人工真皮支架研究現(xiàn)狀及其發(fā)展,醫(yī)學(xué)工程論文

人工真皮支架研究現(xiàn)在狀況及其發(fā)展,醫(yī)學(xué)工程論文人工真皮支架材料是運(yùn)用生物化學(xué)方式方法將天然或人工合成的聚合物運(yùn)用于臨床，以到達(dá)維持皮膚干細(xì)胞繁衍，且對人體無毒性作用的生物材料。良好的人工真皮支架材料，能夠讓皮膚組織工程盡可能地接近正常皮膚組織，以到達(dá)皮膚再生的目的。當(dāng)前的研究重點(diǎn)是將人工合成類聚合物與天然材料通過一定的生物化學(xué)方式方法及比例進(jìn)行組合，以構(gòu)成具有良好的可塑性及適宜的力學(xué)特性、高度孔隙度的三維立體構(gòu)造及生物相容性的復(fù)合型支架。支架材料作為再生模板和基材，其在創(chuàng)面修復(fù)的經(jīng)過中，不僅起到支持細(xì)胞和組織的作用，還能影響細(xì)胞的發(fā)展形態(tài)，調(diào)控和誘導(dǎo)細(xì)胞與組織的分化，以此構(gòu)成新的組織或器官。人工真皮支架材料需要在人體中構(gòu)成具有良好生物相容性、可降解性及抗菌性，且以利于皮膚干細(xì)胞黏附，并在其外表上生長繁衍，為皮膚干細(xì)胞提供良好的微環(huán)境[1].適宜的支架材料在人工真皮創(chuàng)面的修復(fù)經(jīng)過中起著極其重要的作用。按其來源分為人工合成類與天然類，且各有優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)分別綜述人工真皮支架研究現(xiàn)在狀況及其發(fā)展，并列舉新的研究重點(diǎn)。1人工合成類真皮支架材料當(dāng)前合成類支架材料以聚乙交酯、聚己內(nèi)酯、聚羥基烷酸酯、聚碳酸酯類等聚酯類支架材料為主。作為支架材料，其降解速度具有可調(diào)控性，且具有出色的機(jī)械性能。因而，合成類支架在生物工程皮膚中占有一席之地。1.1聚乙交酯聚乙交酯又稱為聚羥基乙酸,其降解產(chǎn)物為對人體無毒性作用的H2O和CO2.因其可被制成具有良好的三維構(gòu)造的材料，能夠?yàn)榧?xì)胞提供適宜的黏附場所。其良好的生物相容性、可降解性及顯微構(gòu)造使其成為支架材料的可選材料之一。Sekiya等[2]將電紡技術(shù)生產(chǎn)的聚乙交酯/膠原納米纖維應(yīng)用于小鼠的皮膚缺損模型，并將其與市售的膠原基質(zhì)在顯微鏡下進(jìn)行比照。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在聚乙交酯/膠原組織學(xué)表現(xiàn)出較高的細(xì)胞密度和細(xì)的顯微組織構(gòu)造。證明聚乙交酯/膠原納米纖維作為支架材料能夠有效地促進(jìn)微血管生成。郭正等[3]結(jié)合聚乙交酯纖維和聚丙交酯纖維體外降解性及細(xì)胞在2種纖維上黏附情況的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了一種新型纖維基組織工程肌腱支架，其具有適宜的降解速度，又能為細(xì)胞黏附提供場所，可作為一種理想的支架材料。1.2聚己內(nèi)酯聚己內(nèi)酯降解后的產(chǎn)物為CO2和H2O,不對人體產(chǎn)生任何毒性。Gholipour-Kanani等[4]運(yùn)用人工合成類聚合物與天然材料根據(jù)一定的比例組合成聚己內(nèi)酯-脫乙酰殼聚糖-聚〔乙烯醇〕納米纖維支架，并將其應(yīng)用在小鼠的全層皮膚缺損及燒傷模型中，并與單獨(dú)運(yùn)用人工合成類聚合物基天然支架進(jìn)行比照。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該類支架在創(chuàng)面修復(fù)經(jīng)過中更能表現(xiàn)出良好促進(jìn)傷口愈合的能力。Duan等[5]通過在改性明膠和聚己內(nèi)酯電紡膜上播種人角化細(xì)胞〔HaCaT〕并對HaCaT細(xì)胞附著和增殖進(jìn)行測定，結(jié)果顯示，其具有良好的生物相容性；并將其應(yīng)用到裸鼠的皮膚缺損中，結(jié)果顯示，其具有良好的修復(fù)能力。運(yùn)用靜電紡絲技術(shù)將殼聚糖/聚己內(nèi)酯制成的納米纖維支架材料能夠加強(qiáng)支架的生物活性，且促進(jìn)蛋白質(zhì)吸附于支架上，其與真皮類似的、良好的納米孔徑能夠更好地誘導(dǎo)肉芽生長[6].1.3聚氨酯聚氨酯全稱為聚氨基甲酸酯，其具有優(yōu)良的生物體相容性，因而，其作為生物醫(yī)用材料具有良好的應(yīng)用前景。Mi等[7]通過掃描電子顯微鏡〔SEM〕觀察聚乳酸〔PLA〕和熱塑性聚氨酯〔TPU〕發(fā)現(xiàn)，其微觀構(gòu)造和外表粗糙具有作為人工支架的機(jī)械性能，并在材料上培養(yǎng)3T3成纖維細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，該支架支持細(xì)胞增殖和遷移正常，以為其具有作為組織工程支架的可能性。Kim等[8]利用蜂膠與靜電紡絲化的聚氨酯復(fù)合納米纖維根據(jù)一定的比例合成一種新的聚合物〔靜電蜂膠/聚氨酯復(fù)合納米纖維〕，通過電場槍掃描電子顯微鏡、藥敏試驗(yàn)、細(xì)胞吸附試驗(yàn)、細(xì)胞生長及MTT試驗(yàn)顯示，靜電蜂膠/聚氨酯復(fù)合納米纖維具有良好的氧通透性、抗菌性、細(xì)胞黏附性及生物相容性，展示其在傷口敷料及皮膚組織工程上具有的宏大潛力。Heo等[9]利用銀離子的抗菌性，將銀磺胺嘧啶與聚氨酯及明膠混合構(gòu)成共聚物支架，該種支架在促進(jìn)皮膚再生的同時(shí)，也能夠防止細(xì)菌的入侵，促進(jìn)傷口愈合。2天然類支架材料膠原、殼聚糖、透明質(zhì)酸、羧甲基殼聚糖及絲素蛋白等作為天然類支架材料，其容易獲得，制作工藝不復(fù)雜，制作成本較低，且在組織相容性、理化性能及生物降解性等方面，相比人工合成材料有良好的優(yōu)勢。但存在抗原性能否完全消除、疾病傳播的可能及降解速度難以把握等缺點(diǎn)。當(dāng)前的研究主要在于將天然支架的材料根據(jù)一定的生化技術(shù)與其進(jìn)行組合，以改善其缺乏之處，并設(shè)計(jì)出愈加適宜的支架材料。2.1膠原膠原凝膠和膠原海綿作為支架材料具有較長的歷史，由于其來源廣泛，具有良好的細(xì)胞黏附性，還可誘導(dǎo)某些細(xì)胞生長因子的釋放，具有良好的可降解性，其產(chǎn)品被廣泛用于組織工程皮膚支架。Integra人工真皮以牛膠原為主要成分共價(jià)交聯(lián)而成，在大面積燒傷創(chuàng)面使用經(jīng)過中，可促進(jìn)肉芽組織的浸潤生長，且具有不易感染的效果，同時(shí)在增生性瘢痕的治療方面也具有顯著的效果[10-12].這種產(chǎn)品已經(jīng)在Ⅲ度及以上的燒傷創(chuàng)面治療中得到廣泛的臨床試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其具有愈合時(shí)間短的優(yōu)勢[13].日本開發(fā)出一種雙層人工皮膚皮耐克〔Pelanac〕，內(nèi)層為豬皮膚Ⅰ型膠原海綿，外層為硅橡膠組成，厚約3mm,孔徑62~100m,臨床移植后3周揭去硅膠膜可見新合成的類真皮樣組織，再在其外表移植自體斷層皮片可獲得滿意的療效[14].當(dāng)前很多研究表示清楚，膠原與其他高分子物質(zhì)所構(gòu)成的復(fù)合支架在臨床應(yīng)用中具有更好的生物相容性及其他理化性質(zhì)。Zulkifli等[15]發(fā)現(xiàn)，膠原羥乙基纖維素/聚〔乙烯醇〕醇納米纖維支架在細(xì)胞穩(wěn)定性及生物相容性方面具有良好的表現(xiàn)。當(dāng)前對于膠原類支架主要研究其外表改性以促進(jìn)其在皮膚再生中的良好作用。Gautam等[16]通過外表改性的Ⅰ型膠原與納米纖維聚己內(nèi)酯/明膠及成纖維細(xì)胞組合成支架，并發(fā)現(xiàn)該類支架能夠維持良好的成纖維細(xì)胞形態(tài)。Morimoto等[17]將緩釋堿性成纖維細(xì)胞生長因子組合于膠原蛋白/明膠支架，該支架利用了成纖維細(xì)胞生長因子能促進(jìn)成纖維細(xì)胞生長的優(yōu)點(diǎn)，且成纖維細(xì)胞在創(chuàng)面的愈合經(jīng)過中起著極其重要的作用，能夠有效地促進(jìn)創(chuàng)面愈合，Morimoto等[17]將其應(yīng)用于臨床慢性潰瘍患者獲得了良好療效，外表生長因子能夠更好地誘導(dǎo)肉芽組織在支架中構(gòu)成。2.2透明質(zhì)酸透明質(zhì)酸是天然細(xì)胞外基質(zhì)中的重要多糖成分。其作為支架材料可與皮膚干細(xì)胞外表受體結(jié)合，進(jìn)而影響其在支架中的黏附、增殖、分化和移動(dòng)，進(jìn)而使得皮膚干細(xì)胞在創(chuàng)面修復(fù)中起到有效作用，使得創(chuàng)面得到更好修復(fù)。其衍生物具有優(yōu)良的生物相容性和可降解性，因而，現(xiàn)已將其廣泛應(yīng)用于藥物媒介和組織工程材料[18].Monteiro等[19]提出使用噴霧型透明質(zhì)酸支架，該支架的多孔性及聚電解質(zhì)多層膜可促進(jìn)細(xì)胞黏附，促進(jìn)皮膚表皮屏障功能的恢復(fù)。Quan等[20]對接種有血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子的明膠/軟骨素/6-硫酸鹽透明質(zhì)酸支架進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，該類支架具有良好誘導(dǎo)新生血管構(gòu)成的能力，在促進(jìn)皮膚再生方面具有重要的作用。細(xì)胞外基質(zhì)作為真皮的主要成分，在皮膚再生經(jīng)過中，構(gòu)成類細(xì)胞外基質(zhì)也是創(chuàng)面修復(fù)的重要經(jīng)過，因而，Wang等[21]通過對膠原蛋白/硫酸軟骨素/透明質(zhì)酸不同比例與細(xì)胞外基質(zhì)的類似性進(jìn)行比照研究，發(fā)現(xiàn)9∶1∶1的膠原蛋白/硫酸軟骨素/透明質(zhì)酸支架在構(gòu)造和功能上均與細(xì)胞外基質(zhì)類似，且在大鼠的全程皮膚缺損修復(fù)中表現(xiàn)良好。2.3殼聚糖殼聚糖是甲殼素的脫乙?；a(chǎn)物,其在體內(nèi)的降解產(chǎn)物為容易被人體吸收的氨基葡萄糖，不對人體產(chǎn)生毒性作用。近年來研究發(fā)現(xiàn)，殼聚糖具有廣譜抗菌性，可有效地抑制細(xì)菌在創(chuàng)面的生長，降低感染發(fā)生率。有研究表示清楚，殼聚糖及其衍生物由于具有與大分子物質(zhì)良好相容性的多孔凝膠構(gòu)造，使其成為一種很有發(fā)展前景的組織工程材料[22].Tsao等[23]開發(fā)了一種具有多孔殼聚糖/海藻酸鈉和殼聚糖/聚乙二醇構(gòu)造〔C-PEG〕凝膠的雙層復(fù)合支架，其目的在于創(chuàng)造一個(gè)促進(jìn)皮膚愈合的微環(huán)境。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該種支架可增加支架中的角質(zhì)構(gòu)成細(xì)胞及成纖維細(xì)胞，且可提高角質(zhì)構(gòu)成細(xì)胞的成熟細(xì)胞增殖速率。單一的天然支架或人工合成支架均已用于創(chuàng)面的修復(fù)，但均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。因而，Gholipour-Kanani等[4]運(yùn)用人工合成類聚合物與天然材料根據(jù)一定的比例組合成聚己內(nèi)酯/脫乙酰殼聚糖/聚〔乙烯醇〕納米纖維支架，并將其應(yīng)用在小鼠的全層皮膚缺損及燒傷模型中；與單獨(dú)運(yùn)用人工合成類聚合物基天然支架進(jìn)行比照發(fā)現(xiàn)，該類支架在創(chuàng)面修復(fù)經(jīng)過中更能表現(xiàn)出良好的促進(jìn)愈合的能力。皮膚創(chuàng)面由于缺乏角質(zhì)層的保衛(wèi)，創(chuàng)面出現(xiàn)感染的概率也較高，只要在控制創(chuàng)面感染的情況下，進(jìn)行皮膚再生才具有意義，而葡萄球菌在感染創(chuàng)面中最常見。Szweda等[24]將溶葡萄球菌酶加載于殼聚糖蛋白支架發(fā)現(xiàn)，其具有較高的抗葡萄球菌活性，因而，該類支架可用于解決感染相關(guān)問題。2.4絲素蛋白絲素蛋白具有可被人體攝取的11種氨基酸，且具有良好的柔韌性和抗拉伸強(qiáng)度等機(jī)械性能。根據(jù)需求，將其與合成材料制備成復(fù)合材料，可同時(shí)獲得具有良好生物及理化性能的支架材料。Lee等[25]通過對納米纖維靜電絲素蛋白皮膚與人工脫細(xì)胞異體真皮〔Matriderm〕在全層皮膚缺損創(chuàng)面進(jìn)行生物相容性及降解性比照證明，靜電絲素蛋白皮膚擁有更好的生物相容性及可降解性，且可抑制創(chuàng)面瘢痕構(gòu)成，因而，絲素蛋白可作為支架材料的可選材料之一。多孔絲素蛋白支架在促進(jìn)血管生成誘導(dǎo)細(xì)胞進(jìn)入支架方面具有良好的作用，有良好的生物相容性[26].絲素蛋白可促進(jìn)細(xì)胞增殖的可行性及其模擬細(xì)胞外基質(zhì)的能力，使得其可稱為生物工程支架，但其細(xì)胞增殖的可控性尚待探究，過度增殖可導(dǎo)致創(chuàng)面恢復(fù)效果較差。Chung等[27]通過比照絲素蛋白/殼聚糖/透明質(zhì)酸支架與普通絲素蛋白支架的細(xì)胞增殖能力發(fā)現(xiàn)，該種復(fù)合支架具有可抑制細(xì)胞增殖的能力，以避免過度增殖而影響最終效果。3展望人工真皮支架材料需要在人體中構(gòu)成具有良好生物相容性、可降解性及抗菌性，且以利于皮膚干細(xì)胞黏附，并在其外表生長繁衍，為皮膚干細(xì)胞提供良好的微環(huán)境[1].人工合成類支架具有良好的機(jī)械性能,然而在生物相容性、可降解性及抗菌性方面遠(yuǎn)不如天然類支架。當(dāng)前已有復(fù)合類支架結(jié)合了2種支架的優(yōu)勢并運(yùn)用于動(dòng)物的全層皮膚缺損及燙傷模型[25],并且獲得了良好的效果。應(yīng)用生化方式方法將人工合成支架及天然支架材料根據(jù)特定的比例進(jìn)行組配，構(gòu)成復(fù)合類支架，是將來組織工程支架的發(fā)展方向。人體各個(gè)部位的皮膚在構(gòu)造與厚度上具有一定差異，然而當(dāng)前商業(yè)化皮膚的規(guī)格都較固定，移植到創(chuàng)面后，即便其誘導(dǎo)本身細(xì)胞及組織對缺損創(chuàng)面進(jìn)行修復(fù)，但修復(fù)后與本身組織仍有很大差距。在臨床上，創(chuàng)面修復(fù)的目的是最大限度地使移植后的組織工程化皮膚具有正常皮膚的形態(tài)與功能。