组织工裎定义及基本原理

        在1987年美刚科学基金会在华盛顿举办的生物丁程小组会上提出组织工程这个名同，1988年被定义为：“它应用工程科学与生命科学的原理与方法，在可控、可重复条 件下，通过哺乳动物、人类（包括患者自己）的特定细胞在网络构架的体外培养、体内植入增殖，形成具有特定功能组织和生物替代物。” 个组织工程产品——人工皮肤于1988年2b经FDA批准其上市销售，进入临 床实用阶段。正在研究开发的骨骼、软骨、血管以及神经组织等项目也已进入进行体 内实验的阶段。 组织工程的许多文献都将组织]-程技术归纳为三个要素：种子细胞、基质材料与细胞生蚝因子。实际匕除了卜述二个要素以外，培养的啦物环境电是重要的要素。

        一、种子细胞

        种子细胞指培养、存活、增殖后形成组织的原始细胞。种子细胞可分为一炎：异种、同种异体和自体细胞性能稳定、可重复提供的种子细胞来源是组织工程产品商业化的首要前提动物细胞是存量充足的可靠细胞来源之一，但动物细胞在人体内会引起免疫排斥反应导致安全性的问题。 采用转基因等生物技术可使动物携柏人类的革因以减少甚至避免免疫排斥反应。 
        但更严峻的问题是动物体内的一些病毒会导致人类的一些新的疾患的产生。有一些国家政府就明令禁止实施异种植人人体。实际卜，对科学家来|兑重要的是要解决防止动 物病毒传染人类的问题，一旦异种细胞植入的安全性问题获得解决，相信这肚国家政 府的禁令亦会逐步取消。但目前尚有较大的难度。 目前在组织工程研究中人类自身的细胞仍然是种子细胞的主要来源。人类自身的细胞也存在不少问题。培养的人体组织细胞增生能力一般有限，同时在体外培养条件 下随着细胞的增殖会产牛去分化现象，细胞丧失应有的功能。人类自身的原代细胞作 为种子细胞的商业前景暗淡。但是，应强调在体内的条件下，有许多种成体细胞具有 较强的“再生”能力。
        这同传统的组织工程的研究思路小同，反而同传统的人工器官 昀研究思路较接近。这就是近年发展的再牛医学发展的内容1998年末，美国有两个研究机构先后成功地培养出人胚胎干细胞。与成体细胞不 同，此类细胞具有持续生长，分化的能力，即从理论上讲此类细胞在一定的条件下可以分化成人体的任何成体细胞，并具有成体细胞的功能。此类细胞是颇为理想的种子 细胞来源。近年人胚胎千细胞的研究发展迅猛。随着人胚胎干细胞研究的深入进行，也遇到了相当多的实践问题，包括法律的与道德的问题。就技术而言仍有一些困难问题需要克服。人胚胎下细胞移植人体内后的致痛性问题、抗原性问题、如何调控人胚 胎千细胞定向分化构建组织的F1的细胞的问题等。 
        目前比较接近于实际应用的种子细胞来源是从组织中分离,LI来的所谓“前驱细胞”，亦有称之为组织干细胞。由于此类细胞在向特定分化方向转化上已得到了部分调 控，但它们尚未完全分化，因而尚存有足够的灵活性以发育成几种不l司的类型的细胞。 来源于中胚层细胞的间充质于细胞，它们存在于成人的骨髓巾，在适当的诱导条件下具有多向分化为肌腱、骨、软骨、脂肪、基质组织细胞的潜能，进而增殖培育成相应的组织。目前研究较多晌此类细胞包括：造血干细胞系、神经干细胞系以及间充质干 细胆系等。

        二、基质材料

        基质材料类似于人体细胞外基质、作为种子细胞以及细胞生氏因子的载体，使种 子细胞赣以定向分化增殖发育成相应的组织。基质材料亦有称为细胞支架。

        （一）性能
        理想的基质材料应具有以下性能。

        (l)生物相容性。除了具有一般生物材料的生物相容性要求，还要求它利于种子细胞的粘附、分化与增殖。

        (2)生物降解性。作为种子细胞的支架，一旦种细胞培育成组织，要求基质材料降解并为人体所代谢，即基质材料的降解速率与细胞生长的速率相适鹰，降解速率庇 可根据组织的生氏特性加以调控。

        (3)具有三维多}L立体网架结构。这种结构具有较高的比表面秘和孔隙率，以利 于种子细胞增殖、细胞外基质沉积进而形成组织。其中较高的空隙率，利于营养、氧气的进入和代谢废物的排出，有利于血管与神经的长入。

        (4)材料一细胞界面。基质材料应提供优异的材料细胞界面，利于细胞的粘附、 生长，更重要的是应能激活细胞特异基困的表达和维持正常细胞的表型表达。

        (5)加工性能和机械强度。由于病损和缺失的组织、器件、器官，形状尺寸变化较大，有的基质材料共至在手术植入时还需进一步加工，有的基质捌料植人体内需为 新生组织维持一段时间的力学支撑，直至新生组织具有足够的力学特性为止。

        (6)灭菌性能。基质材料使用时均需灭菌。因此，要求灭菌过程对基质材料的基 本性能不产生明显的影响和不带来新昀生物学危害作用。

        （二）分类 
        目前在组织工程中应用的基质剌料主要有三大类别：天然材料及其复合物；合成 高分子可降解材料及其复合物；无机材料及其复合物。

        1.天然材料目前应用较多的有胶原（以I型胶原为主）、明胶、甲壳素、壳聚糖、海藻酸盐、 透明质酸钠等。此类材料制成的细胞支架生物相容性一般较好。其界面利于种子细胞的粘附、分化、增殖。问题是这类材料湿态强度差，较易为体液的各种酶所降解，降解速率过快。目前，大都采用交联的方法来提高强度与减缓降解速率。也有采用天然 材料之间的复合。

        2.合成可降解高分子材料
        目前应用较多的品种是聚乙交酯( PCA)、聚丙交酯即聚乳酸(PLA)、聚己内酯 ( PCL)以及它们之间的各种共聚物。通过材料的组分、组成比、分子量、分子量分布等因素的调控来制备体内降解速率（半降解期）可以从几剧到几年、其他性能也不尽 相同、各有特长的基质材料。 PLA、PCA及其共聚物在组织工程中采用的主要结构形式有纤维支架、多孔泡沫 以及管状结构等。纤维支架是由PCA通过挤压制成10 - 15μm的纤维，再通过编织加 工技术形成编织加_T技术形成编织状或无纺状结构，孔隙率町高达97%。但这样形成的支架一般小能承担口动。商度多孔的泡沫状支架是一种较好的结构形式。可用多种方式获得多孔泡沫结构，如溶剂浇铸、微粒溶出、气体发泡、相分离等方法。其中气体发泡法效果好。 PLA和PCA及其共聚物还可制成管状结构用于尿道，小肠等管状器官的基质材 料。脂肪族聚酯类可降解高分子材料，作为基质材料尚有一些不足的方面，有待改进。

        (l)亲水性差，细胞粘附、生长增殖受阻。如PLA包埋的PGA无纺纤维支架由于亲水性差，细胞吸附力弱，满足小了组织1程研究的要求。

        (2)引起无菌性炎症。PLA与PCA在临床应用中发现约有8%左右患者出现非特 异性无菌性炎症。平均分子量低于2万时发病率增长，使用高分子量的PLA只能迟缓而不能消除此种并发症的发生。

        (3)抗压强度差。大多数PLA与PCA无纺布支架均有抗压强度差的问题。除了上述介绍的脂肪族聚酯可降解高分子材料及其复合物外，文献中还报道采用聚偶磷氨、 聚原酸酯、聚氨基酸、聚酯型聚氨酯等。 与天然材料相比，合成的材料大缺点是缺乏细胞识别信号，不利于细胞特异性 粘附及特异基因的激活，许多学者致力于将一些识别信号片断，引入合成基质材料表 面与整体，以促进种子细胞的粘附、生长、增殖。 
        3.生物陶瓷
        生物陶瓷指由金属离子及非金属离予以离子键结合的晶体材料。根据其在生理环境中的化学活陛可分为附类：惰性生物陶瓷，表面活性生物陶瓷，可吸收性生物陶瓷 与复合生物陶瓷。作为螭质1料一般采用可生物降解的可吸收性生物陶恣。

        主要有以 下一曲品种。

        (l)磷酸钙陶瓷支架。磷酸钙陶瓷按其Ca/P比值分别为1.5、l 67和2而分为磷酸三钙、羟基磷灰石和磷酸四钙，此外还有Ca/P比介于它们之间的物质，如：氟代段氧代的羟摹磷灰石。其中以羟萆磷灰石(HA)与B磷酸三钙(0- TCP)研究多。 20卅纪70年代的研究认为旨骼中的无机成分主要是HA，因此认为HA植入人体内有利于骨组织的再生。近年的研究表叫骨组织巾的矿物质魁Ca/P< 1.5的碳酸盐磷 灰石，除钙、磷外尚含有镁、钠、钾及一t!微量元素。 许多学者研究以β - TCP为主的支架及其在组织工程中的应用取得一定的进展。由于磷酸钙陶瓷表面的ξ位效应、湿润性及游离的磷酸根离子小利于细胞的粘附、增殖，这方面改进的研究尚待深入。

        (2)碳酸钙陶瓷支架。天然珊瑚（主要成分为碳酸钙）制成的细胞支架在90年代初即被用于作为人类骨髓细胞、成纤维细胞、牙龈纤维细胞及胎鼠骨细胞的体外培养。 实验发现尽管培养早期人类细胞曲贴壁率较低，但20天后细胞数量和培养板一致，细 胞的生理活性正常，分泌帕骨唾蛋白，Ⅰ型、Ⅲ型胶原、骨桥索均鼎示阳性。细胞在支架上增殖持续时间长，碳酸钙又是在体内可降解的材料。

        (3)生物活性玻璃细胞支架：含磷和钙的硅玻璃（SiO - CAO - HPO4）可以部分降解，其中一类特殊结构的称为生物活性玻璃。其表面水解形成的水合层利于羟基磷灰石形成沉积，同时此类新生态的羟基磷厌石可选择性吸附胶原、纤维粘连蛋白，从而 他玻璃表面与骨及软组织之间形成很好的生物相容界面，利于新骨形成。

        三、细胞生长因子

        生k因子(growth factor，GF)址具有定向诱导和激活组织分化、增殖，维持细胞生物活性等生物效应的蛋白质类物质。它对于促进细胞增殖，以及组织的修复、再生 具有重要的促进作用。 生长因子的生理功能具有特异性和々一性，即每种生K因子只剥某些细胞或某些 细胞的某个分化阶段发挥其生理功能。细胞生长因子并不能调控细J也分化的全过程。 特别足利用生长因子来调控加快干细胞定向分化成日的细胞，利用一种生长因素，时 常很难奏效。往往是若干种生长因子间协山作用方能调控向目的细胞的分化与增殖。 生长因子的作用往往与细胞表面棚脯受体的活跃程度有关。如利用ICF -I对肌腱细胞生氏增殖的促进作用，其必要条件是ICF- I受体系统的活跃。 利用细胞因子束促进种子细胞的分化与增殖，虽是很有效的技术手段，但要成功地运用自如尚有相当多的问题需要研究加以解决。

        四、培养的生物环境
        目前许多研究者强调组织丁程中细胞培养与扩增，应当是三维，因此推崇采用微 重力效应下，细胞与组织三维培养技术。 我们应当看到人体的细胞的种类足非常多的，不同组织与器官所在的生理环境（包括力学环境）千差万别：因此，在某些特定环境中应用的组织只有在特定的环境条件下培养才能符合临床应用的要求。 因此，研究组织工程中细胞培养与扩增条件时，应当币视在与人体生理环境类似 条件下的培养。特别是人体的许多组织的再生能力很强：如人的膀胱，研究在人体环境下膀胱的再生无疑是非常有科学价值的研究方向。