组织工程用生物材料
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1
相互作用 ,生物材料支架应引导这些目标细胞迁移到损伤部位并刺激其生长和分化 ,随着组织 的修复 ,细胞释放的基质重建酶 ,最终使支架完全降解 [4 ] 。理想的生物材料能够促使分子识 别的目标基因活化且具有细胞特异性 。 目前与组织工程相关的生物材料包括 : ( 1)生物降解高分子材料 ,如胶原 、明胶 、壳聚糖 、 海藻酸盐 、透明质酸 、血纤蛋白 、聚丙烯酸及其衍生物 、聚乙二醇及其共聚物 、聚乙烯醇 、聚磷 腈 、多肽 、聚交酯 、聚乳酸等 ; ( 2) 生物活性玻璃和生物陶瓷 ; ( 3) 生物复合材料 ,如羟基磷灰 石 /胶原 、羟基磷灰石 /胶原 /透明质酸 、磷灰石 /壳聚糖 、多孔羟基磷灰石 /壳聚糖 2明胶 、磷酸三 钙 /聚乳酸共聚物 、磷酸三钙 /壳聚糖 2明胶复合材料等 。 下面简单介绍组织工程用生物材料最受关注的几方面研究状况 。 1. 1 基因控制和活化 骨的迅速修复有赖于成骨细胞分化和增殖 ,成骨细胞基因的同步序列必须被激活 ,细胞才 能分裂 ,合成 ECM s, 才能矿化为骨 。通过基因治疗将表达生长因子 (如骨形态 发生 蛋白 (BM Ps) )的质粒 DNA 以适宜载体控制释放 ,使细胞转染 。美国 Goldstein等 [ 5 ]将含有能编码 的人甲状旁腺素 ( PTH )基因质粒 DNA 负载在聚合物基材中 ,再植入犬腿骨缺损部位 ,同周围 细胞接纳质粒 DNA ,表达类似于 BM P的 PTH 达 6周 ,骨的损伤部位完全愈合 。研究表明 ,一 些生物活性玻璃的离子溶解产物对成骨的某些基因具有特殊的控制作用 ,可促进细胞生长构 建骨组织工程支架材料 。 1. 2 生物材料的细胞活化 大多数哺乳动物细胞是贴壁细胞 ,它们必须在适宜的基质上贴附 、铺展才能正常代谢增殖 和分化 。细胞外基质 ( ECM s)的主要作用是介导细胞黏附 。 ECM s中有许多细胞受体识别的 多肽和糖配体 ,此类受体 、配体相互作用对维持细胞功能具有很重要的作用 ,同时还能赋予细 胞环境的响应性 。 ECM s的首要功能是介导细胞黏附 ,大多数细胞缺乏黏附就会凋亡或死亡 , 而丧失黏附相关信号传导途径会使癌性肿瘤生长和扩散 [6 ] 。因而生物材料表面修饰受到了 广泛的关注 。生物系统相互作用受生物材料表面特性的控制 ,目前主要运用等离子沉积 (聚 合 )蚀刻 、辐射接枝 、自组装 、湿化学反应 、吸附 、光反应 、固定化等方法对生物材料表面改性 , 以改善生物材料的生物相容性 ,从纳米到微米尺度上调控表面的拓扑结构 ,诱导细胞行为或生 物矿化 ,控制生物活性物质的释放速率或防止蛋白质或细胞黏附和组织黏连等 [7 ] 。 1. 3 生物材料仿生化 生命从本质上讲源自生物大分子 。细胞主要由蛋白质 、糖类和核酸构成 ,此类生物大分子 以高度复杂的方式响应外界刺激 。高分子聚合物具有模仿组织中 ECM s的多方面潜在功能 , 特别是结构类似体内许多组织的水凝胶 ,其生物相容性良好 ,已广泛用于组织工程和药物释放 载体 。水凝胶的设计既要考虑到它们的物理性能 ,更要关注其生物学特性 (生物相容性 ) [8 ] 。 M. P. Lutoif等 [ 9 ]以聚己二醇四乙烯基砜 、整联蛋白 ( integrin) 、结合肽及含金属蛋白酶 (MM P) 敏感和不敏感序列的双半胱氨酸肽构筑 MM P敏感水凝胶并将骨形态发生蛋白 (BM P)截留在 凝胶内 。由于水凝胶的酶降解具有可调性的特点 ,这类水凝胶可望用于组织工程和细胞生物 学等作为天然细胞外基质衍生物材料如血纤蛋白或胶原的取代物 。 1. 4 表面组构化 自组装形成的超分子组构化赋予生物材料独特的性质 ,它对复杂材料系统 (如细胞外基 质 )生物自组装的重要性不言而喻 。复杂的三维组装可通过二维 ( 2D )图案简化 ,将前驱体
表 1 快速成型技术及支架特点
方法
材料
材料孔径 /μm
优点
缺点
参考文献
三维 打 印 技 术 HA 和 聚 合 物 添 加 剂
( 3DP)
V5. 2、V12
250
压缩强度高 ,成型速 硬度差 ,成型时材料需 [ 12, 13 ]
度快 ,适用材料广 制备 成 粉 末 状 , 有 团
聚 ,可能需要后加工
激光 烧 结 技 术 ( SLS)
3
因子的影响以及生物过程的激发 。另一方面 ,这些细胞及细胞外基质和生物体内的生物系统 也对生物材料的结构和性能产生影响 ,因而生物材料与细胞的相互作用是双向的 、动态的且随 时间和空间的不同而不同 ;细胞与生物材料之间存在物质 、能量和信息 (化学信使和场信号 ) 的传递 [23 ] ,是一个受多因素调控的复杂体系 ,这些都决定了生物材料研究的复杂性 。骨是羟 基磷灰石和胶原构建的纳米尺度的生物复合材料 ,它在生命过程中不断更新和重建 。骨的形 成需有成骨细胞和破骨细胞参与 ,这些细胞的细胞外基质分泌的不同信号分子协调骨的形成 与吸收 ,血液和内分泌系统的生物活性物质亦参与骨重建过程 [ 24 ] ,而力学信号则影响基因表 达细胞功能的发挥 。阐明生物材料与细胞相互作用的过程 ,必将引起新的生物材料概念产生 , 有助于新一代生物材料的设计 。 2. 2 仿生表面工程及生物材料的仿生化 从材料科学的观点可以把组织视作细胞复合材料 ,它由细胞及其细胞外基质 ( ECM s)组 成 。组织工程的典型方法是在外源性的 ECM s中种植细胞组成结构物 ,在生物反应器中培养 扩增 ,体外形成新组织后植入患者体内与组织整合构建新的功能组织 。因此 ,组织工程采用的 外源性 ECM s (即三维支架 )应模拟天然组织的 ECM s分子功能 [ 25 ] 。 细胞外基质中含有黏附蛋白和糖蛋白结构中的肽序列 (如精氨酸 2甘氨酸 2天冬氨酸 (RGD ) ) ,可将这种序列固定在生物降解材料表面以介导细胞黏连 ,但这一过程非常复杂 。细 胞的存活与黏连过程关系密切 ,要求细胞游走形成血管并再生神经末端 。因此修饰生物材料 表面的 RGD 应具有适宜的密度 ,才能使细胞既黏连又能移动 ;细胞还能与相应的 RGD 肽组装 成纳米尺度的团簇结构发生作用 ,这样的肽结构比无规肽结构更能有效地诱导细胞的黏连和 移动 。 生物材料目标细胞的活化 ,要考虑的除了黏附配体肽外 ,还可将寡糖和脂质体设置于生物 材料表面 ,赋予其对目标细胞的特异相互作用 。 生物材料应精确控制其化学构造 ,使人体生理系统能够识别其为人体自身组织的一部分 。 为此 ,需从细胞生物学和分子生物学的角度设计生物材料 ,且应考虑材料的力学性能 、物理特 性及可加工性能 [ 26 ] 。
1 组织工程用生物材料领域国内外研究现状及发展趋势
生物材料又称生物医用材料 ,它是指对生物体进行诊断 、治疗和置换损伤组织 、器官或增 进其功能的材料 。起初 ,一些临床应用的生物材料并不是针对医用设计的 。随着对免疫系统 的深入了解 ,人们逐渐认识到所选用的许多生物材料存在着生物相容性问题 。20世纪 60～70 年代 ,开发出物理性能适宜 、对宿主反应较小的组织取代物 ,它们大多属于惰性生物材料 ,目的 是使免疫排斥反应达到最低 。此类惰性生物材料使数千万患者的寿命延长了 5～25年 [1 ] 。 超分子化学家 J. M. Lehn最近在《趋向复杂物质 :超分子化学和自组装 》一文中指出 :“物 质在信息存在下由游离态到凝固态 , 进而构造成智能化物质 , 通过自 组装 向复 杂方 向发 展 [2 ] 。”美国的 G. H. Pollack将细胞视同为高分子凝胶 ,将凝胶功能和细胞功能相联系 ,试图 从聚合物凝胶阐明细胞的一些行为 [3 ] 。生物材料的发展经历了 3个阶段 , 20世纪 60～70年 代的第一代生物材料大多数为微生物惰性材料 ; 20世纪 80年代开发了生物降解高分子材料 , 如聚乳酸 ( PLA )聚乙醇酸 ( PGA )及其共聚物 ( PLGA ) ,这些第二代生物材料虽在矫形外科和 心脏瓣膜的控制释放载体等方面有一定应用 ,但影响不大 。 第三代组织工程用生物材料综合了工程科学与生命科学原理 ,构筑取代物以修复组织缺 损 ,恢复其部分功能 。从材料科学观点 ,可将组织视同细胞复合材料 ,它由细胞及其合成与分 泌的细胞外基质 ( ECM s)组成 , ECM s提供细胞信号 ;而细胞则指导 ECM s的合成 。 ECM s由蛋 白质和糖胺聚糖 ( GAGs)的交联网络组成 。组织工程一般采用 3种策略 ,常用的策略是将种子 细胞 (培养细胞或骨髓间基质干细胞 (M SCs) )种植在生物降解的三维多孔支架内 ,构筑细胞 / 支架结构物质在模拟体内环境的生物反应器中扩增后 ,再植入患者体内 ,经生物过程在缺陷部 位形成组织 ;第二种策略是采用生物材料植入体内 ,经生物过程形成组织 ;第三种策略是细胞 移植 。 许多生物材料能在体外指导细胞生长 ,然而 ,体内组织再生涉及到引导神经 、骨 、血管的生 长和修复 ,同时再生损伤组织的细胞受到原有损伤部位和周围健康组织的分子信号作用 。理 想的支架材料应能在需修复损伤的组织周围诱导目标细胞黏附 ,并与其表达的生长因子受体
2
“指导 ”分子在纳米到微米尺度单层图案化形成超分子组装和组构 。自组装单层 ( SAM )影响 细胞黏附和铺展 。这些过程为 ECM s中的蛋白质 (如纤连蛋白 、层粘连蛋白及胶原 )所介导 ,细 胞在其生物材料表面上的黏附受 ECM s蛋白表面吸附 、取向及分子构象的调控 。生物材料的 表面特性与细胞的关系直接影响细胞代谢 ,因而这种调控对生物材料结构与功能有重要意义 。 采用表面图案化的分子光刻技术可使分子二维组构化 ,如微接触印迹 (μCP) 、浸笔纳米光 刻 (DNP)及扫描探针光刻制备纳米到微米尺度的图案 。D. L. Kap lan[ 10 ]用 DNP技术在胶原及 胶原状肽上制备出线宽为 30～50nm 高度组构图案 ,保持了这些生物大分子的三重螺旋结构 及功能 。可望将其用于未来的生物装置 ,如蛋白组学阵列 。 1. 5 组织构造 在合成和分泌的 3D 基质中组织细胞能比 2D 基质更有效地介导细胞黏附 ,利于增强细胞 活性 [11 ] 。生物材料支架的表面化学修饰及拓扑结构应利于细胞黏附 、分化和增殖 ;且支架应 具有适宜的力学性能 ,并可制造成不同的形状和尺度 ,具有贯通孔隙和适当的孔隙率 ,才能使 组织整合和血管化 。快速成型技术可形成预先设定内部形态的支架 ,表 1列举了不同类型的 快速成型技术及其形成支架的特点 。
第 22卷 第 2期
大学化学
2007年 4月
组织工程用生物材料
李俊杰 姚康德
(天津大学高分子材料研究所 天津 300072)
摘要 组织工程用生物材料是材料科学与生命科学交叉融合的产物 ,本文简要综述了国内外 组织工程用生物材料的研究现状及发展趋势 ,初步分析我国在组织工程用生物材料领域进一步开 展研究需要注意的问题 。
[ 20 ] [ 21, 22 ]
表中缩写 : HA:羟基磷灰石 ; PVA:聚乙烯醇 ; PCL:聚己酸内酯 ; PP: 聚丙烯 ; TCP:磷酸三钙 ; PLLA:聚乳酸 ; PMA:聚丙烯 酰胺 。
2 组织工程用生物材料的发展趋势
生物材料介入生物体内时 ,其表面会诱发一系列宿主反应 ,从蛋白质的吸附 、炎性分子与 细胞激活 ,到细胞征集或粘连 ,这些事件是更为广泛的炎症反应和纤维化反应的一部分 。如何 诱发所期望的愈合途径 ,使组织重建 ,这有赖于抑制生物材料与体内环境的非特异反应 ,使其 具有生物特异性 ,这是需要首先考虑的问题 [ 1 ] 。 2. 1 生物材料与细胞相互作用 将生物材料植入生物体内时应考虑其对生物活性分子的动态吸附 、多种细胞的作用 、细胞
250
力学强度优良
ຫໍສະໝຸດ Baidu
400
适用材料窄 ,成型时须 将材料制成粉末或半 液体状 ,高温操作
要求冻干 ,使用溶剂
[ 17, 18 ] [ 19 ]
立体 印 刷 技 术 ( SLT)
PMA 2HA HA , PCL
450 286 ～394
密度较大 ,力学性能 优良 每层沉积为光滑表 面 ,不易断裂
高温操作
孔径及孔隙率要比设 计时小 ,有质量损耗
PVA 2HA PEEK2HA , PCL
500
分散性好 ,孔的连通 孔径大 ,对材料的混合 [ 14, 15 ]
性好
比例有一定的要求 、高
500
适用材料广 ,成型速 温操作 、材料需制备成 [ 16 ]
度快
粉末状
熔融 沉 积 技 术 PCL, PP2TCP, PCL2HA , ( FDM )
低温 沉 积 技 术 PCL2PLLA (LDM )
相互作用 ,生物材料支架应引导这些目标细胞迁移到损伤部位并刺激其生长和分化 ,随着组织 的修复 ,细胞释放的基质重建酶 ,最终使支架完全降解 [4 ] 。理想的生物材料能够促使分子识 别的目标基因活化且具有细胞特异性 。 目前与组织工程相关的生物材料包括 : ( 1)生物降解高分子材料 ,如胶原 、明胶 、壳聚糖 、 海藻酸盐 、透明质酸 、血纤蛋白 、聚丙烯酸及其衍生物 、聚乙二醇及其共聚物 、聚乙烯醇 、聚磷 腈 、多肽 、聚交酯 、聚乳酸等 ; ( 2) 生物活性玻璃和生物陶瓷 ; ( 3) 生物复合材料 ,如羟基磷灰 石 /胶原 、羟基磷灰石 /胶原 /透明质酸 、磷灰石 /壳聚糖 、多孔羟基磷灰石 /壳聚糖 2明胶 、磷酸三 钙 /聚乳酸共聚物 、磷酸三钙 /壳聚糖 2明胶复合材料等 。 下面简单介绍组织工程用生物材料最受关注的几方面研究状况 。 1. 1 基因控制和活化 骨的迅速修复有赖于成骨细胞分化和增殖 ,成骨细胞基因的同步序列必须被激活 ,细胞才 能分裂 ,合成 ECM s, 才能矿化为骨 。通过基因治疗将表达生长因子 (如骨形态 发生 蛋白 (BM Ps) )的质粒 DNA 以适宜载体控制释放 ,使细胞转染 。美国 Goldstein等 [ 5 ]将含有能编码 的人甲状旁腺素 ( PTH )基因质粒 DNA 负载在聚合物基材中 ,再植入犬腿骨缺损部位 ,同周围 细胞接纳质粒 DNA ,表达类似于 BM P的 PTH 达 6周 ,骨的损伤部位完全愈合 。研究表明 ,一 些生物活性玻璃的离子溶解产物对成骨的某些基因具有特殊的控制作用 ,可促进细胞生长构 建骨组织工程支架材料 。 1. 2 生物材料的细胞活化 大多数哺乳动物细胞是贴壁细胞 ,它们必须在适宜的基质上贴附 、铺展才能正常代谢增殖 和分化 。细胞外基质 ( ECM s)的主要作用是介导细胞黏附 。 ECM s中有许多细胞受体识别的 多肽和糖配体 ,此类受体 、配体相互作用对维持细胞功能具有很重要的作用 ,同时还能赋予细 胞环境的响应性 。 ECM s的首要功能是介导细胞黏附 ,大多数细胞缺乏黏附就会凋亡或死亡 , 而丧失黏附相关信号传导途径会使癌性肿瘤生长和扩散 [6 ] 。因而生物材料表面修饰受到了 广泛的关注 。生物系统相互作用受生物材料表面特性的控制 ,目前主要运用等离子沉积 (聚 合 )蚀刻 、辐射接枝 、自组装 、湿化学反应 、吸附 、光反应 、固定化等方法对生物材料表面改性 , 以改善生物材料的生物相容性 ,从纳米到微米尺度上调控表面的拓扑结构 ,诱导细胞行为或生 物矿化 ,控制生物活性物质的释放速率或防止蛋白质或细胞黏附和组织黏连等 [7 ] 。 1. 3 生物材料仿生化 生命从本质上讲源自生物大分子 。细胞主要由蛋白质 、糖类和核酸构成 ,此类生物大分子 以高度复杂的方式响应外界刺激 。高分子聚合物具有模仿组织中 ECM s的多方面潜在功能 , 特别是结构类似体内许多组织的水凝胶 ,其生物相容性良好 ,已广泛用于组织工程和药物释放 载体 。水凝胶的设计既要考虑到它们的物理性能 ,更要关注其生物学特性 (生物相容性 ) [8 ] 。 M. P. Lutoif等 [ 9 ]以聚己二醇四乙烯基砜 、整联蛋白 ( integrin) 、结合肽及含金属蛋白酶 (MM P) 敏感和不敏感序列的双半胱氨酸肽构筑 MM P敏感水凝胶并将骨形态发生蛋白 (BM P)截留在 凝胶内 。由于水凝胶的酶降解具有可调性的特点 ,这类水凝胶可望用于组织工程和细胞生物 学等作为天然细胞外基质衍生物材料如血纤蛋白或胶原的取代物 。 1. 4 表面组构化 自组装形成的超分子组构化赋予生物材料独特的性质 ,它对复杂材料系统 (如细胞外基 质 )生物自组装的重要性不言而喻 。复杂的三维组装可通过二维 ( 2D )图案简化 ,将前驱体
表 1 快速成型技术及支架特点
方法
材料
材料孔径 /μm
优点
缺点
参考文献
三维 打 印 技 术 HA 和 聚 合 物 添 加 剂
( 3DP)
V5. 2、V12
250
压缩强度高 ,成型速 硬度差 ,成型时材料需 [ 12, 13 ]
度快 ,适用材料广 制备 成 粉 末 状 , 有 团
聚 ,可能需要后加工
激光 烧 结 技 术 ( SLS)
3
因子的影响以及生物过程的激发 。另一方面 ,这些细胞及细胞外基质和生物体内的生物系统 也对生物材料的结构和性能产生影响 ,因而生物材料与细胞的相互作用是双向的 、动态的且随 时间和空间的不同而不同 ;细胞与生物材料之间存在物质 、能量和信息 (化学信使和场信号 ) 的传递 [23 ] ,是一个受多因素调控的复杂体系 ,这些都决定了生物材料研究的复杂性 。骨是羟 基磷灰石和胶原构建的纳米尺度的生物复合材料 ,它在生命过程中不断更新和重建 。骨的形 成需有成骨细胞和破骨细胞参与 ,这些细胞的细胞外基质分泌的不同信号分子协调骨的形成 与吸收 ,血液和内分泌系统的生物活性物质亦参与骨重建过程 [ 24 ] ,而力学信号则影响基因表 达细胞功能的发挥 。阐明生物材料与细胞相互作用的过程 ,必将引起新的生物材料概念产生 , 有助于新一代生物材料的设计 。 2. 2 仿生表面工程及生物材料的仿生化 从材料科学的观点可以把组织视作细胞复合材料 ,它由细胞及其细胞外基质 ( ECM s)组 成 。组织工程的典型方法是在外源性的 ECM s中种植细胞组成结构物 ,在生物反应器中培养 扩增 ,体外形成新组织后植入患者体内与组织整合构建新的功能组织 。因此 ,组织工程采用的 外源性 ECM s (即三维支架 )应模拟天然组织的 ECM s分子功能 [ 25 ] 。 细胞外基质中含有黏附蛋白和糖蛋白结构中的肽序列 (如精氨酸 2甘氨酸 2天冬氨酸 (RGD ) ) ,可将这种序列固定在生物降解材料表面以介导细胞黏连 ,但这一过程非常复杂 。细 胞的存活与黏连过程关系密切 ,要求细胞游走形成血管并再生神经末端 。因此修饰生物材料 表面的 RGD 应具有适宜的密度 ,才能使细胞既黏连又能移动 ;细胞还能与相应的 RGD 肽组装 成纳米尺度的团簇结构发生作用 ,这样的肽结构比无规肽结构更能有效地诱导细胞的黏连和 移动 。 生物材料目标细胞的活化 ,要考虑的除了黏附配体肽外 ,还可将寡糖和脂质体设置于生物 材料表面 ,赋予其对目标细胞的特异相互作用 。 生物材料应精确控制其化学构造 ,使人体生理系统能够识别其为人体自身组织的一部分 。 为此 ,需从细胞生物学和分子生物学的角度设计生物材料 ,且应考虑材料的力学性能 、物理特 性及可加工性能 [ 26 ] 。
1 组织工程用生物材料领域国内外研究现状及发展趋势
生物材料又称生物医用材料 ,它是指对生物体进行诊断 、治疗和置换损伤组织 、器官或增 进其功能的材料 。起初 ,一些临床应用的生物材料并不是针对医用设计的 。随着对免疫系统 的深入了解 ,人们逐渐认识到所选用的许多生物材料存在着生物相容性问题 。20世纪 60～70 年代 ,开发出物理性能适宜 、对宿主反应较小的组织取代物 ,它们大多属于惰性生物材料 ,目的 是使免疫排斥反应达到最低 。此类惰性生物材料使数千万患者的寿命延长了 5～25年 [1 ] 。 超分子化学家 J. M. Lehn最近在《趋向复杂物质 :超分子化学和自组装 》一文中指出 :“物 质在信息存在下由游离态到凝固态 , 进而构造成智能化物质 , 通过自 组装 向复 杂方 向发 展 [2 ] 。”美国的 G. H. Pollack将细胞视同为高分子凝胶 ,将凝胶功能和细胞功能相联系 ,试图 从聚合物凝胶阐明细胞的一些行为 [3 ] 。生物材料的发展经历了 3个阶段 , 20世纪 60～70年 代的第一代生物材料大多数为微生物惰性材料 ; 20世纪 80年代开发了生物降解高分子材料 , 如聚乳酸 ( PLA )聚乙醇酸 ( PGA )及其共聚物 ( PLGA ) ,这些第二代生物材料虽在矫形外科和 心脏瓣膜的控制释放载体等方面有一定应用 ,但影响不大 。 第三代组织工程用生物材料综合了工程科学与生命科学原理 ,构筑取代物以修复组织缺 损 ,恢复其部分功能 。从材料科学观点 ,可将组织视同细胞复合材料 ,它由细胞及其合成与分 泌的细胞外基质 ( ECM s)组成 , ECM s提供细胞信号 ;而细胞则指导 ECM s的合成 。 ECM s由蛋 白质和糖胺聚糖 ( GAGs)的交联网络组成 。组织工程一般采用 3种策略 ,常用的策略是将种子 细胞 (培养细胞或骨髓间基质干细胞 (M SCs) )种植在生物降解的三维多孔支架内 ,构筑细胞 / 支架结构物质在模拟体内环境的生物反应器中扩增后 ,再植入患者体内 ,经生物过程在缺陷部 位形成组织 ;第二种策略是采用生物材料植入体内 ,经生物过程形成组织 ;第三种策略是细胞 移植 。 许多生物材料能在体外指导细胞生长 ,然而 ,体内组织再生涉及到引导神经 、骨 、血管的生 长和修复 ,同时再生损伤组织的细胞受到原有损伤部位和周围健康组织的分子信号作用 。理 想的支架材料应能在需修复损伤的组织周围诱导目标细胞黏附 ,并与其表达的生长因子受体
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“指导 ”分子在纳米到微米尺度单层图案化形成超分子组装和组构 。自组装单层 ( SAM )影响 细胞黏附和铺展 。这些过程为 ECM s中的蛋白质 (如纤连蛋白 、层粘连蛋白及胶原 )所介导 ,细 胞在其生物材料表面上的黏附受 ECM s蛋白表面吸附 、取向及分子构象的调控 。生物材料的 表面特性与细胞的关系直接影响细胞代谢 ,因而这种调控对生物材料结构与功能有重要意义 。 采用表面图案化的分子光刻技术可使分子二维组构化 ,如微接触印迹 (μCP) 、浸笔纳米光 刻 (DNP)及扫描探针光刻制备纳米到微米尺度的图案 。D. L. Kap lan[ 10 ]用 DNP技术在胶原及 胶原状肽上制备出线宽为 30～50nm 高度组构图案 ,保持了这些生物大分子的三重螺旋结构 及功能 。可望将其用于未来的生物装置 ,如蛋白组学阵列 。 1. 5 组织构造 在合成和分泌的 3D 基质中组织细胞能比 2D 基质更有效地介导细胞黏附 ,利于增强细胞 活性 [11 ] 。生物材料支架的表面化学修饰及拓扑结构应利于细胞黏附 、分化和增殖 ;且支架应 具有适宜的力学性能 ,并可制造成不同的形状和尺度 ,具有贯通孔隙和适当的孔隙率 ,才能使 组织整合和血管化 。快速成型技术可形成预先设定内部形态的支架 ,表 1列举了不同类型的 快速成型技术及其形成支架的特点 。
第 22卷 第 2期
大学化学
2007年 4月
组织工程用生物材料
李俊杰 姚康德
(天津大学高分子材料研究所 天津 300072)
摘要 组织工程用生物材料是材料科学与生命科学交叉融合的产物 ,本文简要综述了国内外 组织工程用生物材料的研究现状及发展趋势 ,初步分析我国在组织工程用生物材料领域进一步开 展研究需要注意的问题 。
[ 20 ] [ 21, 22 ]
表中缩写 : HA:羟基磷灰石 ; PVA:聚乙烯醇 ; PCL:聚己酸内酯 ; PP: 聚丙烯 ; TCP:磷酸三钙 ; PLLA:聚乳酸 ; PMA:聚丙烯 酰胺 。
2 组织工程用生物材料的发展趋势
生物材料介入生物体内时 ,其表面会诱发一系列宿主反应 ,从蛋白质的吸附 、炎性分子与 细胞激活 ,到细胞征集或粘连 ,这些事件是更为广泛的炎症反应和纤维化反应的一部分 。如何 诱发所期望的愈合途径 ,使组织重建 ,这有赖于抑制生物材料与体内环境的非特异反应 ,使其 具有生物特异性 ,这是需要首先考虑的问题 [ 1 ] 。 2. 1 生物材料与细胞相互作用 将生物材料植入生物体内时应考虑其对生物活性分子的动态吸附 、多种细胞的作用 、细胞
250
力学强度优良
ຫໍສະໝຸດ Baidu
400
适用材料窄 ,成型时须 将材料制成粉末或半 液体状 ,高温操作
要求冻干 ,使用溶剂
[ 17, 18 ] [ 19 ]
立体 印 刷 技 术 ( SLT)
PMA 2HA HA , PCL
450 286 ～394
密度较大 ,力学性能 优良 每层沉积为光滑表 面 ,不易断裂
高温操作
孔径及孔隙率要比设 计时小 ,有质量损耗
PVA 2HA PEEK2HA , PCL
500
分散性好 ,孔的连通 孔径大 ,对材料的混合 [ 14, 15 ]
性好
比例有一定的要求 、高
500
适用材料广 ,成型速 温操作 、材料需制备成 [ 16 ]
度快
粉末状
熔融 沉 积 技 术 PCL, PP2TCP, PCL2HA , ( FDM )
低温 沉 积 技 术 PCL2PLLA (LDM )