组织工程相关纳米生物材料

第11章组织工程相关纳米生物材料

组织工程学（Tissue Engineering）一门多学科交叉的边缘学科，其研究涉及到细胞生物学、分子生物学、发育生物学、免疫学、临床医学、生物材料学、计算机科学等多个相关学科。它是继细胞生物学和分子生物学之后，生命科学发展史上又一个新的里程碑，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，人们试图通过组织工程学的研究，真正建造出替代人每一种组织甚至器官功能的生物性替代物。它的提出、建立和发展是对医学领域组织、器官缺损和功能障碍传统治疗方法和模式的一次革命，孕育着巨大的科学价值和广阔的临床应用前景，是21世纪生命科学研究领域的焦点之一，必将产生巨大的社会和经济效益【1－2】。

目前国内外对组织工程学研究极为重视，组织工程相关产品正逐步形成高附加值的高科技产业，有些产品已开始进入临床。如人工皮肤TransCyte、Apligraf、人工软骨Carticel TM等。其它领域如骨、膀胱、血管、角膜、神经、输尿管、肝、胰、心脏瓣膜、血细胞、食管、肠管等的研究也正处于积极的实验阶段。

但是，目前组织工程研究尚存在许多基本问题亟待解决，主要表现在：①生命现象的本质及活动规律，即各种细胞、组织和器官的基本结构及其与功能的关系；②如何调控种子细胞的特异性粘附、增殖、定向分化以使其获得良好的生物学活性，充分发挥其特定的功能；③生长因子等组织诱导因子的大规模制备及持续控制释放；④具有良好表面相容性、结构相容性、适当生物降解性和特定生物活性的仿生“智能”基质材料的研制，以引发人们所需的特异性、可控性生物反应等等【3－4】。

纳米科技给上述问题的解决带来了新的发展机遇。和它在生物医用材料领域中的意义与应用前景一样，纳米科技在组织工程学各领域的研究中也有重大的科学意义及广阔的应用前景，人们可以将纳米科技在其它领域的研究成果广泛地应用于组织工程学各相关领域【5-8】。组织工程学和纳米科技的有机结合，标志着组织工程学研究进入一个崭新的时代——纳米组织工程学时代。纳米组织工程学（Nano tissue engineering）就是将纳米科学与技术和组织工程学有机结合，从原子、分子水平认识细胞和组织的基本结构及其与功能的关系，阐明生命现象的本质及活动规律，并研制具有特定功能的仿生纳米装置和材料，为更好地恢复、维持或改善病损组织的功能奠定基础【1－4】。

纳米组织工程学的首要任务是利用纳米科学的原理和技术，从原子、分子水平进一步深入认识真核细胞基因组的结构及功能调控、基因产物如何构建成细胞结构、如何调节和行使细胞功能等，从而认识各种细胞、组织和器官的基本结构及其与功能的关系，阐明生命现象的本质及活动规律。然后从科学认识发展到工程技术，设计和制造出相应的纳米器件、纳米药物、纳米仿生“智能”基质材料，

如纳米细胞监测器、纳米细胞清扫器、纳米细胞修复器、纳米细胞等，以更好地调控种子细胞的特异性粘附、增殖、定向分化等生物学行为，使其获得良好的生物学活性，实现良好的功能替代。为最终解决目前组织工程学研究存在的基本问题提供强有力的技术支持【3-4】。

在组织工程学研究中，细胞外基质替代物即基质材料的研究是一个至关重要的方面，是目前限制其发展和临床应用的一个瓶颈。如何研制出具有良好表面相容性、结构相容性、适当生物降解性和特定生物活性的仿生“智能”基质材料，以引发人们所需的特异性、可控性生物反应，是目前组织工程学研究亟待解决的关键性基本问题之一【9－12】。

因此，大力研究和开发新一代组织工程相关纳米生物医用材料，是新世纪生物医用材料的重要发展方向，也是本章讨论的重点。以下就对组织工程相关纳米生物材料的制备及表面仿生修饰予以介绍。

11.1 纳米纤维支架材料的制备

除可注射性材料以外,大多数组织工程支架必须预先制成多孔支架。组织工程多孔基质材料应具有功能梯度结构，在三个尺度范围控制着细胞的生长发育过程。从制备方法上看, 解剖外形和尺寸（mm-cm）则取决于成型方法,而大孔尺寸(～102μm)、孔壁尺寸(～μm)、孔壁内微细结构(如微纤,微孔,50～500nm)取决于致孔方法。纳米材料制备技术可以对基质材料表面的纳米结构(nm)进行设计和加工。纳米材料中的维数概念与一般材料科学中的维数有所不同，纳米材料根据维数的不同分为三类：①零维材料指空间三维从尺度均为纳米尺度的材料，如纳米颗粒。②一维材料指空间尺度有两维处于纳米尺度的材料，如纳米棒。③二维材料指空间尺度有一维处于纳米尺度的材料，如超薄层。

从多孔支架的孔形态上看，主要有纤维、多孔海绵/泡沫、相连管状结构等三种,其中纤维支架是组织工程研究中最早采用的细胞外基质替代物之一。在典型的结缔组织中，结构蛋白纤维，如胶原纤维和弹性蛋白纤维的直径从几十纳米到几百纳米，这些纳米级蛋白纤维相互交缠，形成非编织状的网，为组织提供拉力和弹力。粘连蛋白，如纤维结合蛋白、层粘连蛋白为细胞的黏附提供特殊的结合位点。纳米纤维支架有较高的表面与体积比，它可以大大增加细胞的黏附，从而可以增加细胞的迁移，增殖及分化功能。因此，纳米纤维支架较传统的支架更有发展前途【13－15】，也是本章讨论的重点。

11.1.1 纳米纤维支架材料的制备

有三种方法合成这种纳米纤维支架材料：自组装技术，电子纺丝技术，相分离技术。

1 自组装技术

应用分子自组装技术，依靠分子间非共价键的键合作用制备超分子纳米材料。在材料表面通过非共价键形成自组装膜，吸附分子存在时，局部形成的无序单层可以自我再生，生成更完善的有序体系，具有较大的流动性和可变形性，赋予适宜细胞生长的材料表面拓扑结构。用自组装技术合成纳米级超分子结构，也可合成纳米纤维【15】。

为了模拟形成天然骨的纳米结构, Stupp等【16－19】应用pH控制的自组装技术设计合成了一种两亲性多肽（PA）, 可以自组装生成纳米结构纤维支架。这种圆锥形的两亲性多肽主要包括5 个基本的化学结构特征: (1) 长的疏水烃基尾端; (2) 含有4个连续的半胱氨酸残基，通过氧化反应，半胱氨酸上的SH基团可与另外一条多肽链上SH自组装形成二硫键，从而使多肽链形成牢固的高级结构; (3) 含三个甘氨酸的交连部分，以提供亲水性的头基与坚硬的交联区域的结合; (4) 磷酸化的丝氨酸位点，这些位点带有大量负电荷，可以诱导钙离子沉积、成核生长并自组装而成纳米晶HA; (5) 含有细胞结合配体序列Arg－Gly－A sp（RGD），可促进种子细胞的黏附。其中，半胱氨酸，磷酸纤维化的丝氨酸以及RGD序列是PA肽链的特征性结构（图11－1）。

由于PAs有圆锥状结构和两性分子的特点，可以自组装形成圆柱状纳米纤维, 纳米纤维直径约为7.6nm，长度超过1µm（图11－2）。在结构方面，两亲性多肽链与纳米纤维垂直，疏水端包裹在长柱状结构内部，亲水端暴露在长柱状结构的表面。这与天然胶原基质有所不同，在天然胶原中其排列呈平行状。在pH=8时将二硫苏糖醇注入PAs，然后调整pH=4，酸化的PAs很快自组装交联固化而形成纳米纤维。这种离散型纳米纤维能通过氧化生成二硫键发生交联达到材料的自组装, 同时也能通过自由巯基的释放来控制自组装的可逆过程; 生成的纳米纤维可相互交织形成网状结构, 宏观呈凝胶状。研究表明, 提供足够量的酸性磷酸化丝氨酸和天门冬氨酸能促进初始HA 的成核, 将此凝胶浸入钙磷酸盐缓冲溶液中,表面充满带负电荷酸性氨基酸的纳米纤维可通过建立局部的过饱和离子环境促进自身矿化生成纳米HA晶体, 这些矿化的纳米纤维中Ca/P比率为1.67±0.08, 而且晶体学上的HA c 轴沿胶原纤维长轴定向排列, 类似与自然骨最基本的形态学结构。

图11-1两亲性多肽（PA）