郎罕氏細(xì)胞的表皮成份，經(jīng)過一段時間冷藏的無細(xì)胞異體真皮等產(chǎn)品均在燒傷創(chuàng)面應(yīng)用獲得成功。

近年，由膠原與硫酸軟骨素復(fù)

合的模擬真皮；Ｐ86

人工皮膚是最早被ＦＤＡ批準(zhǔn)上市的組織工程產(chǎn)品。

人工皮膚是最早被ＦＤＡ批準(zhǔn)上市的組織工程產(chǎn)品。87

皮膚生物工程產(chǎn)品的設(shè)計已趨成熟，即此種皮膚替代物應(yīng)用表皮、真皮兩層，表皮中的細(xì)胞應(yīng)具有分化、增殖的能力，表皮與真皮之間的緊密粘附，通過兩層細(xì)胞間的相互作用實現(xiàn)人工組織植入物的功能。

皮膚生物工程產(chǎn)品的設(shè)計已趨成熟，即此種皮膚替代88

３．肌腱、軟骨組織工程

３．肌腱、軟骨組織工程

89

結(jié)締組織的替代是重建外科的熱點，其中尤以肌腱與軟骨修復(fù)受到關(guān)注。

結(jié)締組織的替代是重建外科的熱點，其中尤以肌腱90

ＰＧＡ與間充質(zhì)細(xì)胞構(gòu)成的人工組織植入裸鼠皮下、兔子的關(guān)節(jié)缺損進行了廣泛的研究，證明可以形成軟骨，肌腱和新生骨。還可以進行血管化再生組織的培養(yǎng)。

ＰＧＡ與間充質(zhì)細(xì)胞構(gòu)成的人工組織植入裸鼠皮下91

軟骨的體外培養(yǎng)已獲成功，關(guān)鍵是要得到足夠的厚度與相應(yīng)的強度。體外培養(yǎng)中新生軟骨超過一定的厚度，中心區(qū)域的軟骨細(xì)胞由于距離邊緣遠(yuǎn)而無法得到充足的營養(yǎng)和氧氣，無法對各種生長因子的刺激作出響應(yīng)，也不能排除代謝廢物。國外采用一種旋轉(zhuǎn)式生物反應(yīng)器，在此反應(yīng)器的細(xì)胞支架上進行培養(yǎng)，保證細(xì)胞營養(yǎng)與氧氣充足供應(yīng)與代謝廢物的排除，同時對環(huán)境施以一定的應(yīng)力場作用，導(dǎo)致組織工程化軟骨，富含膠原及其他一些蛋白質(zhì)。

軟骨的體外培養(yǎng)已獲成功，關(guān)鍵是要得到足92

肌腱組織工程的種子細(xì)胞目前大多采用胚胎肌腱組織分離、純化獲得的肌腱細(xì)胞。采用以膠原為主原料制成的天然細(xì)胞支架，也有采用ＰＬＡ與ＰＧＡ細(xì)胞支架的，后者親水性較差而影響細(xì)胞粘附。

肌腱組織工程的種子細(xì)胞目前大多采用胚胎肌腱組織93

肌腱組織工程中還有一個極其重要的研究方向就是利用支架植入誘導(dǎo)自體肌腱組織的再生。文獻中已有成功的報道。

肌腱組織工程中還有一個極其重要的研究方向就94

４．具有分泌功能器官的組織工程

４．具有分泌功能器官的組織工程

95

實驗中的研究目標(biāo)目前集中在人工肝、人工胰及人工腎。以人工肝為例，實際上目前還沒有到達形成肝組織的水平，只是分化增殖肝細(xì)胞的聚集體。另一片目前有二類研究方向。一類是體內(nèi)型，主要是利用海藻酸／聚賴氨酸包埋肝細(xì)胞形成生物微膠囊用作組織細(xì)胞移植治療的免疫隔離工具，組織在囊內(nèi)分化、增殖，營養(yǎng)和氧份由組織液提供，細(xì)胞的分泌物與代謝由囊內(nèi)向囊外輸運再轉(zhuǎn)運全身，起到肝組織的分泌代謝功能。

實驗中的研究目標(biāo)目前集中在人工肝、人工胰96

另一類是體外型。主要是利用空心纖維型生物反應(yīng)器在體外大量培養(yǎng)肝細(xì)胞，該反應(yīng)器附有供營養(yǎng)液、充氣和排泄裝置，使細(xì)胞維持在良好的微環(huán)境中生長。利用血液凈化的原理經(jīng)肝細(xì)胞作用后的血液回輸體內(nèi)。此類裝置實際上只是肝臟的短期支持系統(tǒng)。

另一類是體外型。主要是利用空心纖維型生物反應(yīng)97

生物活性的人工胰，也是利用微膠囊技術(shù)包埋胰島細(xì)胞制成。植入腹腔后胰島細(xì)胞分泌的胰島素通過微囊半透膜輸運到腹腔，爾后通過血液循環(huán)轉(zhuǎn)運到全身。

生物活性的人工胰，也是利用微膠囊技術(shù)包埋胰島98

三、組織工程研究的若干問題

三、組織工程研究的若干問題

99

１．人體組織與器官的替代需要“綜合”各學(xué)科的成就各個學(xué)科總是從本學(xué)科已有的技術(shù)優(yōu)勢出發(fā)來解決臨床遇到的一些科學(xué)“難題”。從某種意義上講，這種優(yōu)勢又是一種片面。

１．人體組織與器官的替代需要“綜合”各學(xué)科的成就100

只有不受狹小學(xué)科的思維束縛，在多領(lǐng)域的技術(shù)成就的基礎(chǔ)上，集成各方面的技術(shù)優(yōu)勢，才有可能解決人體器官的替代、修復(fù)、再生、復(fù)制與置換這樣一個極其復(fù)雜的問題。

只有不受狹小學(xué)科的思維束縛，在多領(lǐng)域的技術(shù)成101

２．免疫問題

２．免疫問題

102

由于人的機體對外源物質(zhì)的排斥作用，組織工程產(chǎn)物植入人體后的免疫問題應(yīng)當(dāng)作為重要問題加以解決。

由于人的機體對外源物質(zhì)的排斥作用，組織工程產(chǎn)物103

生物技術(shù)為組織工程解決此問題提供一些很好的技術(shù)思路。利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)制備能為宿主接受的異體及異種干細(xì)胞、實質(zhì)細(xì)胞，這里包括：基因轉(zhuǎn)染，克隆技術(shù)與轉(zhuǎn)基因動物的制備等技術(shù)。人工器官學(xué)科為解決免疫問題提出的免疫隔離（Ｉmmunoisolation)的概念，在研究功能化組織工程產(chǎn)品，如肝、胰、腎細(xì)胞系統(tǒng)中提供很有效的技術(shù)思路。

生物技術(shù)為組織工程解決此問題提供一些很104

３．人體結(jié)構(gòu)層次的問題

３．人體結(jié)構(gòu)層次的問題

105

細(xì)胞、組織、器官是人體結(jié)構(gòu)的不同層次，三者有明確的科學(xué)界定，同時三者有不可分割的有機聯(lián)系，一個器官由若干種組織和更多的細(xì)胞組成。

細(xì)胞、組織、器官是人體結(jié)構(gòu)的不同層次，三者有明106

因此要解決器官的替代，要制造器官替代的生物替代物，組織工程技術(shù)并不能解決全部的問題。從某種意義上說，更重要的大量的要依賴生物技術(shù)。

因此要解決器官的替代，要制造器官替代的生物替107

個別關(guān)于組織工程的論著，談及組織工程可以制造人體功能衰竭或缺失的器官的說法，有一些言過其實。因為器官，特別是人體內(nèi)臟器官的替代物的研制的許多內(nèi)容，它超越了組織工程的技術(shù)水平和概念，更確切地說，應(yīng)屬于器官工程的范疇。

個別關(guān)于組織工程的論著，談及組織工程可以制108

組織工程的發(fā)展應(yīng)集中精力與明確近期主攻方向，揚長避短，在若干個領(lǐng)域取得突破，然后再考慮向更深的層次發(fā)展。

組織工程的發(fā)展應(yīng)集中精力與明確近期主攻方向，109

４．當(dāng)前研究工作的重點

４．當(dāng)前研究工作的重點

110

就基礎(chǔ)研究工作而言，應(yīng)深入進行：（１）蛋白質(zhì)—表面相互作用規(guī)律與機制；（２）細(xì)胞—表面相互作用規(guī)律與機制；（３）細(xì)胞高生物活性快速增殖的環(huán)境條件；（４）人類組織相合性基因體（ＭＨＣ基因）的研究。

就基礎(chǔ)研究工作而言，應(yīng)深入進行：（１）蛋白質(zhì)—111

以下重大應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)取得突破：（１）生物相容性表面技術(shù)；（２）精密加工技術(shù)；（３）組織工程中的轉(zhuǎn)基因技術(shù)、其它生物技術(shù)；（４）組織工程的生物活性組裝與表面修飾；（５）組織工程基質(zhì)材料在微重力條件下的細(xì)胞與組織三維培養(yǎng)技術(shù)與裝置；（６）誘導(dǎo)體內(nèi)成體細(xì)胞再生、替代病損組織的技術(shù)。

以下重大應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)取得突破：（１）生物112組織工程的研究與進展

(ResearchandDevelopmentofTissueEngineering)組織工程的研究與進展

(ResearchandDevel113

隨著移植醫(yī)學(xué)與替代醫(yī)療的發(fā)展，人體病損器官、器件和組織的替代物的臨床需求量迅

速增長。

隨著移植醫(yī)學(xué)與替代醫(yī)療的發(fā)展，人體病損器官、114

據(jù)美國國家健康統(tǒng)計中心（ＮＣＨＳ）調(diào)查，１９９３年不包括齒科材料，植入一件以上植入物的患者，在美國已達１１００萬人，占其總?cè)丝诘模矗ィ蚬烙嫵^３０００萬人。

據(jù)美國國家健康統(tǒng)計中心（ＮＣＨＳ）調(diào)查，１９９115

齒科植入物，據(jù)日本齒科學(xué)會估計，廿一世紀(jì)初對牙種植體的需求量將達到其總?cè)丝诘模担埃ァ?/p>

齒科植入物，據(jù)日本齒科學(xué)會估計，廿一世紀(jì)初對牙116

１９９７年美國ＦＡＤ預(yù)測未來十年生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)３９項新產(chǎn)品中涉及人體器官、器件和組織替代物的幾乎占５０％。

１９９７年美國ＦＡＤ預(yù)測未來十年生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)117

由于源于人體的同種移植物來源有限，在美國僅不足２０％的患者能得到及時治療，耗資４００億美元。

由于源于人體的同種移植物來源有限，在美國僅不118

許多人工合成與制造的替代物，但在一定程度上能滿足臨床的要求，特別是在植入人體較長時間后，并發(fā)癥較多。因此，研制開發(fā)植入人體后能形成與人體結(jié)構(gòu)組織相同、參與人體代謝、能夠修復(fù)和改善病損器官、器件和組織功能的植入物，是各國科學(xué)家孜孜以求的目標(biāo)。

許多人工合成與制造的替代物，但在一定程度上119

組織工程（TissueEngineering)就是在這樣一些需求背景和人工器官技術(shù)、生物技術(shù)、生物材料技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)進展的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項綜合性的高新技術(shù)，是跨世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)工程前沿領(lǐng)域之一。

組織工程（TissueEngineeri120

１９８７年美國科學(xué)基金會在華盛頓舉辦的生物工程小組會上提出組織工程這個名詞，１９８８年被定義為：“它應(yīng)用工程科學(xué)與生命科學(xué)的原理與方法，在可控、可重復(fù)條件下，通過哺乳動物、人類（包括患者自己）的特定細(xì)胞在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的體外培養(yǎng)、體內(nèi)植入增殖，形成具有特定功能組織和生物替代物?！?/p>

１９８７年美國科學(xué)基金會在華盛頓舉辦的121

第一個組織工程產(chǎn)品——人工皮膚于１９８８年２月經(jīng)ＦＤＡ批準(zhǔn)其上市銷售，進入臨床實用階段。正在研究開發(fā)的骨骼、軟骨、血管以及神經(jīng)組織等項目也已進入進行體內(nèi)實驗的階段。

第一個組織工程產(chǎn)品——人工皮膚于１９８８年２122

一、組織工程的基本原理

一、組織工程的基本原理

123

許多文獻都將組織工程技術(shù)歸納為三個要素：種子細(xì)胞、基質(zhì)材料與細(xì)胞生長因子。實際上除了上述三個要素以外，培養(yǎng)的生物環(huán)境也是重要的要素。

許多文獻都將組織工程技術(shù)歸納為三個要素：種子細(xì)胞124

１．種子細(xì)胞

１．種子細(xì)胞

125

種子細(xì)胞指培養(yǎng)、存活、增殖最后形成組織的原始細(xì)胞。

種子細(xì)胞指培養(yǎng)、存活、增殖最后形成組織的原始細(xì)126

種子細(xì)胞可分為三類：異種、同種異體和自體細(xì)胞。

種子細(xì)胞可分為三類：異種、同種異體和自體細(xì)胞。127

性能穩(wěn)定、可重復(fù)提供的種子細(xì)胞來源是組織工程產(chǎn)品商業(yè)化的首要前提。

性能穩(wěn)定、可重復(fù)提供的種子細(xì)胞來源是組織工程產(chǎn)128

動物細(xì)胞是存量充足的可靠細(xì)胞來源之一，但動物細(xì)胞在人體內(nèi)會引起免疫排斥反應(yīng)導(dǎo)致安全性的問題。

動物細(xì)胞是存量充足的可靠細(xì)胞來源之一，但動129

采用轉(zhuǎn)基因等生物技術(shù)可使動物攜有人類的基因以減少甚至避免免疫排斥反應(yīng)。但更嚴(yán)峻的問題是動物體內(nèi)的一些病毒會導(dǎo)致人類的一些新的疾患的產(chǎn)生。

采用轉(zhuǎn)基因等生物技術(shù)可使動物攜有人類的基因以130

有一些國家政府就明令禁止實施異種植入人體。實際上，對科學(xué)家來說重要的是要解決防止動物病毒傳染人類的問題，一旦異種細(xì)胞植入的安全性問題獲得解決，相信這些國家政府的禁令亦會逐步取消。但目前尚有較大的難度。

有一些國家政府就明令禁止實施異種植入人體。131

目前在組織工程研究中人類自身的細(xì)胞仍然是種子細(xì)胞的主要來源。人類自身的細(xì)胞也存在不少問題。培養(yǎng)的人體組織細(xì)胞增生能力一般有限，同時在體外培養(yǎng)條件下隨著細(xì)胞的增殖會產(chǎn)生去分化現(xiàn)象，細(xì)胞喪失應(yīng)有的功能。

目前在組織工程研究中人類自身的細(xì)胞仍然是種子132

人類自身的原代細(xì)胞作為種子細(xì)胞的商業(yè)前景暗淡。但是，應(yīng)強調(diào)在體內(nèi)的條件下，有許多種成體細(xì)胞具有較強的“再生”能力。

人類自身的原代細(xì)胞作為種子細(xì)胞的商業(yè)前景暗淡133

這同傳統(tǒng)的組織工程的研究思路不同，反而同傳統(tǒng)的人工器官的研究思路較接近。這就是近年發(fā)展的再生醫(yī)學(xué)發(fā)展的內(nèi)容

這同傳統(tǒng)的組織工程的研究思路不同，反而同傳統(tǒng)134

１９９８年末，美國有兩個研究機構(gòu)先后成功地培養(yǎng)出人胚胎干細(xì)胞。與成體細(xì)胞不同，此類細(xì)胞具有持續(xù)生長，分化的能力，即從理論上講此類細(xì)胞在一定的條件下可以分化成人體的任何成體細(xì)胞，并具有成體細(xì)胞的功能。

１９９８年末，美國有兩個研究機構(gòu)先后成功地135

此類細(xì)胞是頗為理想的種子細(xì)胞來源。近年人胚胎干細(xì)胞的研究發(fā)展迅猛。隨著人胚胎干細(xì)胞研究的深入進行，也遇到了相當(dāng)多的實踐問題，包括法律的與道德的問題。就技術(shù)而言仍有一些困難問題需要克服。

此類細(xì)胞是頗為理想的種子細(xì)胞來源。近年人胚胎136

人胚胎干細(xì)胞移植人體內(nèi)后的致癌性問題、抗原性問題、如何調(diào)控人胚胎干細(xì)胞定向分化構(gòu)建組織的目的細(xì)胞的問題等。

人胚胎干細(xì)胞移植人體內(nèi)后的致癌性問題、抗原137

目前比較接近于實際應(yīng)用的種子細(xì)胞來源是從組織中分離出來的所謂“前驅(qū)細(xì)胞”，亦有稱之為組織干細(xì)胞。

目前比較接近于實際應(yīng)用的種子細(xì)胞來源是從組織中分138

由于此類細(xì)胞在向特定分化方向轉(zhuǎn)化上已得到了部分調(diào)控，但它們尚未完全分化，因而尚存有足夠的靈活性以發(fā)育成幾種不同的類型的細(xì)胞。

由于此類細(xì)胞在向特定分化方向轉(zhuǎn)化上已得到了部分139

來源于中胚層細(xì)胞的間充質(zhì)干細(xì)胞，它們存在于成人的骨髓中，在適當(dāng)?shù)恼T導(dǎo)條件下具有多向分化為肌腱、骨、軟骨、脂肪、基質(zhì)組織細(xì)胞的潛能，進而增殖培育成相應(yīng)的組織。目前研究較多的此類細(xì)胞包括：造血干細(xì)胞系、神經(jīng)干細(xì)胞系以及間充質(zhì)干細(xì)胞系等。

來源于中胚層細(xì)胞的間充質(zhì)干細(xì)胞，它們存在140

２．基質(zhì)材料

２．基質(zhì)材料

141

基質(zhì)材料類似于人體細(xì)胞外基質(zhì)、作為種子細(xì)胞以及細(xì)胞生長因子的載體，使種子細(xì)胞賴以定向分化增殖發(fā)育成相應(yīng)的組織?；|(zhì)材料亦有稱為細(xì)胞支架。理想的基質(zhì)材料起碼應(yīng)具有以下一些性能：

基質(zhì)材料類似于人體細(xì)胞外基質(zhì)、作為種子細(xì)胞以及142

a.生物相容性

除了具有一般生物材料的生物相容性要求，還要求它利于種子細(xì)胞的粘附、分化與增殖。

a.生物相容性

除了具有一般生物材料的生物相143

b.生物降解性

作為種子細(xì)胞的支架，一旦種細(xì)胞培育成組織，要求基質(zhì)材料降解并為人體所代謝，即基質(zhì)材料的降解速率與細(xì)胞生長的速率相適應(yīng)，降解速率應(yīng)可根據(jù)組織的生長特性加以調(diào)控。

b.生物降解性

作為種子細(xì)胞的支架，一旦144

c.具有三維多孔立體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)具有較高的比表面積和孔隙率，以利于種子細(xì)胞增殖、細(xì)胞外基質(zhì)沉積進而形成組織。其中較高的空隙率，利于營養(yǎng)、氧氣的進入和代謝廢物的排出，有利于血管與神經(jīng)的長入。

c.具有三維多孔立體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)具有145

d.材料—細(xì)胞界面

d.材料—細(xì)胞界面

146

基質(zhì)材料應(yīng)提供優(yōu)異的材料——細(xì)胞界面，利于細(xì)胞的粘附、生長，更重要的是應(yīng)能激活細(xì)胞特異基因的表達和維持正常細(xì)胞的表型表達。

基質(zhì)材料應(yīng)提供優(yōu)異的材料——細(xì)胞界面，利于細(xì)胞147

e.加工性能和機械強度

e.加工性能和機械強度

148

由于病損和缺失的組織、器件、器官，形狀尺寸變化較大，有的基質(zhì)材料甚至在手術(shù)植入時還需進一步加工，

由于病損和缺失的組織、器件、器官，形狀尺寸變149

有的基質(zhì)材料植入體內(nèi)需為新生組織維持一段時間的力學(xué)支撐，直至新生組織具有足夠的力學(xué)特性為止。

有的基質(zhì)材料植入體內(nèi)需為新生組織維持一段時150

f.滅菌性能

f.滅菌性能

151

基質(zhì)材料使用時均需滅菌。因此，要求滅菌過程對基質(zhì)材料的基本性能不產(chǎn)生明顯的影響

和不帶來新的生物學(xué)危害作用。

基質(zhì)材料使用時均需滅菌。因此，要求滅菌過程對152

目前在組織工程中應(yīng)用的基質(zhì)材料主要有三大類別：天然材料及其復(fù)合物；合成高分子可降解材料及其復(fù)合物；無機材料及其復(fù)合物。

目前在組織工程中應(yīng)用的基質(zhì)材料主要有三大類別153

a.天然材料

a.天然材料

154

目前應(yīng)用較多的有膠原（以Ｉ型膠原為主）、明膠、甲殼素、殼聚糖、海藻酸鹽、透明

質(zhì)酸鈉等。

目前應(yīng)用較多的有膠原（以Ｉ型膠原為主）、明膠、甲155

此類材料制成的細(xì)胞支架生物相容性一般較好。其界面利于種子細(xì)胞的粘附、分化、增殖。問題是這類材料濕態(tài)強度差，較易為體液的各種酶所降解，降解速率過快。

此類材料制成的細(xì)胞支架生物相容性一般較好。其156

目前，大都采用交聯(lián)的方法來提高強度與減緩降解速率。也有采用天然材料之間的復(fù)合，

目前，大都采用交聯(lián)的方法來提高強度與減緩降解速率157

b.合成可降解高分子材料

b.合成可降解高分子材料

158

目前應(yīng)用較多的品種是聚乙交酯（ＰＧＡ）、聚丙交酯即聚乳酸（ＰＬＡ）、聚己內(nèi)酯（ＰＣＬ）以及它們之間的各種共聚物。通過材料的組份、組成比、分子量、分子量分布等因素的調(diào)控來制備體內(nèi)降解速率（半降解期）可以從幾周到幾年、其它性能也不盡相同、各有特長的基質(zhì)材料。

目前應(yīng)用較多的品種是聚乙交酯（ＰＧＡ）、159

ＰＬＡ、ＰＧＡ及其共聚物在組織工程中采用的主要結(jié)構(gòu)形式有纖維支架、多孔泡沫以及管狀結(jié)構(gòu)等。

ＰＬＡ、ＰＧＡ及其共聚物在組織工程中采用的主要結(jié)160

纖維支架是由ＰＧＡ通過擠壓制成１０～１５μｍ的纖維，再通過編織加工技術(shù)形成編織加工技術(shù)形成編織狀或無紡狀結(jié)構(gòu)，孔隙率可高達９７％，面積體積比高達０.０５μｍ-1

纖維支架是由ＰＧＡ通過擠壓制成１０～１５μｍ的161

１.這樣形成的支架一般不能承擔(dān)壓力。

１.這樣形成的支架一般不能承擔(dān)壓力。

162

高度多孔的泡沫狀支架是一種較好的結(jié)構(gòu)形式?？捎枚喾N方式獲得多孔泡沫結(jié)構(gòu)，如：溶劑澆鑄、微粒溶出、氣體發(fā)泡、相分離等方法。其中氣體發(fā)泡法效果最好。

高度多孔的泡沫狀支架是一種較好的結(jié)構(gòu)形式?？?63

ＰＬＡ和ＰＧＡ及其共聚物還可制成管狀結(jié)構(gòu)用于尿道，小腸等管狀器官的基質(zhì)材料。

ＰＬＡ和ＰＧＡ及其共聚物還可制成管狀結(jié)構(gòu)用于尿道164

脂肪族聚酯類可降解高分子材料，作為基質(zhì)材料尚有一些不足的方法，有待改進：

脂肪族聚酯類可降解高分子材料，作為基質(zhì)材料尚有165

（１）親水性差，細(xì)胞粘附、生長增殖受阻。如：ＰＬＡ包埋的ＰＧＡ無紡纖維支架由于親水性差，細(xì)胞吸附力弱，滿足不了組織工程研究的要求。

（１）親水性差，細(xì)胞粘附、生長增殖受阻。如：Ｐ166

（２）引起無菌性炎癥。ＰＬＡ與ＰＧＡ在臨床應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)約有８％左右患者出現(xiàn)非特異性無菌性炎癥。平均分子量低于２萬時發(fā)病率增長，使用高分子量的ＰＬＡ只能遲緩而不能消除此種并發(fā)癥的發(fā)生。

（２）引起無菌性炎癥。ＰＬＡ與ＰＧＡ在臨床應(yīng)167

（３）抗壓強度差。大多數(shù)ＰＬＡ與ＰＧＡ無紡布支架均有抗壓強度差的問題。除了上述介紹的脂肪族聚酯可降解高分子材料及其復(fù)合物外，文獻中還報道采用聚偶磷氮（Polyphosphazenes）、聚原酸酯（Polyorthoesters,POE)、聚氨基酸（PolyaminoAcid)|bctisgxjrnpvsgxj(Polyesterurethane)等。

（３）抗壓強度差。大多數(shù)ＰＬＡ與ＰＧＡ無168

與天然材料相比，合成的材料最大缺點是缺乏細(xì)胞識別信號，不利于細(xì)胞特異性粘附及特異基因的激活，許多學(xué)者致力于將一些識別信號片斷，引入合成基質(zhì)材料表面與整體，以促進種子細(xì)胞的粘附、生長、增殖。

與天然材料相比，合成的材料最大缺點是缺乏細(xì)169

c.生物陶瓷

c.生物陶瓷

170

生物陶瓷指由金屬離子及非金屬離子以離子鍵結(jié)合的晶體材料。根據(jù)其在生理環(huán)境中的化學(xué)活性可分為四類：惰性生物陶瓷，表面活性生物陶瓷，可吸收性生物陶瓷與復(fù)合生物陶瓷。

生物陶瓷指由金屬離子及非金屬離子以離子鍵結(jié)合171

作為基質(zhì)材料一般采用可生物降解的可吸收性生物陶恣。主要有以下一些品種：

作為基質(zhì)材料一般采用可生物降解的可吸收性生物172（１）磷酸鈣陶瓷支架：磷酸

鈣陶瓷按其Ｃa/P比值分別為１.５、１.６７和２而分為磷酸三鈣、羥基磷灰石和磷酸四鈣，此外還有Ｃa/P比介于它們之間的物質(zhì)，如：氟代及氧代的羥基磷灰石。其中以羥基磷灰石（ＨＡ）與β磷酸三鈣（β-ΤCΡ）研究最多。

（１）磷酸鈣陶瓷支架：磷酸

鈣陶瓷按其Ｃa/173

７０年代的研究認(rèn)為骨骼中的無機成份主要是ＨＡ，因此認(rèn)為ＨＡ植入人體內(nèi)有利于骨組織的再生。

７０年代的研究認(rèn)為骨骼中的無機成份主要是ＨＡ，因174

近年的研究表明骨組織中的礦物質(zhì)是Ｃa/P＜１．５的碳酸鹽磷灰石，除鈣、磷外尚含有鎂、鈉、鉀及一些微量元素。

近年的研究表明骨組織中的礦物質(zhì)是Ｃa/P＜１175

許多學(xué)者研究以β-ＴＣＰ為主的支架及其在組織工程中的應(yīng)用取得一定的進展。由于磷酸鈣陶瓷表面的ξ電位效應(yīng)、濕潤性及游離的磷酸根離子不利于細(xì)胞的粘附、增殖，這方面改進的研究尚待深入。

許多學(xué)者研究以β-ＴＣＰ為主的支架及其在組織176

（２）碳酸鈣陶瓷支架：天然珊瑚（主要成份為碳酸鈣）制成的細(xì)胞支架在９０年代初即被用于作為人類骨髓細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、牙齦纖維細(xì)胞及胎鼠骨細(xì)胞的體外培養(yǎng)。實驗發(fā)現(xiàn)盡管培養(yǎng)早期人類細(xì)胞的貼壁率較低，但２０天后細(xì)胞數(shù)量和培養(yǎng)板一致，細(xì)胞的生理活性正常，分泌的骨唾蛋白，Ｉ型、ＩＩＩ型膠原、骨橋素均顯示陽性。細(xì)胞在支架上增殖持續(xù)時間長，碳酸鈣又是在體內(nèi)可降解的材料。

（２）碳酸鈣陶瓷支架：天然珊瑚（主要成177

（３）生物活性玻璃細(xì)胞支架：含磷和鈣的硅玻璃（SiO-ＣａＯ-ＨＰＯ４）可以部分降解，其中一類特殊結(jié)構(gòu)的稱為生物活性玻璃。其表面水解形成的水合層利于羥基磷灰石形成沉積，同時此類新生態(tài)的羥基磷灰石可選擇性吸附膠原、纖維粘連蛋白，從而使玻璃表面與骨及軟組織之間形成很好的生物相容界面，利于新骨形成。

（３）生物活性玻璃細(xì)胞支架：含磷和鈣的178

３.細(xì)胞生長因子

３.細(xì)胞生長因子

179

生長因子（GrowthFactor,GF)是具有定向誘導(dǎo)和激活組織分化、增殖，維持細(xì)胞生物活性等生物效應(yīng)的蛋白質(zhì)類物質(zhì)。它對于促進細(xì)胞增殖，以及組織的修復(fù)、再生具有重要的促進作用。

生長因子（GrowthFactor,GF)是180

生長因子的生理功能具有特異性和專一性，即每種生長因子只對某些細(xì)胞或某些細(xì)胞的某個分化階段發(fā)揮其生理功能。

生長因子的生理功能具有特異性和專一性，即每種生181

細(xì)胞生長因子并不能調(diào)控細(xì)胞分化的全過程。特別是利用生長因子來調(diào)控加快干細(xì)胞定向分化成目的細(xì)胞，利用一種生長因素，時常很難奏效。往往是若干種生長因子間協(xié)同作用方能調(diào)控向目的細(xì)胞的分化與增殖。

細(xì)胞生長因子并不能調(diào)控細(xì)胞分化的全過程。特別182

生長因子的作用往往與細(xì)胞表面相應(yīng)受體的活躍程度有關(guān)。如利用ＩＧＦ-Ｉ對肌腱細(xì)胞生長增殖的促進作用，其必要條件是ＩＧＦ-１受體系統(tǒng)的活躍。

生長因子的作用往往與細(xì)胞表面相應(yīng)受體的活躍183

利用細(xì)胞因子來促進種子細(xì)胞的分化與增殖，雖是很有效的技術(shù)手段，但要成功地運用自如尚有相當(dāng)多的問題需要研究加以解決。

利用細(xì)胞因子來促進種子細(xì)胞的分化與增殖，雖是184

４.培養(yǎng)的生物環(huán)境

４.培養(yǎng)的生物環(huán)境

185

目前許多研究者強調(diào)組織工程中細(xì)胞培養(yǎng)與擴增，應(yīng)當(dāng)是三維，因此推崇采用微重力效應(yīng)下，細(xì)胞與組織三維培養(yǎng)技術(shù)。

目前許多研究者強調(diào)組織工程中細(xì)胞培養(yǎng)與擴增，應(yīng)186

我們應(yīng)當(dāng)看到人體的細(xì)胞的種類是非常多的，不同組織與器官所在的生理環(huán)境（包括力學(xué)環(huán)境）千差萬別。因此，在某些特定環(huán)境中應(yīng)用的組織只有在特定的環(huán)境條件下培養(yǎng)才能符合臨床應(yīng)用的要求。

我們應(yīng)當(dāng)看到人體的細(xì)胞的種類是非常多的，不187

因此，研究組織工程中細(xì)胞培養(yǎng)與擴增條件時，應(yīng)當(dāng)重視在與人體生理環(huán)境類似條件下的培養(yǎng)。特別是人體的許多組織的再生能力很強：如人的膀胱，研究在人體環(huán)境下膀胱的再生無疑是非常有科學(xué)價值的研究方向。

因此，研究組織工程中細(xì)胞培養(yǎng)與擴增條件時，應(yīng)188

二、組織工程一些活躍的研究領(lǐng)域

二、組織工程一些活躍的研究領(lǐng)域

189

組織工程的目標(biāo)旨在研制、開發(fā)能夠修復(fù)損傷或缺失組織功能的體內(nèi)植入物。因此，組織工程的一些活躍的研究多集中在能夠較快地在臨床應(yīng)用、可形成商品化、應(yīng)用前景較明確的一些領(lǐng)域。

組織工程的目標(biāo)旨在研制、開發(fā)能夠修復(fù)損傷或缺失190

１.骨組織工程

１.骨組織工程

191

將基質(zhì)材料與生長因子（主要是骨形成蛋白rhBMP-２和人轉(zhuǎn)移生長因子βｒｈＴＧＦ-β。在體外組裝后植入體內(nèi)，通過生長因子分子誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化、增殖進而長成新骨。這對于小區(qū)域骨缺損的修復(fù)有較好的療效。

將基質(zhì)材料與生長因子（主要是骨形成蛋白rh192

另一種思路，利用體外細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)增殖獲得足夠數(shù)量的成骨細(xì)胞，然后與基質(zhì)材料在體外組裝后植入缺損部位。目前，正在利用后一種思路研究長骨的體內(nèi)生物植入物。

另一種思路，利用體外細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)增殖獲得足夠數(shù)193

ＢＭＰ在人體內(nèi)發(fā)揮作用的時間受到限制，有的學(xué)者提出將控制ＢＭＰ合成的ＤＮＡ質(zhì)粒復(fù)合于基質(zhì)材料中植入人體，這樣可以在骨組織形成過程中不斷合成ＢＭＰ，促進成骨細(xì)胞生長。

ＢＭＰ在人體內(nèi)發(fā)揮作用的時間受到限制，有的學(xué)者194

２．皮膚組織工程

２．皮膚組織工程

195

最早的皮膚生物替代物是源于患者本人的角質(zhì)細(xì)胞在高鈣條件下的復(fù)層模片，爾后將其用酶從培養(yǎng)瓶中消化下來，移植至斷層或全層皮膚創(chuàng)面。

最早的皮膚生物替代物是源于患者本人的角質(zhì)細(xì)胞196

之后，較成功的實驗是將新生兒包皮中成纖維細(xì)胞與牛Ｉ型膠原制成真皮替代物。表面由自體表皮細(xì)胞覆蓋，成功地用于人體創(chuàng)面復(fù)蓋。

之后，較成功的實驗是將新生兒包皮中成纖維細(xì)胞197

近年，由膠原與硫酸軟骨素復(fù)

合的模擬真皮；ＰＧＡ和ＰＬＡ作支架移植新生兒包皮成纖維細(xì)胞增殖后制成的人工真皮；去除包含有郎罕氏細(xì)胞的表皮成份，經(jīng)過一段時間冷藏的無細(xì)胞異體真皮等產(chǎn)品均在燒傷創(chuàng)面應(yīng)用獲得成功。

近年，由膠原與硫酸軟骨素復(fù)

合的模擬真皮；Ｐ198

人工皮膚是最早被ＦＤＡ批準(zhǔn)上市的組織工程產(chǎn)品。

人工皮膚是最早被ＦＤＡ批準(zhǔn)上市的組織工程產(chǎn)品。199

皮膚生物工程產(chǎn)品的設(shè)計已趨成熟，即此種皮膚替代物應(yīng)用表皮、真皮兩層，表皮中的細(xì)胞應(yīng)具有分化、增殖的能力，表皮與真皮之間的緊密粘附，通過兩層細(xì)胞間的相互作用實現(xiàn)人工組織植入物的功能。

皮膚生物工程產(chǎn)品的設(shè)計已趨成熟，即此種皮膚替代200

３．肌腱、軟骨組織工程

３．肌腱、軟骨組織工程

201

結(jié)締組織的替代是重建外科的熱點，其中尤以肌腱與軟骨修復(fù)受到關(guān)注。

結(jié)締組織的替代是重建外科的熱點，其中尤以肌腱202

ＰＧＡ與間充質(zhì)細(xì)胞構(gòu)成的人工組織植入裸鼠皮下、兔子的關(guān)節(jié)缺損進行了廣泛的研究，證明可以形成軟骨，肌腱和新生骨。還可以進行血管化再生組織的培養(yǎng)。

ＰＧＡ與間充質(zhì)細(xì)胞構(gòu)成的人工組織植入裸鼠皮下203

軟骨的體外培養(yǎng)已獲成功，關(guān)鍵是要得到足夠的厚度與相應(yīng)的強度。體外培養(yǎng)中新生軟骨超過一定的厚度，中心區(qū)域的軟骨細(xì)胞由于距離邊緣遠(yuǎn)而無法得到充足的營養(yǎng)和氧氣，無法對各種生長因子的刺激作出響應(yīng)，也不能排除代謝廢物。國外采用一種旋轉(zhuǎn)式生物反應(yīng)器，在此反