天然可降解生物材料在組織工程中的應用研究進展.doc

天然可降解生物材料在組織工程中的應用研究進展 摘要細胞培養(yǎng)支架材料是組織工程學的重要研究內容之一，是實現產業(yè)化的關鍵。天然可降解生物材料是細胞培養(yǎng)支架材料中的重要組成部分，目前用于細胞培養(yǎng)支架的天然可降解生物材料主要有多糖類和蛋白質類。多糖類主要包括殼多糖、透明質酸；蛋白質類主要包括膠原纖維蛋白和血纖維蛋白。 1987年，美國國家科學基金會正式提出了組織工程一詞。其基本原理是將體外培養(yǎng)擴增的功能細胞種植于一種生物相容性良好且可被機體吸收的生物材料即細胞培養(yǎng)支架上，形成復合物，然后將此復合物植入機體組織、器官病損部位，以達到修復重建的目的。細胞培養(yǎng)支架的研究一直是組織工程學的重要研究內容之一。細胞培養(yǎng)支架是體外細胞獲取營養(yǎng)、進行氣體交換、廢物排泄和生長代謝的場所。 作為細胞培養(yǎng)支架材料應具有以下特點；（1）良好的生物相容性；（2）生物可降解性，即可被機體吸收利用或排出體外；（3）良好的表面活性，有利于功能細胞的貼附、生長；（4）弱的抗原性；（5）易加工性，易成型。 當前，在組織工程中開發(fā)為細胞培養(yǎng)支架的生物材料主要分為兩類，即人工合成的材料和天然生物材料。天然生物材料具有細胞信號識別，促進細胞的粘附、增殖和分化、良好的生物相容性及良好的生物降解性等優(yōu)點，顯示出人工合成材料無可比擬的優(yōu)勢。 用于細胞培養(yǎng)支架的天然生物材料主要分為兩類：多糖類和蛋白質類，多糖類主要包 括殼多糖、透明質酸及其衍生物等；蛋白類主要包括膠原纖維蛋白和血纖維蛋白。 天然多糖類 殼多糖（ChitosanCS） 殼多糖是由甲殼素（-（1-4）聚-2-乙酰氨基-D葡聚糖）脫乙?；频?。競多糖可溶于稀酸，其分子保留了甲殼素的結構骨架，有氨基和羥基可加以化學修飾?？芍瞥山z狀或膜狀等有特殊功能的新材料。殼多糖具有無毒、生物相容性良好且無抗原性等優(yōu)點，其降解產物為對人體無毒的N-乙酰氨基葡萄糖和氨基葡萄糖。所以殼多糖是一種較好的細胞培養(yǎng)支架材料。 殼多糖衍生物的研究殼多糖分子問及分子內有強烈的氫鍵相互作用，使其呈緊密的晶態(tài)結構，所以殼多糖只能溶于酸和酸性水溶液，其強度和韌性也明顯不足，這就限制了它作為細胞培養(yǎng)支架的廣泛應用。但可通過各種化學修飾制備有良好溶解性的殼多糖衍生物。 殼多糖通過?；螅淖兞怂木B(tài)結構，改善了其溶解性，同時還使其具有許多特殊的功能，如N-乙酰化殼多糖膜具有較高的抗張強度、滲透性和血液相容性，且在酸堿溶液中較穩(wěn)定，熱分解溫度較高，與生物體有較好的親和性。這對其作為細胞培養(yǎng)的支架材料的應用具有很大意義。 殼多糖可以進行硫酸酯化、羧甲基化、羥基化等化學修飾，這為殼多糖在細胞培養(yǎng)支架材料中的應用提供了更為廣闊的前景。 殼多糖作為細胞培養(yǎng)支架膜材料的性質研究為更好地應用殼多糖作為細胞培養(yǎng)支架材料，必須對不同分子量和脫乙酰度殼多糖的理化指標及吸附性、降解性、安全性等進行研究，同時還需要考慮到制備方法對上述性質的影響。 （1）分子量和脫乙酰度對殼多糖理化指標的影響對不同分子量和脫乙酰度殼多糖膜的指標進行研究，發(fā)現隨著分子量的增加，膜的抗張強度、伸長強度、吸濕性均會增加。而脫乙酰度對膜的影響依賴于分子量。對同一分子量而言，脫乙酰度越高，膜會更脆且不易吸濕。這說明不同分子量、不同脫乙酰度的殼多糖具有不同的性質。 （2）制備方法方面的研究采用可控制的冷凍和冷凍干燥的方法對殼多糖溶液和凝膠處理，制成孔狀、塊狀、試管狀和珠狀材料，并對材料的脫水方法進行了研究。鄭化等采用環(huán)氧氯丙烷交聯制備出殼多糖膜，通過FTIR、XRD、和SEM等表征其結構，并測試了其力學性能。發(fā)現環(huán)氧氯丙烷的交聯可以提高膜的力學性能、降低溶菌酶的降解速率，這方面的研究為殼多糖在組織工程中作為細胞培養(yǎng)支架的應用提供了基礎。 （3）殼多糖材料的生物相容性、降解性、安全性方面的研究采用生理鹽水浸泡，紫外線消毒，植入小鼠股部肌肉的方法來研究對不同材料的殼多糖膜的組織相容性和降解性進行了研究。結果發(fā)現，60天后殼多糖降解40，且隨著分子量的減小，降解速度加快；當以蟹殼為原料制的殼多糖時，其膜既無包膜現象，又無炎癥反應，表明其生物相容性良好。 通過急性毒性試驗、過敏反應、皮膚粘膜刺激反應、熱源反應、溶血反應等系列生物學觀察，發(fā)現由蝦殼中得到的殼多糖是一種安全可靠的體內植入材料。 殼多糖在組織工程中作為細胞培養(yǎng)支架的研究早在1985年，Popowicz等將殼多糖溶解于醋酸中，蒸發(fā)水分制成一種薄且通透性好的透明多孔膜，并成功用于細胞培養(yǎng)，將已經建立的MDCK細胞系接種在殼多糖膜上，發(fā)現細胞能在上面長成單層。這說明該種膜適合作為細胞生長的支架。 在骨組織工程方面，Klokkevold等研究了殼多糖對體外成骨細胞分化和骨形成的影響，結果表明殼多糖具有促進前成骨細胞分化，加速骨形成的作用。陳富林等通過體內實 驗和體外實驗相結合的方法研究，發(fā)現成骨細胞可在殼多糖膜上較好地貼附和伸展，植入體內后周圍組織無明顯的炎癥反應，未發(fā)現組織變性和壞死，并可完全降解，證明它在骨組織工程中是較好的細胞培養(yǎng)支架材料。 在皮膚組織工程方面，將制成殼多糖膜和海綿狀的雙層結構用于皮膚組織工程中，將人再生胚胎皮成纖維細胞接種在殼多糖海綿上，培養(yǎng)4周后，發(fā)現細胞生長增殖良好，成纖維細胞通過新生成的細胞外基質緊密貼附在海綿上，形成活細胞-細胞外基質-殼多糖復合體。在整個過程中，雙層殼多糖材料的形狀和大小保持不變。這說明亮多糖材料在皮膚組織工程中是一種極好的細胞培養(yǎng)支架。 在神經組織工程方面，匡勇等觀察幾丁質和殼多糖膜對雪旺氏細胞生長的影響，用新生的Wister鼠坐骨神經及臂叢神經的雪旺氏細胞接種于見丁質膜和殼多糖膜上，在培養(yǎng)1、3、7天后發(fā)現幾丁質和殼多糖膜與雪旺氏細胞有良好的組織相容性，膜上生長的雪旺氏細胞占94，成纖維細胞占6，而對照組雪旺氏細胞占71，成纖維細胞占29，兩種膜均能抑制成纖維細胞的生長。這說明殼多糖在神經組織工程方面具有廣闊的前景。 在軟骨組織工程方面，采用軟磷脂、多聚賴氨酸和PLA對殼多糖進行包埋后與軟骨細胞體外培養(yǎng)，結果證明殼多糖作為組織工程中的細胞培養(yǎng)支架材料具有很好生物相容性和可降解性等一系列優(yōu)點。 總之，作為一種天然的可降解的生物材料，殼多糖具有良好的組織相容性、可降解性、弱的免疫原性等特點，在組織工程方面具有很大的潛力，此方面的研究已經受到了國內外的重視。 透明質酸（Hyaluronicacid，HA） 透明質酸廣泛存在于生物的結締組織中，1934年，Meyer和Palmer從牛眼中最先分離到此種物質，其相對分子量在10100萬之間，水溶液有很大粘性，在體內可控制細胞 和分子的滲透和某些細胞的分化。由于透明質酸本身是一種天然的細胞外基質，所以作為組織工程中細胞培養(yǎng)支架具有廣闊的前景。 透明質酸的羥基可酯化，且能以醛和小蛋白及乙烯砜交聯，所生成的交聯網絡凝膠可作成不同形狀和大小的制品。透明質酸為非抗原性，不會引起炎癥和異體反應。但存在時間和力學性能有限的問題。 在軟骨組織工程中，透明質酸分子通過軟骨細胞上的膜受體CD44錨在軟骨細胞上，軟骨細胞合成的蛋白聚糖單體，通過與細胞外透明質酸作用，形成親水性的大分子。Lindenhayn等研究發(fā)現，在藻酸鹽珠中加入適量的透明質酸，能有效地促進軟骨細胞的擴增，因為透明質酸是軟骨細胞基質的主要成分之一，在軟骨生長和基質形成中起到重要的作用。 Stark等對一種含有激光微孔的透明質酸膜（LaserskinR）進行了研究，結果發(fā)現這種薄膜在體外對細胞無毒性，可以有效地作為底物支持表皮細胞的生長。在特定的培養(yǎng)條件下，保持旺盛的增殖潛能，待達到亞匯合時，可以直接移植到創(chuàng)面上。所以透明質酸在皮膚組織工程中具有廣闊的前景。 但由于透明質酸的溶解性和不易貼附的特點，也限制了它在組織工程中作為細胞培養(yǎng)支架材料的應用。但對透明質酸進行了交聯，再用聚賴氨酸包被，在其上培養(yǎng)雪旺氏細胞，發(fā)現聚賴氨酸包被后，雪旺氏細胞的貼附率為350400cellsmm2，未包被的為010cellsmm2，這說明對透明質酸進行交聯和表面修飾后，可以作為神經組織工程中細胞培養(yǎng)的支架材料。 蛋白類 膠原蛋白纖維（CollagenousFiber） 膠原蛋白纖維是動物細胞合成的一種生物性高分子，廣泛存在于動物骨、腱、軟骨和 皮膚及其它結締組織中，約占哺乳動物總蛋白的13，是重要的動物細胞外基質成分，可為表皮細胞遷移、增殖鋪墊支架，并提供良好的營養(yǎng)，有利于上皮細胞的生長。故而它在組織工程中應用較多。 膠原支架的安全性通過毒性、無菌程度、溶血性、致熱源性的檢測以及在兩種動物模型中膠原的免疫原性檢驗，證明是一種可移植的安全且能夠支持軟骨細胞生長的基質材料。在骨組織工程中，膠原蛋白纖維通過成骨細胞表面的特異性受體整合素與成骨細胞緊密結合。Mizuno等將型膠原用作骨髓基質細胞的培養(yǎng)基質，發(fā)現骨髓基質細胞可定向分化為成骨細胞，最終形成含骨髓成分的新生骨組織，并且在此過程中無軟骨生成。 膠原蛋白在軟骨組織工程中的應用較廣泛。研究證實，采用膠原支架作為模板能夠支持軟骨細胞的生長及合成基質，生產出大體上組織學和生物特征都與犬半月板相似的軟骨。 Orwin等在膠原纖維組成的0.1mm孔的膠原海綿上培養(yǎng)人的角膜上皮細胞、內皮細胞和角質形成細胞，并對上皮和內皮細胞進行組織學和掃描電鏡觀察。結果表明，角膜上皮和內皮細胞可以在膠原海綿上擴展并有正常的表型，上皮細胞可受內皮細胞產生的可溶性因子的影響。這表明膠原可以作為角膜細胞培養(yǎng)的支架材料。 在皮膚組織工程中Horch等用型膠原膜作為支架培養(yǎng)人的角質形成細胞去重建表皮，在沒有滋養(yǎng)層細胞和無血清的條件下將角質細胞植入牛的型膠原膜上，待培養(yǎng)到一定條件后植入裸鼠傷口處，結果表明，未交聯的牛型膠原膜上的角質細胞可以誘導多層鱗片上皮細胞的重建，有助于傷口的愈合。 血纖維蛋白（Fibrin） 血纖維蛋白凝膠是纖維蛋白單體聚合成，它具有可塑、可粘附和可降解的特性。這種 生物來源的天然生物材料可以作為組織工程中細胞培養(yǎng)的支架材料。纖維蛋白單體在聚合成凝膠時會釋放出血小板的生長因子和轉化因子，促進細胞增殖和基質分泌，這種聚合物包埋分離的軟骨細胞，可為軟骨細胞提供空間支持。 Sims等利用纖維蛋白單體在凝血酶作用下形成凝膠的天然過程制成纖維蛋白凝膠，然后包理軟骨細胞作為軟骨細胞生長的基質材料。植入無胸腺小鼠皮下，12周后新生軟骨組織為透明軟骨，且比較接近正常軟骨。 此種新型材料在機械強度、降解時間、材料等方面還存在一些問題，這方面的研究正在深入進行。 天然共混材料作為細胞培養(yǎng)支架研究 體內細胞生長的基質非常復雜，且不同的細胞生長基質也不同，所以在組織工程中，不同類型細胞對其培養(yǎng)支架材料的性能要求不同，單一材料較難適應細胞培養(yǎng)的要求，通過共混調整不同材料之間的比例，使共混材料具有更適合細胞培養(yǎng)的力學性能、降解性等性質。天然可降解生物材料既可以與天然的生物材料共混，也可以與人工合成的生物材料共混。 共混膜材料性質的研究 對膠原-愨多糖共混膜的超微結構，力學性能等方面進行的研究表明，共混膜的性能比單純殼多糖膜的性能要好，且可以通過改變交聯條件如PH、時間和濃度來改變膜的一些性質，這為共混膜在組織工程中的應用提供了基礎。 余家會等采用溶液共混的方法制備了殼多糖-明膠共混膜，并采用FTIR、XRD、SEM等方法對該膜的透光率、吸水率和力學性能進行了測試，結果表明，殼多糖與明膠之間有強的相互作用和良好的相容性，殼多糖的加入有利于改善明膠的力學性能。 共混膜材料在組織工程中作為細胞培養(yǎng)支架的應用研究 天然可降解材料與人工合成材料之間的共混用聚乙烯醇PVA殼多糖混合膜體外培養(yǎng)成纖維細胞，并以掃描電鏡觀察，發(fā)現PVA殼多糖在成膜過程中其表面及內部空間發(fā)生很多變化。以DSC分析發(fā)現PVA和殼多糖這兩種多聚物之間相容性不太好；而用ESCA分析發(fā)現其膜表面富集了很多氮原子，這些都反映了PVA膜經殼多糖修飾，可影響混合膜的生物相容性。以混合膜培養(yǎng)成纖維細胞，用掃描電鏡進行形態(tài)學分析，并以MTT法計數，發(fā)現PVA殼多糖混合膜比單純PVA膜更適于細胞生長，且培養(yǎng)于PVA殼多糖混合膜的細胞與單純PVA膜細胞相比，能更好地擴散，更平整，更緊湊。這些結果都表明PVA/殼多糖混合膜可以促進細胞貼附和生長，PVA殼多糖混合膜將是一種很有前途的細胞培養(yǎng)生物材料。 天然可降解生物材料之間的共混美國Integra生命科學公司開發(fā)的IntegraTM人工皮膚已被美國食品及醫(yī)藥管理局（FDA）批準，它的皮層由交聯的膠原纖維與硫酸軟骨素的多孔網格組成，此網格起生物降解的膜板的作用?？梢砸鹌咏M織結構再生，膠原-硫酸軟骨素還可由戊二醛的交聯來調節(jié)其降解速度，臨床實驗確認了IntegraTM人工皮膚的顯效性，且在1995年獲準進入市場。 EIcin等將殼多糖與膠原、明膠或白蛋白混合制膜，以增強膜的生物親和性和表面粗糙程度，再在膜上接種大鼠和胎豬的肝細胞，通過兩周的培養(yǎng)，發(fā)現混合膜適合于肝細胞的貼附和生長，這說明該材料可為細胞生長和形成擬肝細胞提供適當支持。 Tan等對膠原-殼多糖復合細胞外基質在組織工程中的應用進行了研究，對膠原-殼多糖細胞外基質對細胞的形態(tài)、分化和功能進行了實驗，結果表明，隨著亮多糖比例的增加，復合基質的完整性提高，掃描電鏡顯示殼多糖的添加將會大大地影響復合基質的超微結構，改變膠原纖維的連接方式。K562細胞培養(yǎng)實驗結果顯示，雖然隨著亮多糖比例的 提高，細胞的增殖受到抑制，但是以細胞因子釋放為基礎的細胞功能卻有很大的提高。這說明膠原-殼多糖材料作為細胞培養(yǎng)的支架具有十分大的潛力。 Sechriest等用殼多糖和硫酸軟骨素A混合制得水凝膠，在其中接種上牛的關節(jié)軟骨細胞，發(fā)現細胞能很好地貼附于材料上，并且細胞能保持一些軟骨細胞特殊的表型，如細胞呈圓形，有有限的有絲分裂，能生成型膠原及