最新骨组织工程与再生医学

骨组织工程与再生医学，是指体外构建人工骨组织或者利用生物装置、植人生物材料来刺激骨原细胞或干细胞分化，维持和促进成骨细胞增殖，以重建缺损的骨组织。

骨组织工程与再生医学依赖于多个因素，主要包括细胞、生长因子、生物支架和稳定的机械环境。

自体骨和同种异体骨移植可满足以上要求，但两者均存在不足之处：自体骨骨量极为有限，并且增加了手术部位和伤口愈合期并发症心1；同种异体骨移植可能引发慢性炎症，甚至产生免疫排斥反应。

因此，骨移植修复术的不足促进了人工骨修复生物材料的发展。

譬如，已对羟基磷灰石(HA)、A．W玻璃陶瓷、壳聚糖、胶原以及复合材料等已在骨损伤修复中的应用开展了广泛研究‘3川。

甲壳素，又名甲壳质、几丁质，化学名称为聚N．乙酰葡萄糖胺，主要存在于甲壳类动物虾、蟹、昆虫的外壳及高等植物的细胞壁中，是世界上第二丰富的天然生聚合物”“1。

壳聚糖是甲壳素脱乙酰基的衍生物，又名几丁糖，具有良好的生物相容性、生物可降解性。

大量研究已证实，壳聚糖还具有抗菌‘71、止血、促进伤口愈合‘引、促进骨再生‘的生物学效应，也可与胶原、HA、二氧化硅等复合制备成为薄膜、海绵、可注射型水凝胶形式，应用于骨组织修复领域。

但是，采用常规方法制备的壳聚糖多孔支架的之处在于材料的综合力学性能差，对成骨细胞刺激效应以及促进成骨细胞分化相关生长因达的效应低¨“。

为了弥补这些缺陷，纳米材料应用于骨损伤修复领域。

纳米材料指某一维有1～100nm尺寸的材料，具有高表面积体积在骨损伤修复领域具有广泛的应用前景¨3|。

基前壳聚糖纳米材料在骨损伤修复中的广泛研取得的相关成果，下面就壳聚糖以及所涉及的纤维支架、纳米粒子和纳米复合支架材料的制法以及在骨组织工程与再生医学领域的研究综述。

壳聚糖纳米纤维的制备方法包括静电纺丝法¨4|、自组装法¨副和热诱导相分离法¨引等，其中静电纺丝法的应用较多。

壳聚糖纳米粒子的制备方法有离子交联法、聚电解质复合法、乳化交联法、乳化液滴聚集法、乳化溶剂扩散法、反向微乳法等。

壳聚糖纳米复合材料
磷酸钙是一类包括天然骨组织细胞外无机矿物基质主要成分在内的无机化合物，其最稳定的一种形式是HA，骨骼中的无机矿物为碳酸化羟基磷灰石(cHA)。

人们已经发现，不少磷酸钙均可作为骨移植材料植入骨缺损区，逐渐被新形成的骨组织所取代，具有良好的骨引导性。

在骨组织工程与再生医学中，生物支架的性能至关重要。

良好的生物相容性、可降解性、高孔隙率、具有一定的机械稳定性和骨引导性等，是骨组织工程中生物支架所应满足的基本要求旧8|。

壳聚糖生物支架具有极好的生物相容性，在体内可被溶菌酶等降解为无毒的低聚糖，被人体吸收利用；生物支架具有大孔径及高的孔隙率，可引导组织中的细胞在其表面及支架内部黏附生长增殖，并利于血管形成及骨基质矿化物的形成。

但其机械强度相对较低，本身不具有骨诱导性，对细胞生物活性较低。

随着材料科学和生命科学的发展，发现纳米纤维支架和纳米复合生物支架可以克服这些缺点。

作为外源基因的递送载体壳聚糖带正电荷氨基可以和带负电荷DNA分子通过聚电解质复合法制备成纳米粒子，作为外源基因的递送载体，通过转染到体内细胞经基因表达
而发挥其生物性能，是骨再生医学基因治疗中的有效载体。

组织工程学是研究和开发对人体病损组织或器官结构、功能进行修复和改善的生物活性替代物的一门科学。

组织工程技术包括三个要素：细胞、支架和生长信息。

支架是对细胞外基质(ECM)的结构功能的仿生，在组织工程中起到结构支撑和模板作用，为细胞提供寄宿、
生长、增殖及分化的场所，从能引导受损组织的再生及控制再生组织的结构。

支
架材料是组织工程中很重要的一部分，也是组织工程中重要的研究内容之一。

静电纺丝法以静电力作为牵引力能够制备直径到纳米级的超细纤维。

这种超细纤维是具有优良生性能的纳米支架材料，能够模拟天然ECM的功和结构，因此利用静电纺丝法制备组织工程支架料得到了研究人员的极大关注。

静电纺丝纳米纤维的直径与天然ECM的纤维直径相似，从而使得这种支架材料能够最大程度的仿生ECM的结构。

同时，由于具有较高的孔隙率、良好的孔道连通性和较大的比表面积，这种支架可以为细胞的黏附、增殖、分化和分泌ECM及细胞的生存提供良好的环境。

用于组织工程支架的静电纺丝高分子材料主要分为三类：天然高分子材料、合成高分子材料和它们的共混材料。

天然高分子材料具有优异的生物相容性、生物活性及可降解性，但缺乏必要的机械性能。

与天然高分子材料相比，合成高分子材料具有机械性能好、易于电纺和加工成型的特点，但生物相容性较差。

为了更好的利用这两种材料，可以将它们}昆合电纺，以制备出性能更佳的复合纳米纤维。

复合纳米纤维结合了两者的优点，使得它可以满足支架材料所需的生物及理化性能旧o。

本文阐述了目前最先进的由有机一有机及无机一有机材料共纺制备生物复合纳米纤维的研究现状，同时阐述了它们在软、硬组织工程支架中的应用潜力。

最常用的制备有机一有机生物复合纳米纤维的方法非常简单，只需将不同的高分子材料(合成或天然高分子材料)电纺为共聚物，例如：明胶／聚己内酯(PCL)复合纳米纤维。

有机一有机复合纳米纤维还能够以壳层、芯层的形式采用同轴静电纺丝技术制备。

无机一有机生物复合纳米纤维可用于硬组织工程，如骨骼组织。

天然骨主要由65～70％的无机盐(主要是羟基磷灰石HA)和30一35％的有机物(要是胶原蛋白)组成。

目前，主要有四种不同的制备无机一有机生物
复合纳米纤维的方法：
第一种：将无机成分(主要是HA纳米粒)分散在聚合物溶液中，简单混合后进行静电纺丝。

第二种：将原位合成的无机一有机复合材料通过静电纺丝法制备纳米复合纤维
第三种：先利用静电纺丝法制备包含钙或磷体的聚合物纳米纤维，随后在聚合物纳米纤维基体形成原位磷酸钙¨¨。

第四种：先制备静电聚合物纳米纤维，再将其表面改性以产生反应活性官能团(有利于后面磷灰石矿物的成核和生长)，然后在人模拟体液中矿化米纤维组件。

静电纺丝法能够将具有良好生物活性的天然聚物材料和机械性良好的合成聚合物材料共纺成复纳米纤维，为制备具有良好生物活性和功能性的米纤维支架提供了一个简便的方法。

但是，对于何更好的控制复合纳米纤维的微观结构、力学性和功能还存在很多的问题和挑战。

现有的支架材似乎很难满足单独组织生长的要求，因为只有孔在20—100nm的纳米纤维才不限制细胞的生长．此，在复合纳米纤维支架的孔径、孔隙率及其空间布方面仍需要深入的研究。