组织工程技术

基本简介

组织工程主要有软骨和骨组织构建、组织工程血管、神经组织工程、皮肤组织工程、口腔组织工程、肌腱韧带组织工程、眼角膜组织工程和肝、胰、肾、泌尿系统组织工程，定义：应用生命科学与工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下的组织结构与功能关系的基础上，研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科。

研究方向

Tissue Growth Technologies致力于提供最先进的三维细胞组织培养生物反应器技术使组织工程的研究更进一步。

组织工程一词最早是在1987年美国科学基金会在华盛顿举办的生物工程小组会上提出，1988年正式定义为：应用生命科学与工程学的原理与技术。

组织工程研究主要包括四个方面：种子细胞、生物材料、构建组织和器官的方法和技术以以及组织工程的临床应用。目前临床上常用的组织修复途径大致有3种：即自体组织移植、异体组织移植或应用人工代用品。这三种方法都分别存在不足，如免疫排斥反应及供体不足等。组织工程的发展将从根本上解决组织和器官缺损所致的功能障碍或丧失治疗的问题。组织工程的核心是建立由细胞和生物材料构成的三维空间复合体，这与传统的二维结构（如细胞培养）有着本质的区别，其最大优点是可形成具有生命力的活体组织，对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代；用最少的组织细胞通过在体外培养扩增后，进行大块组织缺损的修复；可按组织器官缺损情况任意塑形，达到完美的形态修复。

作为一种新兴产业，组织工程具有良好的发展前景和广阔的应用市场，其商业利润非常诱人。所以一些研究机构与大公司联手进行开发研究，仅1997年直接用于组织工程研发的费用就达5亿多美元，并以每年22%的速度增长。相信随着科学技术的发展，组织工程即将或正在成为治疗组织、器官衰竭的有效疗法和辅助手段。

第一课、组织工程研究内容

组织工程（Tissue Engineering）是近年来正在兴起的一门新兴学科，组织工程一词最早是由美国国家科学基金会1987年正式提出和确定的。它是应用生命科学和工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下结构与功能关系的基础上，研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态生物替代物的科学。

组织工程的核心就是建立细胞与生物材料的三维空间复合体，即具有生命力的活体组织，用以对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。共基本原理和方法是将体外培养扩增的正常组织细胞，吸附于一种生物相容性良好并可被机体吸收的生物材料上形成复合物，将细胞-生物材料复合物植入机体组织、器官的病损病分，细胞在生物材料逐渐被机体降解吸收的过程中形成新的在形态和功能方面与相应器官、组织相一致的组织，而达到修复创伤和重建功能的目的。

在此，生物相容性好、可被人体降解吸收的组织工程支架材料称为细胞外基质（ECM），其功能是为细胞提供生存空间，使细胞获足够的营养物质，进行气体交换，并使细胞按预制形态的三维支架生长。在细胞和生物材料的复合体植入机体病损部位后，生物支架被降解吸收，但种植的细胞继续增殖繁殖，形成新的具有原来特殊功能和形态的相应组织器官。

组织工程是继细胞生物学和分子生物学之后，生命科学发展史上的又一新的里程碑，它标志着医学将走出器官移植的范畴，步入制造组织和器官的新时代。同时，组织工程学作为一门多学科交叉的边缘学科，将带动和促进相关高技术领域的交叉、渗透和发展，并由此演化出新的高技术产业。组织工程将是21世纪具有巨大潜能的高技术产业，必将产生巨大的社会和经济效益。

组织工程的概念一提出，就受到各国学者的广泛关注，美国在1988年就以基金和资助的形式建立了一系列实验室。目前，美国已有相当数量的研究机构（包括NASA、DOE、NIH等），许多相关大学（包括MIT、HMS、GIT、UCSD、UMASTFFU）都参与了组织工程的研究。同时，我国的许多学者以敏锐的科研意识与思维，不约而同掀起了一股组织工程热，目前已在软骨、骨、肌腱、血管、皮肤、角膜等领域取得了可喜的进展。组织工程研究包括以前四个方面。

我们已经拥有了，三维力学加载细胞组织工程培养系统、荧光蛋白标记共聚焦显微镜实时观测软骨三维应力培养系统、3D血管搏动应力剪切培养系统、3d肌腱韧带关节滑膜口腔黏膜肠膜牵拉张应力培养生物反应器、三维组织工程神经培养系统、3d心脏瓣膜培养系统、三维骨应力刺激生物反应器、三维皮肤眼角膜力学机械刺激生物反应器、3D灌注培养生物反应器、3d支架培养系统、多样品三维力学加载细胞组织培养系统等组织工程三维细胞组织培养高科技研究技术与系统。

一、种子细胞研究

种子细胞的培养是组织工程的基本要素，细胞主要来源于自体、同种异体、异种组织细胞等。自体组织细胞应为首选。由于组织工程细胞培养多需要高浓度的细胞接种，自体组织细胞存在着数量上的局限性及长期传代后细胞功能老化的问题。现在的研究多集中于以下的几个方面：

Fischer LJ, McIlhenny S, Tulenko T, Golesorkhi N, Zhang P, Larson R, Lombardi J, Shapiro I, DiMuzio P. Endothelial Differentiation ofadipose-Derived Stem Cells: Effects of Endothelial Cell Growth Supplement and Shear Force. Journal of Surgical Research. 2009 March; 152 (1):157-166.PubMedPMID19883577.

Background

Adipose tissue is a readily available source of multipotent adult stem cells for use in tissue engineering/regenerative medicine. Various growth factors have been used to stimulate acquisition of endothelial characteristics by adipose-derived stem cells (ASC).hereinwe study the effects of endothelial cell growth supplement (ECGS) and physiological shear force on the differentiation of ASC into endothelial cells.

Materials and methods

Human ASC (CD13+29+90+31−45−) were isolated from periumbilical fat, cultured in ECGS media (for up to 3 wk), and exposed to physiological shear force (12 dynes for up to 8 d) in vitro. Endothelial phenotype was defined by cord formation on Matrigel, acetylated-low density lipoprotein (acLDL) uptake, and expression of nitric oxide synthase (eNOS), von Willebrand factor (vWF), andCD31(platelet endothelial cell adhesion molecule, PECAM). Additionally, cell thrombogenicity was evaluated by seedingcanineautologous ASC onto vascular grafts implanted within the canine arterial circulation for 2 wk.

Results

We found thatundifferentiatedASC did not display any of the noted endothelial characteristics. After culture in ECGS, ASC formed cords in Matrigel but failed to take up acLDL or express the molecular markers. Subsequent exposure to shear resulted in stem cell realignment, acLDL uptake, and expression of CD31; eNOS and vWF expression was still not observed. Grafts seeded with cells grown in ECGS (± shear) remained patent (six of seven) at 2 wk but had a thin coat of fibrin along the luminal surfaces.

Conclusions

This study suggests that (1) ECGS and shear promote the expression of several endothelial characteristics in human adipose-derived stem cells, but not eNOS or vWF; (2) their combined effects appear synergistic; and (3) stem cells differentiated in ECGS appearmildlythrombogenic in vitro, possibly related, in part, toinsufficienteNOS expression. Thus, while the acquisition of several endothelial characteristics by adult stem cells derived from adipose tissue suggests these cells are a viable source of autologous cells for cardiovascular regeneration, further stimulation/modifications are necessary prior to using them as a true endothelial cell replacement.

1．载体等技术用于细胞的快速增殖。

2．干细胞工程干细胞工程是利用现代生物医学和组织工程技术，通过对间充质干细胞、胚胎干细胞、血管-造血干细胞、神经干细胞和皮肤、肌肉等前体细胞，进行体外分离纯化、定向诱导分化、转基因及核移植、大量扩增和整合构建，在体外重构人骨、软骨、肌肉、肌腱、瓣膜、脂肪、真皮、基质、神经、血管、皮肤、角膜以及造血和免疫等组织。它作为组织工程的“上游”研究，对未来的组织器官修复和替代具有极其重要的作用和深远的影响。在组织器官的细胞来源、细胞扩增与定向诱导分化、重构组织器官的种类、重构效率、重构组织器官的植入等方面，与传统的组织工程相比均存在着明显的不同和优势。其中骨髓基质干细胞是一研究热点。

3．采用各种生长因子和端粒酶调节与延缓细胞的老化。

4．采用各种方法（包括自身转化、化学、物理、病毒等方法）诱导细胞发生转化，使其倍增时间减少，永生化或生命期延长，也是一个努力方向。

但是要建立适于组织工程需要的种子细胞，需要解决以下问题：①增加细胞的增殖能力；②延长细胞的生命期；③提高细胞的分泌能力；④优选不同组织来源的同一功能的最佳细胞；⑤建立标准细胞系，使研究工作有更好的可比性和科学性；⑥同种异体与异种移植的免疫学；⑦细胞与人工细胞外基质的相互作用及影响因素。

采用同种异体细胞来源，在目前仅对少数组织细胞（如软骨组织的组织工程培养）有望获得成功。

Wendt, D., et. al. . 2006. Biorheology. Uniform tissues engineered by seeding and culturing cells in 3D scaffolds under perfusion at defined oxygen tensions. 43 (3-4): 418-488.......

In this work, we assessed whether culture ofuniformlyseededchondrocytesunder direct perfusion, which supplies the cells with normoxic oxygen levels, can maintain a uniform distribution of viable cells throughout porous scaffolds several milimeters in thickness, and support the development of uniform tissue grafts. An integrated bioreactor system was first developed tostreamlinethe steps of perfusion cell seeding of porous scaffolds and perfusion culture of the cell-seeded scaffolds. Oxygen tensions in perfused constructs were monitored by in-line oxygen sensors incorporated at the construct inlet and outlet. Adult humanarticularchondrocytes were perfusion-seeded into 4.5 mm thick foam scaffolds at a rate of 1 mm/s. Cell-seeded foams were then either cultured statically in dishes or further cultured under perfusion at a rate of 100 μm/s for 2 weeks. Following perfusion seeding, viable cells were uniformly distributed throughout the foams. Constructs subsequently cultured statically were highly heterogeneous, with cells and matrix concentrated at the constructperiphery. In contrast, constructs cultured under perfusion were highly homogeneous, with uniform distributions of cells and matrix. Oxygen tensions of the perfused medium were maintained near normoxic levels (inlet ≅ 20%, outlet > 15%) at all times of culture. We have demonstrated that perfusion culture of cells seeded uniformly within porous scaffolds, at a flow rate maintaining a homogeneous oxygen supply, supports the development of uniform engineering tissue grafts of clinically relevant thicknesses.

在这项工作中，我们评估直接灌

二、细胞外基质的研究

细胞外基质（extracelluarmatrix,ECM）包括均质状态的基质（蛋白多糖、糖蛋白）和细丝状的胶原纤维。ECM是细胞附着的基本框架和代谢场所，其形态和功能直接影响所构成的组织形态和功能。

理想的ECM应具有以下特点：①生物相容性好，在体内不引起炎症反应和毒性反应；②有可吸收性，能彻底地被自身组织所取代；③有可塑性，可塑为任意的三维结构，植入后在体内仍可保持特定形状；④表面化学特性和表面微结构利于细胞的粘附和生长；⑤降解速率可根据不同细胞的组织再生速率而进行调整。

目前组织工程所应用的材料很多，主要分为以下几类：

1．天然ECM早期人们采用胶原制作人工皮和血管的模型，由于胶原存在着力学性质差，不稳定，在体内被吸收过快等缺点，限制了它的应用。现在主要研究集中于采用脱细胞技术制造天然的ECM，其优点在于可以作为组织充填物而长期存在，有较好的组织相容性和亲和性，完整的天然ECM内可能存在着某些复合生长因子，可诱导调节细胞的生长、繁殖、分化等。

Shinoka, T. 2002. Artificial Organs. Tissue Engineered Heat ValVES: Autologous Cell Seeding onbiodegradablePolymer Scaffold. 26(5): 402-406.

2．人工的ECM目前研究最多订有聚乳酸（polylacticacidPLA）、聚羟基乙酸（polyglycolicacidPGA）、两者的共聚物（PGA-PLA）、聚ρ-羟基丁酯（PHB）；聚乳酸-已内酯的共聚物（PCL）、聚原酸酯、聚磷本酯、聚酸酐等。这些材料的共同特点是：具有生物相容性及可塑性，在体内可逐步分解为小分子如乳酸、羟基乙酸等，目前研究主要集中于人工材料的改性、复合某些生长因子等。尽管这些聚合物植入体内会出现或多或少炎症反应，但有望通过进一步的纯化而减弱或消失。

3．天然高分子同合成高分子的复全物如胶原-PCA的复合特等。

4．有机材料同无机材料的复合物

如羟基磷灰石-甲壳素的复合物，羟基磷灰石-PLA的复合物等。

Willenberg,B.J., et al. 2006. Journal of Biomaterials Res A. Self-assembled copper-capillary alginate gel scaffolds with oligochitosan support embryonic stem cell growth. 79(2): 440-50.

三、组织器官的构建

组织和器官的构建因应用于不同的方面，方法也不相同。但其本质都是把种子细胞与支架材料结合得到设计的组织或器官。在此，仅以组织工程骨的构建和血管的构建为例。

1．骨组织构建

构建组织工程骨的方式有几种：①支架材料与成骨细胞；②支架材料与生长因子；③支架材料与成骨细胞加生长因子。

生长因子通过调节细胞增殖、分化过程并改变细胞产物的合成而作用于成骨过程，因此，在骨组织工程中有广泛的应用前景。常用的生长因子有：成纤维细胞生长因子（FGF）、转化生长因子（TGF-ρ）、胰岛素样生长因子（IGF）、血小板衍化生长因子（PDGF）、骨形态发生蛋白（BMP）等。它们不仅可单独作用，相互之间也存在着密切的关系，可复合使用。目前国外重点研究的项目之一，就是计算机辅助设计并复合生长因子的组织工程生物仿真下颌骨支架。有人采用rhBMP-胶原和珊瑚羟基磷灰石（CHA）复骨诱导性的骨移植、修复大鼠颅骨缺损，证实了复合人工骨具有良好的骨诱导性和骨传导性，可早期与宿主骨结合，并促进宿主骨长大及新骨形成。用rhBMP-胶原和珊瑚复合人工骨修复兔下颌骨缺损，结果显示：

2个月时，复合人工骨修复缺捐赠的交果优于单纯珊瑚3个月时，与自体骨移植的修复交果无明显差异。

目前，用组织工程骨修复骨缺损的研究，已从取材、体外培养、细胞到支架材料复合体形成等都得到了成功。有人用自体骨髓、珊瑚和rhBMP-2复合物修复兔下颌骨缺损，结果表明：术后3个月，单独珊瑚组及空白对照组缺损未完全修复；珊瑚-骨髓组和珊瑚-rhBMP-2组及单独骨髓组已基本修复了缺损；而骨髓、珊瑚和rhBMP-2复合物组在2个月时缺损即可得到修复。我们用骨基质成骨细胞与松质骨基质复合物自体移植修理工复颅骨缺损的动物实验，也取得了满意的治疗效果。

带血管蒂的骨组织工程是将骨细胞种植于预制带管蒂的生物支架材料上，将它作为一种细胞传送装置。我们将一定形状的thBMP-2、胶原、珊瑚复合物植入狗髂骨区预制骨组织瓣，3个月时，复合物已转变成血管化骨组织。

组织工程骨的构建又可以分为体内构建和体外构建两种形式，体内构建是将成骨细胞-支架复合物植入体内，修复骨缺损。体外构建则是通过体外组织培养的方法应用水降解支架材料，接种成骨细胞，构建骨组织。体外构建虽然具有一些在体内构建难以实现的优点，但是在传统的静态培养条件下不能建造出厚度大于0.7cm的骨组织。生物反应器和灌注培养系统的先后出现，改善了细胞、组织在体外培养的条件，有助于模拟体内环境、获得营养、排除代谢产物和物质交换，和促进组织工程产品实现商品化。

2．组织工程血管构建

构建组织工程血管有两种：①用正常动脉壁细胞与细胞外基质重建血管；②用正常血管壁细胞、细胞外基质和可降解材料构建血管。

血管壁中切取弹性基膜，并在其上培养鼠动脉平滑肌细胞；或用工型胶原制备基质材料与各型血管壁细胞成分合成血管模型。首先将平滑肌细胞与成纤维细胞分别培养形成细胞层，将成纤细胞层脱水去细胞形成内膜（IM），再将内膜绕在中轴上，外裹平滑肌细胞和成纤细胞层，经过体外8周长时间成熟后，内壁注入内皮细胞使之内皮化。各项检测及动物实验，结果从机械强度、血液相容性、可缝合性等方面效果满意。但整个制备过程需长时间的成熟期，约需3个月作用，其后期效果有待进一步观察。

由于生物基质材料机械性能差，随着可降解材料的研究深入，使其成为组织工程再造血管的一大热点材料，常用的有聚羟基乙酸（PGA）、聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PLLA）等。Kim在PGA网格中，通过静态、动态、旋转接种三种方法种植平滑肌细胞，培养血管平滑肌组织。N iklason将平滑肌细胞种植于管状PGA材料中，在模拟血管搏动的环境中培养8周，使之形成成熟的平滑肌组织，内膜层接种内皮细胞后，再在相同的环境中培养8周，形成的组织工程血管可耐受2000mmHg压力，缝合强度达90g，胶原含量达50%。

血管模型对特定药物具有收缩反应，平滑肌细胞还表现出分化特性。

组织工程再造血管具有高度生物相容性、可塑性、异物反应小、无致血栓生成、无感染等特点，并且随着组织的长大，最终可成为完全说明书义上的自体血管。这一研究将给心血管疾病的治疗，乃至组织器官的移植与再造带来曙光。

四、组织工程临床应用

组织工程中临床应用是在组织构建完成了动物试验之后，在人体上的应用，这也是组织工程的最后一步。目前，组织工程的研究只有活性皮肤达到了这一步。

第二课、组织工程支架材料

可以看到，用于组织工程的生物材料—组织工程支架材料是组织工程的基础，是组织工程领域中的一个不可或缺的环节，因此组织工程支架材料自然形成了组织工程的一大分支。

近年来，组织工程支架材料这一领域的研究极为活跃，人们不仅在组织工程的最早产品人工皮肤领域进行了更为完善听研究和开发，同时，在诸如人工骨、软骨、神经、血管材料等各系统，都进行了大量的研究和控索。

组织工程支架材料是根据材料用于不同人体组织，并根据具体替代组织具备的功能所设计的。组织工程支架材料包括：骨、软骨、血管、神经、皮肤和人工器官，如肝、脾、肾、膀胱等的组织支架材料。下面分别对这些组织工程支架材料加以叙述。

一、骨组织工程支架材料

1、人工骨的支架材料功能

人的骨头在人体中起一支撑人体重量，维持人体力学平衡的功能，因此，人工骨的组织工程支架材料必须具备以下两个功能。

（1）有一定机械强度以支撑组织的高强度材料，以保证材料植入人体后，有支撑体的重量，不改变骨骼形状。

（2）有一定生物活性可诱导细胞生长、分化，并可被人体降解吸收。

在组织工程出现以前的第一种功能的材料为非降解性材料，仅起到支撑固定的作用。存在的一个问题是：在骨头愈合后，必须进行第二次手术取出这种材料。

第二种功能的材料主要是给细胞提供三维生长空间，其本身具有生活性，可诱导细胞分化生长和血管的长入，以形成活的骨组织，使其具有人骨的功能和作用。

以上两面三刀个对骨支架材料要求的条件可以归结为：组织工程支架材料是具有一定强度并具有生物活性的可降解材料。

2、人工骨支架材料研究进展

人工骨支架材料可分为两类，即生物降解和非生物降解型。

Jones, D., et. al. 2009. A Versatile Approach to Scaffold Design for Bone in Growth Structures. Clinical Engineering, School of Clinical Sciences, University of Liverpool, UK

早期的人工骨支架材料都是非生物降解型的，这类材料有：高聚物（碳素纤维，涤纶，特氟隆），金属材料（不锈钢，钴基合金，钛合金），生物惰性陶瓷（氧化铝，氧化锌，碳化硅），生物活性陶瓷（生物玻璃，羟基磷灰石，磷酸钙）等。

这些材料的特点是机械强度高（耐磨、耐疲功、不变形等，生物惰性（耐酸碱、耐老化、不降解）。但存在二次手术问题，因此人们开始研究使用可生物降解并具有生物活性的材料，这类材料有纤维蛋白凝胶、胶原凝胶、聚乳酸、聚醇酸及其共聚体、聚乳酸和聚羟基酸类、琼脂糖、壳聚糖和透明质酸等多糖类。

目前研究和使用的骨组织支架材料是降解材料或降解和非降解材料的结合。

Klein TJ, Malda J, Sah RL, Hutmacher DW, Tissue Engineering of Articular Cartilage with Biomimetic Zones. Tissue Engineering Part B. 2009 Feb 9 PubMed PMID 19203206.

二、神经组织工程支架材料

理想的人工神经是一种特定的三维结构支架的神经导管，可接纳再生轴突长入，对轴突起机械引导作用，雪旺细胞支架内有序地分布，分泌NTFs等发挥神经营养作用，并表达CAM、分泌ECM，支持引导轴突出再生。

以往用于桥接神经缺损的神经套管材料有硅胶管、聚四氟乙烯、聚交酯、壳聚糖等。如以硅胶管为外支架，管内平行放置8根尼龙钱作为内支架的“生物性人工神经移植体”。

目前用于人工神经导管研究的可降解吸收材料有聚乙醇酸（PGA）、聚乳酸（PLA）及它们的共聚物等。也有用聚丙烯腈（PAN）和聚氯乙烯（PVC）的共聚物制作神经导管，内壁具有半透膜性质，仅能允许分子量小于50KD的物质通过，使再生轴突能从导管外获取营养物质和生长因子，并避免纤维疤痕组织的侵入。但因其不能降解，在完成引导再生轴突通过神经缺损段之后，仍将长期留存于体内，有可能对神经造成卡压。

戴传昌、曹谊林制备了聚羟基乙酸（PGA）纤维支架，其上接种体外培养扩增的雪旺细胞（SC）形成一种组织工程化周围神经桥接物。沈尊理等则利用生物可吸收纤维PDS作为胶原神经导管内部的三维支架结构，种植雪旺细胞，形成一种人工神经。叶震海、顾立强利用自行研制的PLA管作为外围的神经导管，以生物可吸收缝线PGA纤维作为内部纵行三维支架结构，种植SC；发现SC可以贴附于PLA管壁、PGA纤维生长，引导再生轴突生长向前。

选择适宜的生物材料，使SC与生物材料粘附，加入生长因子，对细胞外基质与可降解吸收生物材料经体外培养，在体内预制呈类似神经样SC基膜管结构（众多纵行中空管奖结构），使人工神经血管化或预制带血管蒂，并保证SC存活、增殖并有活性，这此将成为今后的研究热点。

神经修复的组织工程支架材料一类是取自于自体的神经、骨骼肌、血管、膜管的天然活性材料，另一类是非生物活性材料，例如脱钙骨管、尼龙纤维管、硅胶管、聚氨酯等。神经支架材料的功能有两种。

（1）必须为神经的恢复提供所需的三维空间，即要保证神经导管具有合适的强度、硬度和弹性，使神经具有再生的通道。

（2）要保证其有理想的双层结构：外层提供必要的强度，为毛细血管和纤维组织长入提供营养的大孔结构；内层则可起到防止结缔组织长入而起屏障作用的紧密结构。因此，神经修复所用支架材料一般为：外层是强度大、降解速率慢的可降解材料，内层为具细胸生长活性的降解材料。用于神经修复的内层材料多为胶原和多糖。目前研究和使用的多为胶原和聚乳酸的杂化材料。

三、血管组织工程支架材料

血管支架材料类似于神经支架材料，其结构上也分为双层，但内层不同于神经支架材料的是其为与血液相容性好的生物活性材料，该类材料要求不仅具有生物活性，同时还要具有抗凝血和抗容血作用。这类材料一般为经过表面修饰的降解材料，外层材料必须为保证内层材料细胞生长提供一定的支撑强度、抗拉强度和韧性。

1、血管支架材料的类型

最早的外层材料一般为尼龙、聚酯等无纺布或无纺网等。目前，该类材料应用较多的为胶原或明胶蛋白包埋的或表面处理的可降解材料的无纺网，例如：聚乳酸、聚羟基酸和多肽等的无纺布或无纺网等。

2、血管支架材料的研究进展

20世纪50年代问世的Dacron是最早应用的人工血管，由于它对凝血系统有激活作用而只能对大口径血管有较短的替代作用。以后又开发利用四氟乙烯（PTFE）、聚氨基甲酸乙酯（Poroussegmented Polyurethane）、膨体聚四氟乙烯（e-PTFE）等，并通过多种方法改变材料的物理性状、表面特点，以达到血管植入的要求。

（1）人工材料上打孔，使之形成多微孔结构，一者提高材料的顺应性，与自体血管弹性相匹配，二者使用周围毛细血管内皮细胸通过微孔长入内膜层，覆盖内表面。Alexander.w.Clowes证实60pePTFE移植后形成内皮细胞层，主要依靠周围毛细血管经微孔处长大，而不是吻合口两端内皮细胞的延伸生长，（两端的延伸仅约2cm），并指出完整的内膜层会减少平滑肌的过度增和。Matsuda采用激光在聚氨基甲酸乙酯膜上打孔，促进内皮细胞的爬行覆疬。

（2）采用各种可降解涂层以减轻血小板及血细胞的粘集，并希望随着涂层逐步降解，内皮细胸逐步爬行覆盖。Satoshiniu等采用多聚环氧化合物做交联剂，在人工血管上形成明胶－肝素涂层抑制血小板的聚集、纤维素的形成，同时利于吻合口内膜的长入。Himyukinkito在血管假体内表面涂布硫酸软骨素（CS）及透明质酸（HA），外表面涂以明胶层，以达到内表面抗血小板、血细胞吸附，外表面吸引周围组织长入的目的。ArumaN在内膜剥脱的血管周围放置浸有内皮细胞的明胶海绵，利于内皮细胞的迁移及旁分泌等作用减少内膜的增生。

（3）人工血管内皮化　由于内皮细胞在抗血栓形成、抑制血小板聚集、分泌血管活性因子等方面的重要作用，人们很早就设想在人工血管内表面形成内皮细胞的衬里，以达到模拟自体管的目的。宿主内皮细胞由吻合口向人工血管内迁徙仅限于吻合口周2cm，而毛细血管通过管壁的长入、循环内皮在人工血管表面的沉积这两种途径的原因、机制效果不清，有待进一步研究。于是将新鲜获取或体外培养的内皮细胞址接种植于人工血管的内表面，成为首选的努力方向。

Smith MJ, McClure MJ, Sell SA, Barnes CP, Walpoth BH, Simpson DG, Bowlin GL.suture-reinforced electrospun polydioxanone-elastin small-diameter tubes for use in vascular tissue engineering: A feasibility study. Acta Biomaterialia. 2008 Jan;4(1):58-66. PMID 17897890.

四、肌腱组织工程支架材料

1、肌腱与韧带支架材料的功能

肌腱与韧带组织中的功能细胞分别是肌腱细胞和成纤维细胞，二者在组织来源上均属成纤维细胞型，但肌腱细胞分泌I型胶原，而成纤维细胞分泌I、Ⅱ型胶原。因此，肌腱组织支架材料必须可降解，但一定要是降解时间较长的材料。

S Saber. Stanford University Medical Center, Department of Plastic Surgery, FlexortendonTissue Engineering: Cyclic Strain Increases Construct Strength and Tendon Architecture. Plastic Surgery Research Council. Springfield, Illinois, May 2008. Also presented at the California Society of Plastic Surgeons, Dana Point, California, June 2008.

2、肌腱与韧带支架材料类型

20世纪70年代肌腱支架材料一般使用硅橡胶、尼龙聚酯、碳纤维等，目前使用的多是聚酯聚二氧杂环烷等。

五、皮肤组织工程支架材料

人工皮肤材料在生物医学工程材料中已有论述，在此不再赘述。

六、角膜组织工程支架材料

人工角膜材料要求透明，吸水，有一定的机械强度，屈光性好等特点，同时，要求可降解。以前常用的材料为HAMA、PMMA，近来来，多采用胶原和聚醇酸等材料。

七、肝、胰、肾、泌尿系统组织工程支架材料

肝、胰、肾、泌尿系统使用的组织工程支架材料多为可降解材料，目前这方面研究和使用的材料，主要以天然蛋白、多糖与合成高聚物杂化的可降解材料。例如：用于肝组织工程支架的血纤维和聚乳酸，用于泌尿系统的聚乙醇酸等。

Bouhout S, Perron E, Gauvin R, Bernard G, Ouellet G, Cattan V, Bolduc S. InVitro Reconstruction of an Autologous, Watertight, and Resistant Vesical Equivalent. Tissue Eng Part A. 2010 Feb 11. [Epub ahead of print] PubMed PMID:20014996.

ABSTRACT

Purpose: Currently, bladder repair is performed using gastrointestinal segments; however, this technique has a high morbidity rate, and new alternatives are thus needed. The lack of native or synthetic tissue with similar properties of the bladder led us to develop autologous vesical substitutes entirely made by tissue engineering and without exogenous matrices. Watertight function and mechanical resistance are fundamental for the model. The aim of this study was to determine the structural and functional characteristics of our vesical equivalent (VE).

Materials and Methods: Porcine VEs are produced in 55 days. The cellular types that make up the vesical wall are extracted and purified simultaneously from a small porcine bladderbiopsy. Dermal fibroblasts are extracted and cultured in vitro to form cellular sheets. Endothelial cells were seeded on the fibroblast sheets before their superimposition. Urothelial cells are then seeded onto this cellular construction. VEs are characterized byhistology, immunostaining, electron microscopy, and cell viability. Mechanical properties of the reconstructed substitutes are evaluated by uniaxial tensile tests, and tissue absorption is verified with 14C-urea, which quantifies the degree of impermeability.

Results: This process allowed us to obtain a highly structured tissue with a total fusion of the fibroblast layers. As expected, histological observations showed a pseudostratification of the urothelium developing on an organized self-secreted extracellular matrix. Positive markers for cytokeratin 8/18 in immunostaining confirmed the presence of a urinaryepithelium. Electron microscopy confirmed the normal aspect of urothelial cells. Our VE's permeability to 14C-urea was significantly similar to porcine bladder, and characterization of the mechanical properties indicated that our tissue could be suitable for grafting since its ultimate tensile strength compares favorably with a native porcine bladder.

Conclusion: The construction of a VE using this method seems very promising in meeting the needs in the urological field. Our substitute has proven its efficiency as a barrier to urea and has a sufficient mechanical resistance to support suturing. Additionally, this model is completely autologous, and its possible endothelialization could promote the early vascularization process after grafting and thus significantly reducing inflammation and possible rejection.

该页面最新编辑时间为 2023年8月8日