第六章組織工程的研究與進(jìn)展課件

組織工程的研究與進(jìn)展

(ResearchandDevelopmentofTissueEngineering)組織工程的研究與進(jìn)展

(ResearchandDevel1

隨著移植醫(yī)學(xué)與替代醫(yī)療的發(fā)展，人體病損器官、器件和組織的替代物的臨床需求量迅

速增長(zhǎng)。

隨著移植醫(yī)學(xué)與替代醫(yī)療的發(fā)展，人體病損器官、2

據(jù)美國(guó)國(guó)家健康統(tǒng)計(jì)中心（ＮＣＨＳ）調(diào)查，１９９３年不包括齒科材料，植入一件以上植入物的患者，在美國(guó)已達(dá)１１００萬(wàn)人，占其總?cè)丝诘模矗?，全球估?jì)超過(guò)３０００萬(wàn)人。

據(jù)美國(guó)國(guó)家健康統(tǒng)計(jì)中心（ＮＣＨＳ）調(diào)查，１９９3

齒科植入物，據(jù)日本齒科學(xué)會(huì)估計(jì)，廿一世紀(jì)初對(duì)牙種植體的需求量將達(dá)到其總?cè)丝诘模担埃ァ?/p>

齒科植入物，據(jù)日本齒科學(xué)會(huì)估計(jì)，廿一世紀(jì)初對(duì)牙4

１９９７年美國(guó)ＦＡＤ預(yù)測(cè)未來(lái)十年生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)３９項(xiàng)新產(chǎn)品中涉及人體器官、器件和組織替代物的幾乎占５０％。

１９９７年美國(guó)ＦＡＤ預(yù)測(cè)未來(lái)十年生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)5

由于源于人體的同種移植物來(lái)源有限，在美國(guó)僅不足２０％的患者能得到及時(shí)治療，耗資４００億美元。

由于源于人體的同種移植物來(lái)源有限，在美國(guó)僅不6

許多人工合成與制造的替代物，但在一定程度上能滿足臨床的要求，特別是在植入人體較長(zhǎng)時(shí)間后，并發(fā)癥較多。因此，研制開發(fā)植入人體后能形成與人體結(jié)構(gòu)組織相同、參與人體代謝、能夠修復(fù)和改善病損器官、器件和組織功能的植入物，是各國(guó)科學(xué)家孜孜以求的目標(biāo)。

許多人工合成與制造的替代物，但在一定程度上7

組織工程（TissueEngineering)就是在這樣一些需求背景和人工器官技術(shù)、生物技術(shù)、生物材料技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)進(jìn)展的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)綜合性的高新技術(shù)，是跨世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)工程前沿領(lǐng)域之一。

組織工程（TissueEngineeri8

１９８７年美國(guó)科學(xué)基金會(huì)在華盛頓舉辦的生物工程小組會(huì)上提出組織工程這個(gè)名詞，１９８８年被定義為：“它應(yīng)用工程科學(xué)與生命科學(xué)的原理與方法，在可控、可重復(fù)條件下，通過(guò)哺乳動(dòng)物、人類（包括患者自己）的特定細(xì)胞在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的體外培養(yǎng)、體內(nèi)植入增殖，形成具有特定功能組織和生物替代物?！?/p>

１９８７年美國(guó)科學(xué)基金會(huì)在華盛頓舉辦的9

第一個(gè)組織工程產(chǎn)品——人工皮膚于１９８８年２月經(jīng)ＦＤＡ批準(zhǔn)其上市銷售，進(jìn)入臨床實(shí)用階段。正在研究開發(fā)的骨骼、軟骨、血管以及神經(jīng)組織等項(xiàng)目也已進(jìn)入進(jìn)行體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的階段。

第一個(gè)組織工程產(chǎn)品——人工皮膚于１９８８年２10

一、組織工程的基本原理

一、組織工程的基本原理

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許多文獻(xiàn)都將組織工程技術(shù)歸納為三個(gè)要素：種子細(xì)胞、基質(zhì)材料與細(xì)胞生長(zhǎng)因子。實(shí)際上除了上述三個(gè)要素以外，培養(yǎng)的生物環(huán)境也是重要的要素。

許多文獻(xiàn)都將組織工程技術(shù)歸納為三個(gè)要素：種子細(xì)胞12

１．種子細(xì)胞

１．種子細(xì)胞

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種子細(xì)胞指培養(yǎng)、存活、增殖最后形成組織的原始細(xì)胞。

種子細(xì)胞指培養(yǎng)、存活、增殖最后形成組織的原始細(xì)14

種子細(xì)胞可分為三類：異種、同種異體和自體細(xì)胞。

種子細(xì)胞可分為三類：異種、同種異體和自體細(xì)胞。15

性能穩(wěn)定、可重復(fù)提供的種子細(xì)胞來(lái)源是組織工程產(chǎn)品商業(yè)化的首要前提。

性能穩(wěn)定、可重復(fù)提供的種子細(xì)胞來(lái)源是組織工程產(chǎn)16

動(dòng)物細(xì)胞是存量充足的可靠細(xì)胞來(lái)源之一，但動(dòng)物細(xì)胞在人體內(nèi)會(huì)引起免疫排斥反應(yīng)導(dǎo)致安全性的問(wèn)題。

動(dòng)物細(xì)胞是存量充足的可靠細(xì)胞來(lái)源之一，但動(dòng)17

采用轉(zhuǎn)基因等生物技術(shù)可使動(dòng)物攜有人類的基因以減少甚至避免免疫排斥反應(yīng)。但更嚴(yán)峻的問(wèn)題是動(dòng)物體內(nèi)的一些病毒會(huì)導(dǎo)致人類的一些新的疾患的產(chǎn)生。

采用轉(zhuǎn)基因等生物技術(shù)可使動(dòng)物攜有人類的基因以18

有一些國(guó)家政府就明令禁止實(shí)施異種植入人體。實(shí)際上，對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)重要的是要解決防止動(dòng)物病毒傳染人類的問(wèn)題，一旦異種細(xì)胞植入的安全性問(wèn)題獲得解決，相信這些國(guó)家政府的禁令亦會(huì)逐步取消。但目前尚有較大的難度。

有一些國(guó)家政府就明令禁止實(shí)施異種植入人體。19

目前在組織工程研究中人類自身的細(xì)胞仍然是種子細(xì)胞的主要來(lái)源。人類自身的細(xì)胞也存在不少問(wèn)題。培養(yǎng)的人體組織細(xì)胞增生能力一般有限，同時(shí)在體外培養(yǎng)條件下隨著細(xì)胞的增殖會(huì)產(chǎn)生去分化現(xiàn)象，細(xì)胞喪失應(yīng)有的功能。

目前在組織工程研究中人類自身的細(xì)胞仍然是種子20

人類自身的原代細(xì)胞作為種子細(xì)胞的商業(yè)前景暗淡。但是，應(yīng)強(qiáng)調(diào)在體內(nèi)的條件下，有許多種成體細(xì)胞具有較強(qiáng)的“再生”能力。

人類自身的原代細(xì)胞作為種子細(xì)胞的商業(yè)前景暗淡21

這同傳統(tǒng)的組織工程的研究思路不同，反而同傳統(tǒng)的人工器官的研究思路較接近。這就是近年發(fā)展的再生醫(yī)學(xué)發(fā)展的內(nèi)容

這同傳統(tǒng)的組織工程的研究思路不同，反而同傳統(tǒng)22

１９９８年末，美國(guó)有兩個(gè)研究機(jī)構(gòu)先后成功地培養(yǎng)出人胚胎干細(xì)胞。與成體細(xì)胞不同，此類細(xì)胞具有持續(xù)生長(zhǎng)，分化的能力，即從理論上講此類細(xì)胞在一定的條件下可以分化成人體的任何成體細(xì)胞，并具有成體細(xì)胞的功能。

１９９８年末，美國(guó)有兩個(gè)研究機(jī)構(gòu)先后成功地23

此類細(xì)胞是頗為理想的種子細(xì)胞來(lái)源。近年人胚胎干細(xì)胞的研究發(fā)展迅猛。隨著人胚胎干細(xì)胞研究的深入進(jìn)行，也遇到了相當(dāng)多的實(shí)踐問(wèn)題，包括法律的與道德的問(wèn)題。就技術(shù)而言仍有一些困難問(wèn)題需要克服。

此類細(xì)胞是頗為理想的種子細(xì)胞來(lái)源。近年人胚胎24

人胚胎干細(xì)胞移植人體內(nèi)后的致癌性問(wèn)題、抗原性問(wèn)題、如何調(diào)控人胚胎干細(xì)胞定向分化構(gòu)建組織的目的細(xì)胞的問(wèn)題等。

人胚胎干細(xì)胞移植人體內(nèi)后的致癌性問(wèn)題、抗原25

目前比較接近于實(shí)際應(yīng)用的種子細(xì)胞來(lái)源是從組織中分離出來(lái)的所謂“前驅(qū)細(xì)胞”，亦有稱之為組織干細(xì)胞。

目前比較接近于實(shí)際應(yīng)用的種子細(xì)胞來(lái)源是從組織中分26

由于此類細(xì)胞在向特定分化方向轉(zhuǎn)化上已得到了部分調(diào)控，但它們尚未完全分化，因而尚存有足夠的靈活性以發(fā)育成幾種不同的類型的細(xì)胞。

由于此類細(xì)胞在向特定分化方向轉(zhuǎn)化上已得到了部分27

來(lái)源于中胚層細(xì)胞的間充質(zhì)干細(xì)胞，它們存在于成人的骨髓中，在適當(dāng)?shù)恼T導(dǎo)條件下具有多向分化為肌腱、骨、軟骨、脂肪、基質(zhì)組織細(xì)胞的潛能，進(jìn)而增殖培育成相應(yīng)的組織。目前研究較多的此類細(xì)胞包括：造血干細(xì)胞系、神經(jīng)干細(xì)胞系以及間充質(zhì)干細(xì)胞系等。

來(lái)源于中胚層細(xì)胞的間充質(zhì)干細(xì)胞，它們存在28

２．基質(zhì)材料

２．基質(zhì)材料

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基質(zhì)材料類似于人體細(xì)胞外基質(zhì)、作為種子細(xì)胞以及細(xì)胞生長(zhǎng)因子的載體，使種子細(xì)胞賴以定向分化增殖發(fā)育成相應(yīng)的組織。基質(zhì)材料亦有稱為細(xì)胞支架。理想的基質(zhì)材料起碼應(yīng)具有以下一些性能：

基質(zhì)材料類似于人體細(xì)胞外基質(zhì)、作為種子細(xì)胞以及30

a.生物相容性

除了具有一般生物材料的生物相容性要求，還要求它利于種子細(xì)胞的粘附、分化與增殖。

a.生物相容性

除了具有一般生物材料的生物相31

b.生物降解性

作為種子細(xì)胞的支架，一旦種細(xì)胞培育成組織，要求基質(zhì)材料降解并為人體所代謝，即基質(zhì)材料的降解速率與細(xì)胞生長(zhǎng)的速率相適應(yīng)，降解速率應(yīng)可根據(jù)組織的生長(zhǎng)特性加以調(diào)控。

b.生物降解性

作為種子細(xì)胞的支架，一旦32

c.具有三維多孔立體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)具有較高的比表面積和孔隙率，以利于種子細(xì)胞增殖、細(xì)胞外基質(zhì)沉積進(jìn)而形成組織。其中較高的空隙率，利于營(yíng)養(yǎng)、氧氣的進(jìn)入和代謝廢物的排出，有利于血管與神經(jīng)的長(zhǎng)入。

c.具有三維多孔立體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)具有33

d.材料—細(xì)胞界面

d.材料—細(xì)胞界面

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基質(zhì)材料應(yīng)提供優(yōu)異的材料——細(xì)胞界面，利于細(xì)胞的粘附、生長(zhǎng)，更重要的是應(yīng)能激活細(xì)胞特異基因的表達(dá)和維持正常細(xì)胞的表型表達(dá)。

基質(zhì)材料應(yīng)提供優(yōu)異的材料——細(xì)胞界面，利于細(xì)胞35

e.加工性能和機(jī)械強(qiáng)度

e.加工性能和機(jī)械強(qiáng)度

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由于病損和缺失的組織、器件、器官，形狀尺寸變化較大，有的基質(zhì)材料甚至在手術(shù)植入時(shí)還需進(jìn)一步加工，

由于病損和缺失的組織、器件、器官，形狀尺寸變37

有的基質(zhì)材料植入體內(nèi)需為新生組織維持一段時(shí)間的力學(xué)支撐，直至新生組織具有足夠的力學(xué)特性為止。

有的基質(zhì)材料植入體內(nèi)需為新生組織維持一段時(shí)38

f.滅菌性能

f.滅菌性能

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基質(zhì)材料使用時(shí)均需滅菌。因此，要求滅菌過(guò)程對(duì)基質(zhì)材料的基本性能不產(chǎn)生明顯的影響

和不帶來(lái)新的生物學(xué)危害作用。

基質(zhì)材料使用時(shí)均需滅菌。因此，要求滅菌過(guò)程對(duì)40

目前在組織工程中應(yīng)用的基質(zhì)材料主要有三大類別：天然材料及其復(fù)合物；合成高分子可降解材料及其復(fù)合物；無(wú)機(jī)材料及其復(fù)合物。

目前在組織工程中應(yīng)用的基質(zhì)材料主要有三大類別41

a.天然材料

a.天然材料

42

目前應(yīng)用較多的有膠原（以Ｉ型膠原為主）、明膠、甲殼素、殼聚糖、海藻酸鹽、透明

質(zhì)酸鈉等。

目前應(yīng)用較多的有膠原（以Ｉ型膠原為主）、明膠、甲43

此類材料制成的細(xì)胞支架生物相容性一般較好。其界面利于種子細(xì)胞的粘附、分化、增殖。問(wèn)題是這類材料濕態(tài)強(qiáng)度差，較易為體液的各種酶所降解，降解速率過(guò)快。

此類材料制成的細(xì)胞支架生物相容性一般較好。其44

目前，大都采用交聯(lián)的方法來(lái)提高強(qiáng)度與減緩降解速率。也有采用天然材料之間的復(fù)合，

目前，大都采用交聯(lián)的方法來(lái)提高強(qiáng)度與減緩降解速率45

b.合成可降解高分子材料

b.合成可降解高分子材料

46

目前應(yīng)用較多的品種是聚乙交酯（ＰＧＡ）、聚丙交酯即聚乳酸（ＰＬＡ）、聚己內(nèi)酯（ＰＣＬ）以及它們之間的各種共聚物。通過(guò)材料的組份、組成比、分子量、分子量分布等因素的調(diào)控來(lái)制備體內(nèi)降解速率（半降解期）可以從幾周到幾年、其它性能也不盡相同、各有特長(zhǎng)的基質(zhì)材料。

目前應(yīng)用較多的品種是聚乙交酯（ＰＧＡ）、47

ＰＬＡ、ＰＧＡ及其共聚物在組織工程中采用的主要結(jié)構(gòu)形式有纖維支架、多孔泡沫以及管狀結(jié)構(gòu)等。

ＰＬＡ、ＰＧＡ及其共聚物在組織工程中采用的主要結(jié)48

纖維支架是由ＰＧＡ通過(guò)擠壓制成１０～１５μｍ的纖維，再通過(guò)編織加工技術(shù)形成編織加工技術(shù)形成編織狀或無(wú)紡狀結(jié)構(gòu)，孔隙率可高達(dá)９７％，面積體積比高達(dá)０.０５μｍ-1

纖維支架是由ＰＧＡ通過(guò)擠壓制成１０～１５μｍ的49

１.這樣形成的支架一般不能承擔(dān)壓力。

１.這樣形成的支架一般不能承擔(dān)壓力。

50

高度多孔的泡沫狀支架是一種較好的結(jié)構(gòu)形式?？捎枚喾N方式獲得多孔泡沫結(jié)構(gòu)，如：溶劑澆鑄、微粒溶出、氣體發(fā)泡、相分離等方法。其中氣體發(fā)泡法效果最好。

高度多孔的泡沫狀支架是一種較好的結(jié)構(gòu)形式?？?1

ＰＬＡ和ＰＧＡ及其共聚物還可制成管狀結(jié)構(gòu)用于尿道，小腸等管狀器官的基質(zhì)材料。

ＰＬＡ和ＰＧＡ及其共聚物還可制成管狀結(jié)構(gòu)用于尿道52

脂肪族聚酯類可降解高分子材料，作為基質(zhì)材料尚有一些不足的方法，有待改進(jìn)：

脂肪族聚酯類可降解高分子材料，作為基質(zhì)材料尚有53

（１）親水性差，細(xì)胞粘附、生長(zhǎng)增殖受阻。如：ＰＬＡ包埋的ＰＧＡ無(wú)紡纖維支架由于親水性差，細(xì)胞吸附力弱，滿足不了組織工程研究的要求。

（１）親水性差，細(xì)胞粘附、生長(zhǎng)增殖受阻。如：Ｐ54

（２）引起無(wú)菌性炎癥。ＰＬＡ與ＰＧＡ在臨床應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)約有８％左右患者出現(xiàn)非特異性無(wú)菌性炎癥。平均分子量低于２萬(wàn)時(shí)發(fā)病率增長(zhǎng)，使用高分子量的ＰＬＡ只能遲緩而不能消除此種并發(fā)癥的發(fā)生。

（２）引起無(wú)菌性炎癥。ＰＬＡ與ＰＧＡ在臨床應(yīng)55

（３）抗壓強(qiáng)度差。大多數(shù)ＰＬＡ與ＰＧＡ無(wú)紡布支架均有抗壓強(qiáng)度差的問(wèn)題。除了上述介紹的脂肪族聚酯可降解高分子材料及其復(fù)合物外，文獻(xiàn)中還報(bào)道采用聚偶磷氮（Polyphosphazenes）、聚原酸酯（Polyorthoesters,POE)、聚氨基酸（PolyaminoAcid)|bctisgxjrnpvsgxj(Polyesterurethane)等。

（３）抗壓強(qiáng)度差。大多數(shù)ＰＬＡ與ＰＧＡ無(wú)56

與天然材料相比，合成的材料最大缺點(diǎn)是缺乏細(xì)胞識(shí)別信號(hào)，不利于細(xì)胞特異性粘附及特異基因的激活，許多學(xué)者致力于將一些識(shí)別信號(hào)片斷，引入合成基質(zhì)材料表面與整體，以促進(jìn)種子細(xì)胞的粘附、生長(zhǎng)、增殖。

與天然材料相比，合成的材料最大缺點(diǎn)是缺乏細(xì)57

c.生物陶瓷

c.生物陶瓷

58

生物陶瓷指由金屬離子及非金屬離子以離子鍵結(jié)合的晶體材料。根據(jù)其在生理環(huán)境中的化學(xué)活性可分為四類：惰性生物陶瓷，表面活性生物陶瓷，可吸收性生物陶瓷與復(fù)合生物陶瓷。

生物陶瓷指由金屬離子及非金屬離子以離子鍵結(jié)合59

作為基質(zhì)材料一般采用可生物降解的可吸收性生物陶恣。主要有以下一些品種：

作為基質(zhì)材料一般采用可生物降解的可吸收性生物60（１）磷酸鈣陶瓷支架：磷酸

鈣陶瓷按其Ｃa/P比值分別為１.５、１.６７和２而分為磷酸三鈣、羥基磷灰石和磷酸四鈣，此外還有Ｃa/P比介于它們之間的物質(zhì)，如：氟代及氧代的羥基磷灰石。其中以羥基磷灰石（ＨＡ）與β磷酸三鈣（β-ΤCΡ）研究最多。

（１）磷酸鈣陶瓷支架：磷酸

鈣陶瓷按其Ｃa/61

７０年代的研究認(rèn)為骨骼中的無(wú)機(jī)成份主要是ＨＡ，因此認(rèn)為ＨＡ植入人體內(nèi)有利于骨組織的再生。

７０年代的研究認(rèn)為骨骼中的無(wú)機(jī)成份主要是ＨＡ，因62

近年的研究表明骨組織中的礦物質(zhì)是Ｃa/P＜１．５的碳酸鹽磷灰石，除鈣、磷外尚含有鎂、鈉、鉀及一些微量元素。

近年的研究表明骨組織中的礦物質(zhì)是Ｃa/P＜１63

許多學(xué)者研究以β-ＴＣＰ為主的支架及其在組織工程中的應(yīng)用取得一定的進(jìn)展。由于磷酸鈣陶瓷表面的ξ電位效應(yīng)、濕潤(rùn)性及游離的磷酸根離子不利于細(xì)胞的粘附、增殖，這方面改進(jìn)的研究尚待深入。

許多學(xué)者研究以β-ＴＣＰ為主的支架及其在組織64

（２）碳酸鈣陶瓷支架：天然珊瑚（主要成份為碳酸鈣）制成的細(xì)胞支架在９０年代初即被用于作為人類骨髓細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、牙齦纖維細(xì)胞及胎鼠骨細(xì)胞的體外培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)盡管培養(yǎng)早期人類細(xì)胞的貼壁率較低，但２０天后細(xì)胞數(shù)量和培養(yǎng)板一致，細(xì)胞的生理活性正常，分泌的骨唾蛋白，Ｉ型、ＩＩＩ型膠原、骨橋素均顯示陽(yáng)性。細(xì)胞在支架上增殖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，碳酸鈣又是在體內(nèi)可降解的材料。

（２）碳酸鈣陶瓷支架：天然珊瑚（主要成65

（３）生物活性玻璃細(xì)胞支架：含磷和鈣的硅玻璃（SiO-ＣａＯ-ＨＰＯ４）可以部分降解，其中一類特殊結(jié)構(gòu)的稱為生物活性玻璃。其表面水解形成的水合層利于羥基磷灰石形成沉積，同時(shí)此類新生態(tài)的羥基磷灰石可選擇性吸附膠原、纖維粘連蛋白，從而使玻璃表面與骨及軟組織之間形成很好的生物相容界面，利于新骨形成。

（３）生物活性玻璃細(xì)胞支架：含磷和鈣的66

３.細(xì)胞生長(zhǎng)因子

３.細(xì)胞生長(zhǎng)因子

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生長(zhǎng)因子（GrowthFactor,GF)是具有定向誘導(dǎo)和激活組織分化、增殖，維持細(xì)胞生物活性等生物效應(yīng)的蛋白質(zhì)類物質(zhì)。它對(duì)于促進(jìn)細(xì)胞增殖，以及組織的修復(fù)、再生具有重要的促進(jìn)作用。

生長(zhǎng)因子（GrowthFactor,GF)是68

生長(zhǎng)因子的生理功能具有特異性和專一性，即每種生長(zhǎng)因子只對(duì)某些細(xì)胞或某些細(xì)胞的某個(gè)分化階段發(fā)揮其生理功能。

生長(zhǎng)因子的生理功能具有特異性和專一性，即每種生69

細(xì)胞生長(zhǎng)因子并不能調(diào)控細(xì)胞分化的全過(guò)程。特別是利用生長(zhǎng)因子來(lái)調(diào)控加快干細(xì)胞定向分化成目的細(xì)胞，利用一種生長(zhǎng)因素，時(shí)常很難奏效。往往是若干種生長(zhǎng)因子間協(xié)同作用方能調(diào)控向目的細(xì)胞的分化與增殖。

細(xì)胞生長(zhǎng)因子并不能調(diào)控細(xì)胞分化的全過(guò)程。特別70

生長(zhǎng)因子的作用往往與細(xì)胞表面相應(yīng)受體的活躍程度有關(guān)。如利用ＩＧＦ-Ｉ對(duì)肌腱細(xì)胞生長(zhǎng)增殖的促進(jìn)作用，其必要條件是ＩＧＦ-１受體系統(tǒng)的活躍。

生長(zhǎng)因子的作用往往與細(xì)胞表面相應(yīng)受體的活躍71

利用細(xì)胞因子來(lái)促進(jìn)種子細(xì)胞的分化與增殖，雖是很有效的技術(shù)手段，但要成功地運(yùn)用自如尚有相當(dāng)多的問(wèn)題需要研究加以解決。

利用細(xì)胞因子來(lái)促進(jìn)種子細(xì)胞的分化與增殖，雖是72

４.培養(yǎng)的生物環(huán)境

４.培養(yǎng)的生物環(huán)境

73

目前許多研究者強(qiáng)調(diào)組織工程中細(xì)胞培養(yǎng)與擴(kuò)增，應(yīng)當(dāng)是三維，因此推崇采用微重力效應(yīng)下，細(xì)胞與組織三維培養(yǎng)技術(shù)。

目前許多研究者強(qiáng)調(diào)組織工程中細(xì)胞培養(yǎng)與擴(kuò)增，應(yīng)74

我們應(yīng)當(dāng)看到人體的細(xì)胞的種類是非常多的，不同組織與器官所在的生理環(huán)境（包括力學(xué)環(huán)境）千差萬(wàn)別。因此，在某些特定環(huán)境中應(yīng)用的組織只有在特定的環(huán)境條件下培養(yǎng)才能符合臨床應(yīng)用的要求。

我們應(yīng)當(dāng)看到人體的細(xì)胞的種類是非常多的，不75

因此，研究組織工程中細(xì)胞培養(yǎng)與擴(kuò)增條件時(shí)，應(yīng)當(dāng)重視在與人體生理環(huán)境類似條件下的培養(yǎng)。特別是人體的許多組織的再生能力很強(qiáng)：如人的膀胱，研究在人體環(huán)境下膀胱的再生無(wú)疑是非常有科學(xué)價(jià)值的研究方向。

因此，研究組織工程中細(xì)胞培養(yǎng)與擴(kuò)增條件時(shí)，應(yīng)76

二、組織工程一些活躍的研究領(lǐng)域

二、組織工程一些活躍的研究領(lǐng)域

77

組織工程的目標(biāo)旨在研制、開發(fā)能夠修復(fù)損傷或缺失組織功能的體內(nèi)植入物。因此，組織工程的一些活躍的研究多集中在能夠較快地在臨床應(yīng)用、可形成商品化、應(yīng)用前景較明確的一些領(lǐng)域。

組織工程的目標(biāo)旨在研制、開發(fā)能夠修復(fù)損傷或缺失78

１.骨組織工程

１.骨組織工程

79

將基質(zhì)材料與生長(zhǎng)因子（主要是骨形成蛋白rhBMP-２和人轉(zhuǎn)移生長(zhǎng)因子βｒｈＴＧＦ-β。在體外組裝后植入體內(nèi)，通過(guò)生長(zhǎng)因子分子誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化、增殖進(jìn)而長(zhǎng)成新骨。這對(duì)于小區(qū)域骨缺損的修復(fù)有較好的療效。

將基質(zhì)材料與生長(zhǎng)因子（主要是骨形成蛋白rh80

另一種思路，利用體外細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)增殖獲得足夠數(shù)量的成骨細(xì)胞，然后與基質(zhì)材料在體外組裝后植入缺損部位。目前，正在利用后一種思路研究長(zhǎng)骨的體內(nèi)生物植入物。

另一種思路，利用體外細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)增殖獲得足夠數(shù)81

ＢＭＰ在人體內(nèi)發(fā)揮作用的時(shí)間受到限制，有的學(xué)者提出將控制ＢＭＰ合成的ＤＮＡ質(zhì)粒復(fù)合于基質(zhì)材料中植入人體，這樣可以在骨組織形成過(guò)程中不斷合成ＢＭＰ，促進(jìn)成骨細(xì)胞生長(zhǎng)。

ＢＭＰ在人體內(nèi)發(fā)揮作用的時(shí)間受到限制，有的學(xué)者82

２．皮膚組織工程

２．皮膚組織工程

83

最早的皮膚生物替代物是源于患者本人的角質(zhì)細(xì)胞在高鈣條件下的復(fù)層模片，爾后將其用酶從培養(yǎng)瓶中消化下來(lái)，移植至斷層或全層皮膚創(chuàng)面。

最早的皮膚生物替代物是源于患者本人的角質(zhì)細(xì)胞84

之后，較成功的實(shí)驗(yàn)是將新生兒包皮中成纖維細(xì)胞與牛Ｉ型膠原制成真皮替代物。表面由自體表皮細(xì)胞覆蓋，成功地用于人體創(chuàng)面復(fù)蓋。

之后，較成功的實(shí)驗(yàn)是將新生兒包皮中成纖維細(xì)胞85

近年，由膠原與硫酸軟骨素復(fù)

合的模擬真皮；ＰＧＡ和ＰＬＡ作支架移植新生兒包皮成纖維細(xì)胞增殖后制成的人工真皮；去除包含有郎罕氏細(xì)胞的表皮成份，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間冷藏的無(wú)細(xì)胞異體真皮等產(chǎn)品均在燒傷創(chuàng)面應(yīng)用獲得成功。

近年，由膠原與硫酸軟骨素復(fù)

合的模擬真皮；Ｐ86

人工皮膚是最早被ＦＤＡ批準(zhǔn)上市的組織工程產(chǎn)品。

人工皮膚是最早被ＦＤＡ批準(zhǔn)上市的組織工程產(chǎn)品。87

皮膚生物工程產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已趨成熟，即此種皮膚替代物應(yīng)用表皮、真皮兩層，表皮中的細(xì)胞應(yīng)具有分化、增殖的能力，表皮與真皮之間的緊密粘附，通過(guò)兩層細(xì)胞間的相互作用實(shí)現(xiàn)人工組織植入物的功能。

皮膚生物工程產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已趨成熟，即此種皮膚替代88

３．肌腱、軟骨組織工程

３．肌腱、軟骨組織工程

89

結(jié)締組織的替代是重建外科的熱點(diǎn)，其中尤以肌腱與軟骨修復(fù)受到關(guān)注。

結(jié)締組織的替代是重建外科的熱點(diǎn)，其中尤以肌腱90

ＰＧＡ與間充質(zhì)細(xì)胞構(gòu)成的人工組織植入裸鼠皮下、兔子的關(guān)節(jié)缺損進(jìn)行了廣泛的研究，證明可以形成軟骨，肌腱和新生骨。還可以進(jìn)行血管化再生組織的培養(yǎng)。

ＰＧＡ與間充質(zhì)細(xì)胞構(gòu)成的人工組織植入裸鼠皮下91

軟骨的體外培養(yǎng)已獲成功，關(guān)鍵是要得到足夠的厚度與相應(yīng)的強(qiáng)度。體外培養(yǎng)中新生軟骨超過(guò)一定的厚度，中心區(qū)域的軟骨細(xì)胞由于距離邊緣遠(yuǎn)而無(wú)法得到充足的營(yíng)養(yǎng)和氧氣，無(wú)法對(duì)各種生長(zhǎng)因子的刺激作出響應(yīng)，也不能排除代謝廢物。國(guó)外采用一種旋轉(zhuǎn)式生物反應(yīng)器，在此反應(yīng)器的細(xì)胞支架上進(jìn)行培養(yǎng)，保證細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)與氧氣充足供應(yīng)與代謝廢物的排除，同時(shí)對(duì)環(huán)境施以一定的應(yīng)力場(chǎng)作用，導(dǎo)致組織工程化軟骨，富含膠原及其他一些蛋白質(zhì)。

軟骨的體外培養(yǎng)已獲成功，關(guān)鍵是要得到足92

肌腱組織工程的種子細(xì)胞目前大多采用胚胎肌腱組織分離、純化獲得的肌腱細(xì)胞。采用以膠原為主原料制成的天然細(xì)胞支架，也有采用ＰＬＡ與ＰＧＡ細(xì)胞支架的，后者親水性較差而影響細(xì)胞粘附。

肌腱組織工程的種子細(xì)胞目前大多采用胚胎肌腱組織93

肌腱組織工程中還有一個(gè)極其重要的研究方向就是利用支架植入誘導(dǎo)自體肌腱組織的再生。文獻(xiàn)中已有成功的報(bào)道。

肌腱組織工程中還有一個(gè)極其重要的研究方向就94

４．具有分泌功能器官的組織工程

４．具有分泌功能器官的組織工程

95

實(shí)驗(yàn)中的研究目標(biāo)目前集中在人工肝、人工胰及人工腎。以人工肝為例，實(shí)際上目前還沒(méi)有到達(dá)形成肝組織的水平，只是分化增殖肝細(xì)胞的聚集體。另一片目前有二類研究方向。一類是體內(nèi)型，主要是利用海藻酸／聚賴氨酸包埋肝細(xì)胞形成生物微膠囊用作組織細(xì)胞移植治療的免疫隔離工具，組織在囊內(nèi)分化、增殖，營(yíng)養(yǎng)和氧份由組織液提供，細(xì)胞的分泌物與代謝由囊內(nèi)向囊外輸運(yùn)再轉(zhuǎn)運(yùn)全身，起到肝組織的分泌代謝功能。

實(shí)驗(yàn)中的研究目標(biāo)目前集中在人工肝、人工胰96

另一類是體外型。主要是利用空心纖維型生物反應(yīng)器在體外大量培養(yǎng)肝細(xì)胞，該反應(yīng)器附有供營(yíng)養(yǎng)液、充氣和排泄裝置，使細(xì)胞維持在良好的微環(huán)境中生長(zhǎng)。利用血液凈化的原理經(jīng)肝細(xì)胞作用后的血液回輸體內(nèi)。此類裝置實(shí)際上只是肝臟的短期支持系統(tǒng)。

另一類是體外型。主要是利用空心纖維型生物反應(yīng)97

生物活性的人工胰，也是利用微膠囊技術(shù)包埋胰島細(xì)胞制成。植入腹腔后胰島細(xì)胞分泌的胰島素通過(guò)微囊半透膜輸運(yùn)到腹腔，爾后通過(guò)血液循環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)到全身。

生物活性的人工胰，也是利用微膠囊技術(shù)包埋胰島98

三、組織工程研究的若干問(wèn)題

三、組織工程研究的若干問(wèn)題

99

１．人體組織與器官的替代需要“綜合”各學(xué)科的成就各個(gè)學(xué)科總是從本學(xué)科已有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)出發(fā)來(lái)解決臨床遇到的一些科學(xué)“難題”。從某種意義上講，這種優(yōu)勢(shì)又是一種片面。

１．人體組織與器官的替代需要“綜合”各學(xué)科的成就100

只有不受狹小學(xué)科的思維束縛，在多領(lǐng)域的技術(shù)成就的基礎(chǔ)上，集成各方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，才有可能解決人體器官的替代、修復(fù)、再生、復(fù)制與置換這樣一個(gè)極其復(fù)雜的問(wèn)題。

只有不受狹小學(xué)科的思維束縛，在多領(lǐng)域的技術(shù)成101

２．免疫問(wèn)題

２．免疫問(wèn)題

102

由于人的機(jī)體對(duì)外源物質(zhì)的排斥作用，組織工程產(chǎn)物植入人體后的免疫問(wèn)題應(yīng)當(dāng)作為重要問(wèn)題加以解決。

由于人的機(jī)體對(duì)外源物質(zhì)的排斥作用，組織工程產(chǎn)物103

生物技術(shù)為組織工程解決此問(wèn)題提供一些很好的技術(shù)思路。利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)制備能為宿主接受的異體及異種干細(xì)胞、實(shí)質(zhì)細(xì)胞，這里包括：基因轉(zhuǎn)染，克隆技術(shù)與轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的制備等技術(shù)。人工器官學(xué)科為解決免疫問(wèn)題提出的免疫隔離（Ｉmmunoisolation)的概念，在研究功能化組織工程產(chǎn)品，如肝、胰、腎細(xì)胞系統(tǒng)中提供很有效的技術(shù)思路。

生物技術(shù)為組織工程解決此問(wèn)題提供一些很104

３．人體結(jié)構(gòu)層次的問(wèn)題

３．人體結(jié)構(gòu)層次的問(wèn)題

105

細(xì)胞、組織、器官是人體結(jié)構(gòu)的不同層次，三者有明確的科學(xué)界定，同時(shí)三者有不可分割的有機(jī)聯(lián)系，一個(gè)器官由若干種組織和更多的細(xì)胞組成。

細(xì)胞、組織、器官是人體結(jié)構(gòu)的不同層次，三者有明106

因此要解決器官的替代，要制造器官替代的生物替代物，組織工程技術(shù)并不能解決全部的問(wèn)題。從某種意義上說(shuō)，更重要的大量的要依賴生物技術(shù)。

因此要解決器官的替代，要制造器官替代的生物替107

個(gè)別關(guān)于組織工程的論著，談及組織工程可以制造人體功能衰竭或缺失的器官的說(shuō)法，有一些言過(guò)其實(shí)。因?yàn)槠鞴伲貏e是人體內(nèi)臟器官的替代物的研制的許多內(nèi)容，它超越了組織工程的技術(shù)水平和概念，更確切地說(shuō)，應(yīng)屬于器官工程的范疇。

個(gè)別關(guān)于組織工程的論著，談及組織工程可以制108

組織工程的發(fā)展應(yīng)集中精力與明確近期主攻方向，揚(yáng)長(zhǎng)避短，在若干個(gè)領(lǐng)域取得突破，然后再考慮向更深的層次發(fā)展。

組織工程的發(fā)展應(yīng)集中精力與明確近期主攻方向，109

４．當(dāng)前研究工作的重點(diǎn)

４．當(dāng)前研究工作的重點(diǎn)

110

就基礎(chǔ)研究工作而言，應(yīng)深入進(jìn)行：（１）蛋白質(zhì)—表面相互作用規(guī)律與機(jī)制；（２）細(xì)胞—表面相互作用規(guī)律與機(jī)制；（３）細(xì)胞高生物活性快速增殖的環(huán)境條件；（４）人類組織相合性基因體（ＭＨＣ基因）的研究。

就基礎(chǔ)研究工作而言，應(yīng)深入進(jìn)行：（１）蛋白質(zhì)—111

以下重大應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)取得突破：（１）生物相容性表面技術(shù)；（２）精密加工技術(shù)；（３）組織工程中的轉(zhuǎn)基因技術(shù)、其它生物技術(shù)；（４）組織工程的生物活性組裝與表面修飾；（５）組織工程基質(zhì)材料在微重力條件下的細(xì)胞與組織三維培養(yǎng)技術(shù)與裝置；（６）誘導(dǎo)體內(nèi)成體細(xì)胞再生、替代病損組織的技術(shù)。

以下重大應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)取得突破：（１）生物112組織工程的研究與進(jìn)展

(ResearchandDevelopmentofTissueEngineering)組織工程的研究與進(jìn)展

(ResearchandDevel113

隨著移植醫(yī)學(xué)與替代醫(yī)療的發(fā)展，人體病損器官、器件和組織的替代物的臨床需求量迅

速增長(zhǎng)。

隨著移植醫(yī)學(xué)與替代醫(yī)療的發(fā)展，人體病損器官、114

據(jù)美國(guó)國(guó)家健康統(tǒng)計(jì)中心（ＮＣＨＳ）調(diào)查，１９９３年不包括齒科材料，植入一件以上植入物的患者，在美國(guó)已達(dá)１１００萬(wàn)人，占其總?cè)丝诘模矗?，全球估?jì)超過(guò)３０００萬(wàn)人。

據(jù)美國(guó)國(guó)家健康統(tǒng)計(jì)中心（ＮＣＨＳ）調(diào)查，１９９115

齒科植入物，據(jù)日本齒科學(xué)會(huì)估計(jì)，廿一世紀(jì)初對(duì)牙種植體的需求量將達(dá)到其總?cè)丝诘模担埃ァ?/p>

齒科植入物，據(jù)日本齒科學(xué)會(huì)估計(jì)，廿一世紀(jì)初對(duì)牙116

１９９７年美國(guó)ＦＡＤ預(yù)測(cè)未來(lái)十年生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)３９項(xiàng)新產(chǎn)品中涉及人體器官、器件和組織替代物的幾乎占５０％。

１９９７年美國(guó)ＦＡＤ預(yù)測(cè)未來(lái)十年生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)117

由于源于人體的同種移植物來(lái)源有限，在美國(guó)僅不足２０％的患者能得到及時(shí)治療，耗資４００億美元。

由于源于人體的同種移植物來(lái)源有限，在美國(guó)僅不118

許多人工合成與制造的替代物，但在一定程度上能滿足臨床的要求，特別是在植入人體較長(zhǎng)時(shí)間后，并發(fā)癥較多。因此，研制開發(fā)植入人體后能形成與人體結(jié)構(gòu)組織相同、參與人體代謝、能夠修復(fù)和改善病損器官、器件和組織功能的植入物，是各國(guó)科學(xué)家孜孜以求的目標(biāo)。

許多人工合成與制造的替代物，但在一定程度上119

組織工程（TissueEngineering)就是在這樣一些需求背景和人工器官技術(shù)、生物技術(shù)、生物材料技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)進(jìn)展的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)綜合性的高新技術(shù)，是跨世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)工程前沿領(lǐng)域之一。

組織工程（TissueEngineeri120

１９８７年美國(guó)科學(xué)基金會(huì)在華盛頓舉辦的生物工程小組會(huì)上提出組織工程這個(gè)名詞，１９８８年被定義為：“它應(yīng)用工程科學(xué)與生命科學(xué)的原理與方法，在可控、可重復(fù)條件下，通過(guò)哺乳動(dòng)物、人類（包括患者自己）的特定細(xì)胞在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的體外培養(yǎng)、體內(nèi)植入增殖，形成具有特定功能組織和生物替代物。”

１９８７年美國(guó)科學(xué)基金會(huì)在華盛頓舉辦的121

第一個(gè)組織工程產(chǎn)品——人工皮膚于１９８８年２月經(jīng)ＦＤＡ批準(zhǔn)其上市銷售，進(jìn)入臨床實(shí)用階段。正在研究開發(fā)的骨骼、軟骨、血管以及神經(jīng)組織等項(xiàng)目也已進(jìn)入進(jìn)行體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的階段。

第一個(gè)組織工程產(chǎn)品——人工皮膚于１９８８年２122

一、組織工程的基本原理

一、組織工程的基本原理

123

許多文獻(xiàn)都將組織工程技術(shù)歸納為三個(gè)要素：種子細(xì)胞、基質(zhì)材料與細(xì)胞生長(zhǎng)因子。實(shí)際上除了上述三個(gè)要素以外，培養(yǎng)的生物環(huán)境也是重要的要素。

許多文獻(xiàn)都將組織工程技術(shù)歸納為三個(gè)要素：種子細(xì)胞124

１．種子細(xì)胞

１．種子細(xì)胞

125

種子細(xì)胞指培養(yǎng)、存活、增殖最后形成組織的原始細(xì)胞。

種子細(xì)胞指培養(yǎng)、存活、增殖最后形成組織的原始細(xì)126

種子細(xì)胞可分為三類：異種、同種異體和自體細(xì)胞。

種子細(xì)胞可分為三類：異種、同種異體和自體細(xì)胞。127

性能穩(wěn)定、可重復(fù)提供的種子細(xì)胞來(lái)源是組織工程產(chǎn)品商業(yè)化的首要前提。

性能穩(wěn)定、可重復(fù)提供的種子細(xì)胞來(lái)源是組織工程產(chǎn)128

動(dòng)物細(xì)胞是存量充足的可靠細(xì)胞來(lái)源之一，但動(dòng)物細(xì)胞在人體內(nèi)會(huì)引起免疫排斥反應(yīng)導(dǎo)致安全性的問(wèn)題。

動(dòng)物細(xì)胞是存量充足的可靠細(xì)胞來(lái)源之一，但動(dòng)129

采用轉(zhuǎn)基因等生物技術(shù)可使動(dòng)物攜有人類的基因以減少甚至避免免疫排斥反應(yīng)。但更嚴(yán)峻的問(wèn)題是動(dòng)物體內(nèi)的一些病毒會(huì)導(dǎo)致人類的一些新的疾患的產(chǎn)生。

采用轉(zhuǎn)基因等生物技術(shù)可使動(dòng)物攜有人類的基因以130

有一些國(guó)家政府就明令禁止實(shí)施異種植入人體。實(shí)際上，對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)重要的是要解決防止動(dòng)物病毒傳染人類的問(wèn)題，一旦異種細(xì)胞植入的安全性問(wèn)題獲得解決，相信這些國(guó)家政府的禁令亦會(huì)逐步取消。但目前尚有較大的難度。

有一些國(guó)家政府就明令禁止實(shí)施異種植入人體。131

目前在組織工程研究中人類自身的細(xì)胞仍然是種子細(xì)胞的主要來(lái)源。人類自身的細(xì)胞也存在不少問(wèn)題。培養(yǎng)的人體組織細(xì)胞增生能力一般有限，同時(shí)在體外培養(yǎng)條件下隨著細(xì)胞的增殖會(huì)產(chǎn)生去分化現(xiàn)象，細(xì)胞喪失應(yīng)有的功能。

目前在組織工程研究中人類自身的細(xì)胞仍然是種子132

人類自身的原代細(xì)胞作為種子細(xì)胞的商業(yè)前景暗淡。但是，應(yīng)強(qiáng)調(diào)在體內(nèi)的條件下，有許多種成體細(xì)胞具有較強(qiáng)的“再生”能力。

人類自身的原代細(xì)胞作為種子細(xì)胞的商業(yè)前景暗淡133

這同傳統(tǒng)的組織工程的研究思路不同，反而同傳統(tǒng)的人工器官的研究思路較接近。這就是近年發(fā)展的再生醫(yī)學(xué)發(fā)展的內(nèi)容

這同傳統(tǒng)的組織工程的研究思路不同，反而同傳統(tǒng)134

１９９８年末，美國(guó)有兩個(gè)研究機(jī)構(gòu)先后成功地培養(yǎng)出人胚胎干細(xì)胞。與成體細(xì)胞不同，此類細(xì)胞具有持續(xù)生長(zhǎng)，分化的能力，即從理論上講此類細(xì)胞在一定的條件下可以分化成人體的任何成體細(xì)胞，并具有成體細(xì)胞的功能。

１９９８年末，美國(guó)有兩個(gè)研究機(jī)構(gòu)先后成功地135

此類細(xì)胞是頗為理想的種子細(xì)胞來(lái)源。近年人胚胎干細(xì)胞的研究發(fā)展迅猛。隨著人胚胎干細(xì)胞研究的深入進(jìn)行，也遇到了相當(dāng)多的實(shí)踐問(wèn)題，包括法律的與道德的問(wèn)題。就技術(shù)而言仍有一些困難問(wèn)題需要克服。

此類細(xì)胞是頗為理想的種子細(xì)胞來(lái)源。近年人胚胎136

人胚胎干細(xì)胞移植人體內(nèi)后的致癌性問(wèn)題、抗原性問(wèn)題、如何調(diào)控人胚胎干細(xì)胞定向分化構(gòu)建組織的目的細(xì)胞的問(wèn)題等。

人胚胎干細(xì)胞移植人體內(nèi)后的致癌性問(wèn)題、抗原137

目前比較接近于實(shí)際應(yīng)用的種子細(xì)胞來(lái)源是從組織中分離出來(lái)的所謂“前驅(qū)細(xì)胞”，亦有稱之為組織干細(xì)胞。

目前比較接近于實(shí)際應(yīng)用的種子細(xì)胞來(lái)源是從組織中分138

由于此類細(xì)胞在向特定分化方向轉(zhuǎn)化上已得到了部分調(diào)控，但它們尚未完全分化，因而尚存有足夠的靈活性以發(fā)育成幾種不同的類型的細(xì)胞。

由于此類細(xì)胞在向特定分化方向轉(zhuǎn)化上已得到了部分139

來(lái)源于中胚層細(xì)胞的間充質(zhì)干細(xì)胞，它們存在于成人的骨髓中，在適當(dāng)?shù)恼T導(dǎo)條件下具有多向分化為肌腱、骨、軟骨、脂肪、基質(zhì)組織細(xì)胞的潛能，進(jìn)而增殖培育成相應(yīng)的組織。目前研究較多的此類細(xì)胞包括：造血干細(xì)胞系、神經(jīng)干細(xì)胞系以及間充質(zhì)干細(xì)胞系等。

來(lái)源于中胚層細(xì)胞的間充質(zhì)干細(xì)胞，它們存在140

２．基質(zhì)材料

２．基質(zhì)材料

141

基質(zhì)材料類似于人體細(xì)胞外基質(zhì)、作為種子細(xì)胞以及細(xì)胞生長(zhǎng)因子的載體，使種子細(xì)胞賴以定向分化增殖發(fā)育成相應(yīng)的組織。基質(zhì)材料亦有稱為細(xì)胞支架。理想的基質(zhì)材料起碼應(yīng)具有以下一些性能：

基質(zhì)材料類似于人體細(xì)胞外基質(zhì)、作為種子細(xì)胞以及142

a.生物相容性

除了具有一般生物材料的生物相容性要求，還要求它利于種子細(xì)胞的粘附、分化與增殖。

a.生物相容性

除了具有一般生物材料的生物相143

b.生物降解性

作為種子細(xì)胞的支架，一旦種細(xì)胞培育成組織，要求基質(zhì)材料降解并為人體所代謝，即基質(zhì)材料的降解速率與細(xì)胞生長(zhǎng)的速率相適應(yīng)，降解速率應(yīng)可根據(jù)組織的生長(zhǎng)特性加以調(diào)控。

b.生物降解性

作為種子細(xì)胞的支架，一旦144

c.具有三維多孔立體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)具有較高的比表面積和孔隙率，以利于種子細(xì)胞增殖、細(xì)胞外基質(zhì)沉積進(jìn)而形成組織。其中較高的空隙率，利于營(yíng)養(yǎng)、氧氣的進(jìn)入和代謝廢物的排出，有利于血管與神經(jīng)的長(zhǎng)入。

c.具有三維多孔立體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)具有145

d.材料—細(xì)胞界面

d.材料—細(xì)胞界面

146

基質(zhì)材料應(yīng)提供優(yōu)異的材料——細(xì)胞界面，利于細(xì)胞的粘附、生長(zhǎng)，更重要的是應(yīng)能激活細(xì)胞特異基因的表達(dá)和維持正常細(xì)胞的表型表達(dá)。

基質(zhì)材料應(yīng)提供優(yōu)異的材料——細(xì)胞界面，利于細(xì)胞147

e.加工性能和機(jī)械強(qiáng)度

e.加工性能和機(jī)械強(qiáng)度

148

由于病損和缺失的組織、器件、器官，形狀尺寸變化較大，有的基質(zhì)材料甚至在手術(shù)植入時(shí)還需進(jìn)一步加工，

由于病損和缺失的組織、器件、器官，形狀尺寸變149

有的基質(zhì)材料植入體內(nèi)需為新生組織維持一段時(shí)間的力學(xué)支撐，直至新生組織具有足夠的力學(xué)特性為止。

有的基質(zhì)材料植入體內(nèi)需為新生組織維持一段時(shí)150

f.滅菌性能

f.滅菌性能

151

基質(zhì)材料使用時(shí)均需滅菌。因此，要求滅菌過(guò)程對(duì)基質(zhì)材料的基本性能不產(chǎn)生明顯的影響

和不帶來(lái)新的生物學(xué)危害作用。

基質(zhì)材料使用時(shí)均需滅菌。因此，要求滅菌過(guò)程對(duì)152

目前在組織工程中應(yīng)用的基質(zhì)材料主要有三大類別：天然材料及其復(fù)合物；合成高分子可降解材料及其復(fù)合物；無(wú)機(jī)材料及其復(fù)合物。

目前在組織工程中應(yīng)用的基質(zhì)材料主要有三大類別153

a.天然材料

a.天然材料

154

目前應(yīng)用較多的有膠原（以Ｉ型膠原為主）、明膠、甲殼素、殼聚糖、海藻酸鹽、透明

質(zhì)酸鈉等。

目前應(yīng)用較多的有膠原（以Ｉ型膠原為主）、明膠、甲155

此類材料制成的細(xì)胞支架生物相容性一般較好。其界面利于種子細(xì)胞的粘附、分化、增殖。問(wèn)題是這類材料濕態(tài)強(qiáng)度差，較易為體液的各種酶所降解，降解速率過(guò)快。

此類材料制成的細(xì)胞支架生物相容性一般較好。其156

目前，大都采用交聯(lián)的方法來(lái)提高強(qiáng)度與減緩降解速率。也有采用天然材料之間的復(fù)合，

目前，大都采用交聯(lián)的方法來(lái)提高強(qiáng)度與減緩降解速率157

b.合成可降解高分子材料

b.合成可降解高分子材料

158

目前應(yīng)用較多的品種是聚乙交酯（ＰＧＡ）、聚丙交酯即聚乳酸（ＰＬＡ）、聚己內(nèi)酯（ＰＣＬ）以及它們之間的各種共聚物。通過(guò)材料的組份、組成比、分子量、分子量分布等因素的調(diào)控來(lái)制備體內(nèi)降解速率（半降解期）可以從幾周到幾年、其它性能也不盡相同、各有特長(zhǎng)的基質(zhì)材料。

目前應(yīng)用較多的品種是聚乙交酯（ＰＧＡ）、159

ＰＬＡ、ＰＧＡ及其共聚物在組織工程中采用的主要結(jié)構(gòu)形式有纖維支架、多孔泡沫以及管狀結(jié)構(gòu)等。

ＰＬＡ、ＰＧＡ及其共聚物在組織工程中采用的主要結(jié)160

纖維支架是由ＰＧＡ通過(guò)擠壓制成１０～１５μｍ的纖維，再通過(guò)編織加工技術(shù)形成編織加工技術(shù)形成編織狀或無(wú)紡狀結(jié)構(gòu)，孔隙率可高達(dá)９７％，面積體積比高達(dá)０.０５μｍ-1

纖維支架是由ＰＧＡ通過(guò)擠壓制成１０～１５μｍ的161

１.這樣形成的支架一般不能承擔(dān)壓力。

１.這樣形成的支架一般不能承擔(dān)壓力。

162

高度多孔的泡沫狀支架是一種較好的結(jié)構(gòu)形式?？捎枚喾N方式獲得多孔泡沫結(jié)構(gòu)，如：溶劑澆鑄、微粒溶出、氣體發(fā)泡、相分離等方法。其中氣體發(fā)泡法效果最好。

高度多孔的泡沫狀支架是一種較好的結(jié)構(gòu)形式?？?63

ＰＬＡ和ＰＧＡ及其共聚物還可制成管狀結(jié)構(gòu)用于尿道，小腸等管狀器官的基質(zhì)材料。

ＰＬＡ和ＰＧＡ及其共聚物還可制成管狀結(jié)構(gòu)用于尿道164

脂肪族聚酯類可降解高分子材料，作為基質(zhì)材料尚有一些不足的方法，有待改進(jìn)：

脂肪族聚酯類可降解高分子材料，作為基質(zhì)材料尚有165

（１）親水性差，細(xì)胞粘附、生長(zhǎng)增殖受阻。如：ＰＬＡ包埋的ＰＧＡ無(wú)紡纖維支架由于親水性差，細(xì)胞吸附力弱，滿足不了組織工程研究的要求。

（１）親水性差，細(xì)胞粘附、生長(zhǎng)增殖受阻。如：Ｐ166

（２）引起無(wú)菌性炎癥。ＰＬＡ與ＰＧＡ在臨床應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)約有８％左右患者出現(xiàn)非特異性無(wú)菌性炎癥。平均分子量低于２萬(wàn)時(shí)發(fā)病率增長(zhǎng)，使用高分子量的ＰＬＡ只能遲緩而不能消除此種并發(fā)癥的發(fā)生。

（２）引起無(wú)菌性炎癥。ＰＬＡ與ＰＧＡ在臨床應(yīng)167

（３）抗壓強(qiáng)度差。大多數(shù)ＰＬＡ與ＰＧＡ無(wú)紡布支架均有抗壓強(qiáng)度差的問(wèn)題。除了上述介紹的脂肪族聚酯可降解高分子材料及其復(fù)合物外，文獻(xiàn)中還報(bào)道采用聚偶磷氮（Polyphosphazenes）、聚原酸酯（Polyorthoesters,POE)、聚氨基酸（PolyaminoAcid)|bctisgxjrnpvsgxj(Polyesterurethane)等。

（３）抗壓強(qiáng)度差。大多數(shù)ＰＬＡ與ＰＧＡ無(wú)168

與天然材料相比，合成的材料最大缺點(diǎn)是缺乏細(xì)胞識(shí)別信號(hào)，不利于細(xì)胞特異性粘附及特異基因的激活，許多學(xué)者致力于將一些識(shí)別信號(hào)片斷，引入合成基質(zhì)材料表面與整體，以促進(jìn)種子細(xì)胞的粘附、生長(zhǎng)、增殖。

與天然材料相比，合成的材料最大缺點(diǎn)是缺乏細(xì)169

c.生物陶瓷

c.生物陶瓷

170

生物陶瓷指由金屬離子及非金屬離子以離子鍵結(jié)合的晶體材料。根據(jù)其在生理環(huán)境中的化學(xué)活性可分為四類：惰性生物陶瓷，表面活性生物陶瓷，可吸收性生物陶瓷與復(fù)合生物陶瓷。

生物陶瓷指由金屬離子及非金屬離子以離子鍵結(jié)合171

作為基質(zhì)材料一般采用可生物降解的可吸收性生物陶恣。主要有以下一些品種：

作為基質(zhì)材料一般采用可生物降解的可吸收性生物172（１）磷酸鈣陶瓷支架：磷酸

鈣陶瓷按其Ｃa/P比值分別為１.５、１.６７和２而分為磷酸三鈣、羥基磷灰石和磷酸四鈣，此外還有Ｃa/P比介于它們之間的物質(zhì)，如：氟代及氧代的羥基磷灰石。其中以羥基磷灰石（ＨＡ）與β磷酸三鈣（β-ΤCΡ）研究最多。

（１）磷酸鈣陶瓷支架：磷酸

鈣陶瓷按其Ｃa/173

７０年代的研究認(rèn)為骨骼中的無(wú)機(jī)成份主要是ＨＡ，因此認(rèn)為ＨＡ植入人體內(nèi)有利于骨組織的再生。

７０年代的研究認(rèn)為骨骼中的無(wú)機(jī)成份主要是ＨＡ，因174

近年的研究表明骨組織中的礦物質(zhì)是Ｃa/P＜１．５的碳酸鹽磷灰石，除鈣、磷外尚含有鎂、鈉、鉀及一些微量元素。

近年的研究表明骨組織中的礦物質(zhì)是Ｃa/P＜１175

許多學(xué)者研究以β-ＴＣＰ為主的支架及其在組織工程中的應(yīng)用取得一定的進(jìn)展。由于磷酸鈣陶瓷表面的ξ電位效應(yīng)、濕潤(rùn)性及游離的磷酸根離子不利于細(xì)胞的粘附、增殖，這方面改進(jìn)的研究尚待深入。

許多學(xué)者研究以β-ＴＣＰ為主的支架及其在組織176

（２）碳酸鈣陶瓷支架：天然珊瑚（主要成份為碳酸鈣）制成的細(xì)胞支架在９０年代初即被用于作為人類骨髓細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、牙齦纖維細(xì)胞及胎鼠骨細(xì)胞的體外培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)盡管培養(yǎng)早期人類細(xì)胞的貼壁率較低，但２０天后細(xì)胞數(shù)量和培養(yǎng)板一致，細(xì)胞的生理活性正常，分泌的骨唾蛋白，Ｉ型、ＩＩＩ型膠原、骨橋素均顯示陽(yáng)性。細(xì)胞在支架上增殖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，碳酸鈣又是在體內(nèi)可降解的材料。

（２）碳酸鈣陶瓷支架：天然珊瑚（主要成177

（３）生物活性玻璃細(xì)胞支架：含磷和鈣的硅玻璃（SiO-ＣａＯ-ＨＰＯ４）可以部分降解，其中一類特殊結(jié)構(gòu)的稱為生物活性玻璃。其表面水解形成的水合層利于羥基磷灰石形成沉積，同時(shí)此類新生態(tài)的羥基磷灰石可選擇性吸附膠原、纖維粘連蛋白，從而使玻璃表面與骨及軟組織之間形成很好的生物相容界面，利于新骨形成。

（３）生物活性玻璃細(xì)胞支架：含磷和鈣的178

３.細(xì)胞生長(zhǎng)因子

３.細(xì)胞生長(zhǎng)因子

179

生長(zhǎng)因子（GrowthFactor,GF)是具有定向誘導(dǎo)和激活組織分化、增殖，維持細(xì)胞生物活性等生物效應(yīng)的蛋白質(zhì)類物質(zhì)。它對(duì)于促進(jìn)細(xì)胞增殖，以及組織的修復(fù)、再生具有重要的促進(jìn)作用。

生長(zhǎng)因子（GrowthFactor,GF)是180

生長(zhǎng)因子的生理功能具有特異性和專一性，即每種生長(zhǎng)因子只對(duì)某些細(xì)胞或某些細(xì)胞的某個(gè)分化階段發(fā)揮其生理功能。

生長(zhǎng)因子的生理功能具有特異性和專一性，即每種生181

細(xì)胞生長(zhǎng)因子并不能調(diào)控細(xì)胞分化的全過(guò)程。特別是利用生長(zhǎng)因子來(lái)調(diào)控加快干細(xì)胞定向分化成目的細(xì)胞，利用一種生長(zhǎng)因素，時(shí)常很難奏效。往往是若干種生長(zhǎng)因子間協(xié)同作用方能調(diào)控向目的細(xì)胞的分化與增殖。

細(xì)胞生長(zhǎng)因子并不能調(diào)控細(xì)胞分化的全過(guò)程。特別182

生長(zhǎng)因子的作用往往與細(xì)胞表面相應(yīng)受體的活躍程度有關(guān)。如利用ＩＧＦ-Ｉ對(duì)肌腱細(xì)胞生長(zhǎng)增殖的促進(jìn)作用，其必要條件是ＩＧＦ-１受體系統(tǒng)的活躍。

生長(zhǎng)因子的作用往往與細(xì)胞表面相應(yīng)受體的活躍183

利用細(xì)胞因子來(lái)促進(jìn)種子細(xì)胞的分化與增殖，雖是很有效的技術(shù)手段，但要成功地運(yùn)用自如尚有相當(dāng)多的問(wèn)題需要研究加以解決。

利用細(xì)胞因子來(lái)促進(jìn)種子細(xì)胞的分化與增殖，雖是184

４.培養(yǎng)的生物環(huán)境

４.培養(yǎng)的生物環(huán)境

185

目前許多研究者強(qiáng)調(diào)組織工程中細(xì)胞培養(yǎng)與擴(kuò)增，應(yīng)當(dāng)是三維，因此推崇采用微重力效應(yīng)下，細(xì)胞與組織三維培養(yǎng)技術(shù)。

目前許多研究者強(qiáng)調(diào)組織工程中細(xì)胞培養(yǎng)與擴(kuò)增，應(yīng)186

我們應(yīng)當(dāng)看到人體的細(xì)胞的種類是非常多的，不同組織與器官所在的生理環(huán)境（包括力學(xué)環(huán)境）千差萬(wàn)別。因此，在某些特定環(huán)境中應(yīng)用的組織只有在特定的環(huán)境條件下培養(yǎng)才能符合臨床應(yīng)用的要求。

我們應(yīng)當(dāng)看到人體的細(xì)胞的種類是非常多的，不187

因此，研究組織工程中細(xì)胞培養(yǎng)與擴(kuò)增條件時(shí)，應(yīng)當(dāng)重視在與人體生理環(huán)境類似條件下的培養(yǎng)。特別是人體的許多組織的再生能力很強(qiáng)：如人的膀胱，研究在人體環(huán)境下膀胱的再生無(wú)疑是非常有科學(xué)價(jià)值的研究方向。

因此，研究組織工程中細(xì)胞培養(yǎng)與擴(kuò)增條件時(shí)，應(yīng)188

二、組織工程一些活躍的研究領(lǐng)域

二、組織工程一些活躍的研究領(lǐng)域

189

組織工程的目標(biāo)旨在研制、開發(fā)能夠修復(fù)損傷或缺失組織功能的體內(nèi)植入物。因此，組織工程的一些活躍的研究多集中在能夠較快地在臨床應(yīng)用、可形成商品化、應(yīng)用前景較明確的一些領(lǐng)域。

組織工程的目標(biāo)旨在研制、開發(fā)能夠修復(fù)損傷或缺失190

１.骨組織工程

１.骨組織工程

191

將基質(zhì)材料與生長(zhǎng)因子（主要是骨形成蛋白rhBMP-２和人轉(zhuǎn)移生長(zhǎng)因子βｒｈＴＧＦ-β。在體外組裝后植入體內(nèi)，通過(guò)生長(zhǎng)因子分子誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化、增殖進(jìn)而長(zhǎng)成新骨。這對(duì)于小區(qū)域骨缺損的修復(fù)有較好的療效。

將基質(zhì)材料與生長(zhǎng)因子（主要是骨形成蛋白rh192

另一種思路，利用體外細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)增殖獲得足夠數(shù)量的成骨細(xì)胞，然后與基質(zhì)材料在體外組裝后植入缺損部位。目前，正在利用后一種思路研究長(zhǎng)骨的體內(nèi)生物植入物。

另一種思路，利用體外細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)增殖獲得足夠數(shù)193

ＢＭＰ在人體內(nèi)發(fā)揮作用的時(shí)間受到限制，有的學(xué)者提出將控制ＢＭＰ合成的ＤＮＡ質(zhì)粒復(fù)合于基質(zhì)材料中植入人體，這樣可以在骨組織形成過(guò)程中不斷合成ＢＭＰ，促進(jìn)成骨細(xì)胞生長(zhǎng)。

ＢＭＰ在人體內(nèi)發(fā)揮作用的時(shí)間受到限制，有的學(xué)者194

２．皮膚組織工程

２．皮膚組織工程

195

最早的皮膚生物替代物是源于患者本人的角質(zhì)細(xì)胞在高鈣條件下的復(fù)層模片，爾后將其用酶從培養(yǎng)瓶中消化下來(lái)，移植至斷層或全層皮膚創(chuàng)面。

最早的皮膚生物替代物是源于患者本人的角質(zhì)細(xì)胞196

之后，較成功的實(shí)驗(yàn)是將新生兒包皮中成纖維細(xì)胞與牛Ｉ型膠原制成真皮替代物。表面由自體表皮細(xì)胞覆蓋，成功地用于人體創(chuàng)面復(fù)蓋。

之后，較成功的實(shí)驗(yàn)是將新生兒包皮中成纖維細(xì)胞197

近年，由膠原與硫酸軟骨素復(fù)

合的模擬真皮；ＰＧＡ和ＰＬＡ作支架移植新生兒包皮成纖維細(xì)胞增殖后制成的人工真皮；去除包含有郎罕氏細(xì)胞的表皮成份，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間冷藏的無(wú)細(xì)胞異體真皮等產(chǎn)品均在燒傷創(chuàng)面應(yīng)用獲得成功。

近年，由膠原與硫酸軟骨素復(fù)

合的模擬真皮；Ｐ198

人工皮膚是最早被ＦＤＡ批準(zhǔn)上市的組織工程產(chǎn)品。

人工皮膚是最早被ＦＤＡ批準(zhǔn)上市的組織工程產(chǎn)品。199

皮膚生物工程產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已趨成熟，即此種皮膚替代物應(yīng)用表皮、真皮兩層，表皮中的細(xì)胞應(yīng)具有分化、增殖的能力，表皮與真皮之間的緊密粘附，通過(guò)兩層細(xì)胞間的相互作用實(shí)現(xiàn)人工組織植入物的功能。

皮膚生物工程產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已趨成熟，即此種皮膚替代200

３．肌腱、軟骨組織工程

３．肌腱、軟骨組織工程

201

結(jié)締組織的替代是重建外科的熱點(diǎn)，其中尤以肌腱與軟骨修復(fù)受到關(guān)注。

結(jié)締組織的替代是重建外科的熱點(diǎn)，其中尤以肌腱202

ＰＧＡ與間充質(zhì)細(xì)胞構(gòu)成的人工組織植入裸鼠皮下、兔子的關(guān)節(jié)缺損進(jìn)行了廣泛的研究，證明可以形成軟骨，肌腱和新生骨。還可以進(jìn)行血管化再生組織的培養(yǎng)。

ＰＧＡ與間充質(zhì)細(xì)胞構(gòu)成的人工組織植入裸鼠皮下203

軟骨的體外培養(yǎng)已獲成功，關(guān)鍵是要得到足夠的厚度與相應(yīng)的強(qiáng)度。體外培養(yǎng)中新生軟骨超過(guò)一定的厚度，中心區(qū)域的軟骨細(xì)胞由于距離邊緣遠(yuǎn)而無(wú)法得到充足的營(yíng)養(yǎng)和氧氣，無(wú)法對(duì)各種生長(zhǎng)因子的刺激作出響應(yīng)，也不能排除代謝廢物。國(guó)外采用一種旋轉(zhuǎn)式生物反應(yīng)器，在此反