组织工程支架材料

组织工程支架材料

颜文龙　孙恩杰　郭海英　刘　东

武汉理工大学生物科学与技术系　(武汉430070)

【摘要】　用于组织工程支架构建的生物材料,分为胶原、多糖、无机及生物衍生物等天然材料和聚酯、聚氨基酸、聚乙二醇等人工合成可生物降解材料两大类,此文分别对它们的研究进行了综述。

【关键词】　组织工程　天然材料　可生物降解材料

Scaffold materials for tissue engineering

Y en Wen Long　Sun En Jie　G uo Hai Y ing　Liu D ong

Department of Biological Science and T echnology,Wuhan University of T echnology(Wuhan430007)

【Abstract】　Development in researches of Scaffold materials for tissue engineering are reviewed in this paper. These materials include naturally derived ones such as collagen,polysaccharides and inorganic materials as well as degrad2 able polymers such as polyesters,polyamides and polyethylene glycol.

【K ey w ords】　tissue engineering　naturally derived material　degradable material

组织工程学是近来发展起来的一门新学科,是材料学、工程学和生命科学共同发展并相互融合的产物,其最基本的思路是在体外分离、培养细胞,将一定量的细胞接种到具有一定空间结构的支架上,通过细胞之间的相互黏附、生长繁殖、分泌细胞外基质,从而形成具有一定结构和功能的组织或器官[1]。现在美国每年要进行80万例骨嫁接手术[2],据报道从1990年到现在已经有35亿美元应用到有关组织工程的研究与应用上[3]。

材料作为组织工程研究的人工细胞外基质(ex2 tracellular matrix,EC M),是组织工程研究的一个重要的方面,它为细胞的停泊、生长、繁殖、新陈代谢、新组织的形成提供支持。目前研究的较多的有以下两种:天然生物材料和人工合成的可生物降解聚合物。

1　天然生物材料

天然材料来源于动植物或者人体,由于其与细胞相容性好,常用来构建组织工程用支架。主要可以分为胶原、聚糖以及无机及生物衍生材料。天然材料的优势在于它们含有有利于细胞吸附或维持不同功能的物质(如特定的蛋白质),但是天然材料重现性差、不能大批量生产,同时异种移植的问题以及可能会带来不可预计的异种生物携带的病毒基因限制了这类材料的应用。

1.1　胶原　作为哺乳动物体内主要的结构蛋白,胶原来源丰富。由于在进化过程中的保守性,胶原保留了原始的氨基酸顺序,以此制作的支架材料具有无抗原性、生物相容性好等优点,已经通过美国FDA 认证,在止血、促进伤口愈合、创面敷料、骨移植替代材料、组织再生诱导物方面得到广泛应用[4]。

胶原支架在体内通过连续酶解作用而逐渐降解,可以通过控制支架的密度及交联其它分子来调节支架的降解率及降解速度。密度越低,支架孔隙率就越大,使得更多的细胞易于向支架内部生长,支架的降解率就更高;通过交联特定分子戊二醛、甲醛等则可保护支架免受酶的攻击而降低降解速度,同时使胶原支架机械性能得以改善[5]。胶原本身所包含的细胞黏附信号肽序列(RG D)也可以引导细胞对支架材料的特定的识别,有助于保持许多细胞的表型及活性[6]。

牛Ⅰ型胶原由于其丰富的来源和成功的临床应用而被广泛用来制作组织工程支架[4]。现在多利用几种类型胶原复合构建来制作支架材料[7,8],以胶原为原材料,用快速成型的方法(s olid freeform fabri2 cation,SFF)来构建组织工程用胶原支架,利用计算机来整体控制材料的设计及加工,为组织工程支架

的制作展示了新的前景。

1.2　聚糖类　此类物质是戊糖分子或者己糖分子的聚合物,包括壳聚糖及海藻酸等,另外淀粉[9]应用于支架构建也见过报道。聚糖单体上的羟基可以选择性的进行同分异构设计,也可以交联其它的支链,从而改变其理化性能。除了极少数特例,此类物质的单体及降解产物都是无毒和具有生物活性的。随着对多糖在细胞识别机理认识的深入,由单糖合成聚糖技术的创新,以及日益增长的组织工程研究对特异可控生物活性、可降解生物材料需求的增加,聚糖类物质在生物材料领域的应用获得了长足的发展。

海藻酸是从海藻中分离得到的一类聚糖,具有生物相容性,是β2D2Mannuronte(M)和α2L2G uluronate (G)构成的共聚物,可以构成G、M及G M三种单元。富含G单元的糖链具有较高的弹性模量,糖链的韧性取决于各单元的组成,G单元硬度最高,MG单元硬度最低,所以低M/G构成糖链趋于直线性构造,高含量M/G的糖链则易于弯曲。G单元中支架材料,常常将二价态的阳离子(比如Ca2+)交联在两条由G单元构成的糖链之间,构成“蛋盒”(egg box)的结构,这种结构使海藻酸具有凝胶的特性。随着金属离子交联的两条糖链的水解,凝胶机械性能也随之降低。由于本身不具备生物信号识别区域,近来海藻酸研究主要集中在金属离子交联及嫁接细胞黏附多肽改性方面。

壳聚糖兼具高等动物组织中胶原和高等植物中纤维素二者的生物功能,氨基带有正电荷,是少见的带正电荷的聚合物,利用它的带电性可以调节和控制产品的物理和化学性质。将胶原与壳聚糖混合构建支架,发现嗜铬细胞在胶原-壳聚糖表面能更快的黏附,与培养基结合更好,植入体内最少能够存活2周的时间,提高了牛的肾上腺延髓嗜铬细胞的黏附特性,可望用于神经组织工程[10]。

1.3　无机及生物衍生材料　多用于骨组织工程支架材料的构建,此类材料的主要成分为钙的磷酸盐或者碳酸盐。常用的有羟基磷灰石(H A)、磷酸三钙(tricalcium phos2phate,T CP)等。曹罡等[11]发现骨髓基质干细胞在可吸收性羟基磷灰石复合表面附着良好,可分泌I型胶原,此复合物在裸鼠体内形成组织工程骨。自固化磷酸钙骨水泥(calcium phosphate ce2 ment,CPC)作为骨移植替代材料,与陶瓷类材料相比,具有更好的生物相容性、生物降解性及成骨活性,其制作方便、可塑性强、性能稳定,在人体内可自行硬化,形成羟基磷灰石结晶,这使CPC适合作骨组织工程支架材料[12]。陶瓷化骨(true bone ceramic, T BC)大多采用牛松质骨为原料煅烧的方法获得,主要成分也是羟基磷灰石(H A)。煅烧过程中会发生H A和T CP之间晶相的转变,由于T CP与H A比较,前者降解率高于后者,所以通常是在陶瓷化骨制备过程中加入磷酸盐,以使所得的陶瓷化骨晶体结构从羟基磷灰石向磷酸三钙/羟基磷灰石(T CP/H A)双向结构转变,从而增加陶瓷化骨的降解率[13]。

2　合成可生物降解材料

合成可生物降解材料具有相对强度高、来源充足、易于加工等优点,被广泛应用于组织工程领域。合成可生物降解支架材料,目前主要为聚酯、聚氨基酸及聚乙二醇等。

2.1　聚酯　聚酯中常见的为聚脂肪酯,根据主链上碳原子个数的不同可以分为聚乙交酯(PG A)、聚丙交酯(P LA)、聚己内酯(PC L)以及它们的共聚物。这些聚合物具有典型聚合材料的优良性质:高纯度、方便的加工工艺、良好的机械性能,除此还可以生物降解。已经得到美国FDA认证,被用于一系列临床应用,包括医用缝合线、骨修复材料、药物控制释放材料、人工骨及人造皮肤等。

聚酯内的酯键易水解,在无酶的条件下就可以降解,降解产物无毒,在人体内最终以C O2和H2O 的形式代谢掉。聚合物降解率、降解时间与分子质量、结晶度、支架几何形状及外界PH有关。由于PG A的亲水性,使得它能在几个星期内降解;P LA由于具有甲基,亲水性不及PG A,降解速度较PG A降解慢,通过控制PG A与P LA比例可以得到理想降解时间的P LG A共聚物。

PG A与P LA本身不具备生物活性,所以在聚合物上与第二单体进行共聚成为其改性最主要的方法。常见的为以细胞特异识别多肽改性支架材料表面,通过生物活性因子的固定达到改性目的,并且这些研究都取得了引人注目的成果。包含细胞黏附多肽RG D的P LA,可以为细胞生长提供更为适宜的环境[14]。结合骨形态发生蛋白BMP之后,P LA支架材料能够诱导骨细胞在其上更好的生长[15]。P LA 与聚氧化乙烯PE O共聚,亲水PE O段可以改善P LA