生物组织工程及高分子组织工程材料的应用

第27卷 第1期 高 师 理 科 学 刊 Vol. 27 No.1 2007年 1 月 Journal of Science of Teachers′College and University Jan． 2007

文章编号：1007-9831（2007）01-0024-03

生物组织工程及高分子组织工程材料的应用

陈宝林1，王东安2，3，封麟先2，张欣4

（1. 呼伦贝尔学院 科研处，内蒙古 呼伦贝尔 021008；2. 浙江大学 高分子科学研究所，浙江 杭州 310027；

3. 田纳西大学 健康科学中心 药剂学院，美国 田纳西州孟菲斯市；

4. 大庆师范学院 化学化工系，黑龙江 大庆 163712）

摘要：从生物医用高分子材料生物相容性的角度出发，论述了组织工程的产生背景、研究内容及高分子在组织工程中的应用．

关键词：组织工程材料；生物高分子材料；组织相容性；人工器官

中图分类号：TQ314 文献标识码：A

0 引言

随着现代生命科学、材料科学、医学、工程学等多学科相互渗透和发展，生物医用材料对人类健康做出重要贡献并将获得重大发展的学科愈来愈受到人们的普遍关注，成为世界各国竞相研究开发的热点．生物医用材料（Biomedicine Materials）又称生物材料（Biomaterial），是指以医疗为目的，用于和活组织接触以形成功能性的无生命材料，包括具有生物相容性或生物降解性能的材料．即生物材料是用于取代、修复活组织的天然或人造材料[1]．

根据生物材料的特点，它应满足一定的物理机械性能、化学稳定性、无毒性、易加工成型性、医用功能性和生物相容性等要求．其中生物相容性是一种材料能否用作生物材料的重要量度，是生物医用材料区别与其它材料的最重要的特征，是评价一种材料能否在生物医学领域应用的根本依据． 生物相容性（Biocompatibility）是指材料和活体组织之间相互容纳的程度[2]．它包括血液相容性（Blood-Compatibility）和组织相容性（Tissue- Compatibility）．血液相容性，是指材料与血液接触后，不引起血浆蛋白的变性，不破坏血液的有效成分，不导致血液的凝固和血栓的形成；组织相容性，是指材料与生物活体组织及体液接触后，不引起细胞、组织的功能下降，组织不发生炎症、癌变以及排异反应等[3]．

1 组织工程产生背景

组织工程（Tissue Engineering）是指应用生命科学与工程学的原理和方法来设计、组建、维护人体细胞和组织的生长，以恢复受损伤的组织或器官的功能[4]．组织工程的发展为组织或器官的修复与再建提供了可能．近年来，随着组织工程学这门研究利用细胞培养技术制造人工组织或器官的学科的迅速发展，组织工程材料（Tissue Engineering Materials）也日益受到人们的重视．研究开发具有良好组织相容性的材料已成为组织工程发展的基石[5-15]．

当人体的组织或器官由于外伤或病变受到损伤后，如何恢复这些组织或器官的功能成为人们关注的焦点．目前的主要方法是：器官移植、用生物材料制成人工器官取而代之．虽然目前的组织移植技术可以将一个人的组织或器官移植到另一个人的受损的组织或器官中去，但会带来移植器官在界面发生的炎症反应、位移和破裂．而且组织或器官的来源严重不足，造成很多急需器官移植的病人死亡．用生物材料制成人工器官取代受损组织或器官时，由于所用的材料是人工合成或天然的，具有生物不相容性或生物相容性差，

收稿日期：2006-09-11

作者简介：陈宝林（1960-），男，河北石家庄人，副教授，主要从事生物医用高分子材料的制备及表征方面的研究．E-mail：baolinchenkyc@．

第1期 陈宝林等：生物组织工程及高分子组织工程材料的应用 25 神经纤维束 单个神经纤维 高分子模板 模板内表面

图2 神经生长模板

注：比例尺为2 mm． 图1 高分子组织工程材料的应用 注：a，b，c，e，f 的比例尺为10

μm；d，g 的比例尺为20 μ

m． 植入体内后会被宿主视为异物受到机体的攻击和排斥，产生一系列的副作用．再者，合成材料不是活体组织，不具备人体器官的复杂功能，如微囊化的活性碳制成的人工肝支持装置，只具有肝脏的解毒功能而无合成性能．基于此，在体外用聚合物构建一个支架植入体内，使活细胞与支架进行结合，构成具有生物活性的人体组织或器官，即用工程学和生命科学的原理和方法构建具有生物活性的组织或器官成为解决这一问题的理想途径，组织工程学因而应运而生．

２ 组织工程的研究内容

组织工程有2个研究目标：组织再生和器官再建[16]

．组织再生是通过形成生物组织来替代发生病变的组织．生物组织可通过在体外培养自体或同种（异体）细胞而形成；也可在体内用自体细胞来形成．这要求所用的材料为三维、多孔、可吸收的模板以支持细胞的粘附和铺展．器官再建是用非降解生物材料和自体或异体的细胞制造半人造的器官，即杂化人工器官或生物人工器官．因此组织工程的研究内容在于对不同组织或器官中的细胞和组织工程材料的研究．

对细胞的研究，一方面研究间质组织、内胚层组织、外胚层组织中干细胞的细胞生物学并将其应用到组织工程中；另一方面，研究无抗原性的通用细胞．其方法有：用基因重组技术；用同种、自体或异种的组织进行移植，将这些组织在体外分解成细胞，并进行培养，增殖后制成模板，进行构建．

对材料的研究，主要集中于如何将材料与活细胞建成组织工程构件，即具有生物功能的活性材料．由于组织工程材料应具备最佳的材料与细胞界面反应效果，因此设计具有化学分子水平、三维分子水平的细

胞/材料杂化界面，具有宏观三维分子水平、符合生物力学要求的装置是组织工程材料研究的核心[17-18]． ３ 高分子在组织工程中的应用

高分子材料（Polymer Materials）由于具有良好的物理机械性能、分子结构更接近于生物体而广泛用作生物材料．并在组织工程领域发挥着重要作用．作为组织工程材料，高分子应用在２个方面．

3.1 形成人工器官

生物聚合物与细胞或组织复合，形成具有特定功

能的聚合物/生物组织杂化的人工器官．高分子材料

在这方面的应用有很多[19]（见图1、图２）．

多孔或编织状高分子用来支撑细胞或给细胞的

生长提供骨架（见图1a，1b）；用来强化组织形成所

必须的细胞—细胞相互作用（见图1c）或阻止诸如

血栓形成等不希望发生的细胞——组织的相互作用

（见图1d）；高分子膜（见图1f）或高分子涂层（见

图1g）能够保护被移植细胞不受到免疫反应的影响；

利用可移植的高分子药物输送装置可以将营养因子、生长因子输送到人体内的指定位置（见图1e）． 神经生长模板（见图2）可用于引导临近的受伤

外围残余神经末稍沿正确的极向生长．高分子模板的机理和防水性能通过这些管道可用于调整紧张神经组织的反

应．例如在神经生长引导中，高分子引导装置能架在相邻受

损神经的远端与近端之间的缺口上，用来调节组织再生反应

的引导装置，可以通过将生长因子和蛋白质充入或固定在这

些引导装置上来实现． 3.2 聚合物的支架作用 生物降解的聚合物与细胞或组织的复合，聚合物起暂时支架的作用．在组织生长过程中，聚合物逐步降解，最终获