皮膚組織工程支架材料的研究進(jìn)展

毛淑芳

武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院 （湖北武漢 430223）

皮膚組織工程支架材料的研究進(jìn)展

毛淑芳

武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院 （湖北武漢 430223）

綜述了近年來國(guó)內(nèi)外關(guān)于皮膚支架材料的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹天然皮膚支架材料中的膠原、殼聚糖和明膠類皮膚支架以及人工合成皮膚支架材料的研究進(jìn)展。

組織工程 天然皮膚支架材料 人工合成皮膚支架材料

皮膚組織工程[1]是應(yīng)用組織工程學(xué)的方法，先在體外培養(yǎng)高濃度的角朊細(xì)胞，并轉(zhuǎn)種在細(xì)胞外基質(zhì)（extra－cellular matrix,ECM）構(gòu)成的三維支架上培養(yǎng)擴(kuò)增，將這種角朊細(xì)胞-ECM生物復(fù)合體種植于創(chuàng)面，ECM可被肌體逐步降解吸收，角朊細(xì)胞繼續(xù)增值，達(dá)到修復(fù)創(chuàng)面、重建功能的目的。組織工程化皮膚的研究主要分為三個(gè)環(huán)節(jié)：種子細(xì)胞（表皮角朊細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、干細(xì)胞），支架材料（膠原海綿、異種脫細(xì)胞真皮支架、同種脫細(xì)胞真皮支架、人工多聚材料）和體外構(gòu)建技術(shù)。

理想的支架材料應(yīng)當(dāng)具有以下特征[2]：（1）有良好的生物相容性，無明顯炎癥反應(yīng)、免疫反應(yīng)和細(xì)胞毒性。（2）材料與組織細(xì)胞間有良好的界面關(guān)系，有利于細(xì)胞的黏附、鋪展和繁殖等功能。（3）材料便于加工成為在分子水平、宏觀水平上理想的二維、三維空間結(jié)構(gòu)，在移植后能保持原來的形態(tài)，且具有生物可降解性和適宜的降解速率，即在體外以及植入體內(nèi)后的降解和吸收速度與細(xì)胞和（或）組織生長(zhǎng)的速度相匹配。（4）材料可為生長(zhǎng)因子的儲(chǔ)存和釋放及細(xì)胞的錨定提供適當(dāng)?shù)娜S位點(diǎn)。（5）具有組織器官所要求的生物力學(xué)強(qiáng)度，材料不會(huì)在患者活動(dòng)中塌陷、撕裂、破潰。

1 天然皮膚支架材料的應(yīng)用研究

用于皮膚組織的支架材料要求能在組織再生后被吸收。目前常用的有膠原、殼聚糖、透明質(zhì)酸（HA）[3]、明膠、海藻酸鹽[4]等天然提取物。

1.1 膠原類皮膚支架

膠原是哺乳動(dòng)物體內(nèi)含量最豐富的蛋白質(zhì)，約含蛋白質(zhì)總量的1/4～1/3。同時(shí)，膠原也是細(xì)胞外基質(zhì)的主要成分，目前已知的膠原有20多種。Ⅰ型膠原是哺乳動(dòng)物體內(nèi)分布最廣、含量最多的膠原，是骨骼、皮膚、肌腱等的主要成分。膠原通常從富含膠原纖維的組織中提取。從動(dòng)物中提取的膠原具有與人體膠原相近的氨基酸序列，因而人體對(duì)其具有很低的排異性。膠原的缺點(diǎn)是價(jià)格較高、力學(xué)性能較差，需交聯(lián)后使用。

上個(gè)世紀(jì)80年代，美國(guó)Yannas等開發(fā)了硅橡膠膜/膠原-6-硫酸軟骨素海綿雙層皮膚。硅橡膠作為表皮臨時(shí)替代物，提供力學(xué)支撐，并在創(chuàng)傷愈合初期控制水分從創(chuàng)面流失；6-硫酸軟骨素和硫酸皮膚素增強(qiáng)了膠原海綿的力學(xué)性能，同時(shí)使皮膚增值速率明顯降低。除硫酸軟骨素和硫酸皮膚素之外，常用的還有硫酸乙酰肝素、透明質(zhì)酸、硫酸角質(zhì)素等多糖類化合物。

美國(guó)Integra Life Science公司開發(fā)的Integra?人工皮膚（IAS）是用多孔膠原-6-硫酸軟骨素作為真皮取代物，它的特點(diǎn)是有效閉合創(chuàng)面，使真皮和表皮再生。膠原-硫酸軟骨素真皮層起著生物降解模板的作用，在體內(nèi)誘導(dǎo)真皮組織再生。真皮層基質(zhì)的物理力學(xué)性能和降解速率應(yīng)與組織生長(zhǎng)速率相匹配，使組織長(zhǎng)入的同時(shí)抑制創(chuàng)面痙攣。Apligraf于1998年5月被美國(guó)食品與藥品管理局（FDA）批準(zhǔn)用于臨床，它以膠原為支架，是第一個(gè)含活細(xì)胞的真正意義上的組織工程皮膚。

Ma Lie等[5]用冷凍干燥法制備膠原-殼聚糖多孔支架材料，加入戊二醛（GA）作為交聯(lián)劑，GA增強(qiáng)了材料的生物穩(wěn)定性，殼聚糖起了一個(gè)連接橋的作用。體外實(shí)驗(yàn)證明GA交聯(lián)后的膠原-殼聚糖材料能有效加速成纖維細(xì)胞的滲透和增殖；體內(nèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明該材料能有效地支持和加速成纖維細(xì)胞從周圍組織中滲透。Vaissiere G等[6]分別用天然Ⅰ型膠原、膠原-糖胺多糖-殼聚糖（collagen-GAG-chitosan,CGC）、兩種不同濃度的L-α-二棕櫚酰磷脂酸（DPPA-2、DPPA-3）交聯(lián)的膠原進(jìn)行成纖維細(xì)胞培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，四種材料都有利于成纖維細(xì)胞的生長(zhǎng)和真皮的形成，尤其是CGC以及DPPA-2、DPPA-3交聯(lián)后的膠原海綿。

1.2 殼聚糖類皮膚支架

殼聚糖的前驅(qū)物甲殼質(zhì)是節(jié)肢動(dòng)物角質(zhì)內(nèi)主要結(jié)構(gòu)多糖，與基質(zhì)蛋白及結(jié)締組分間存在多重相互作用。殼聚糖是甲殼質(zhì)的部分脫己?；a(chǎn)物，生物相容性良好，可生物降解，具有止血活性和抗炎癥性能，并能促進(jìn)創(chuàng)傷愈合，而且在植入環(huán)境中與肌體組織發(fā)生多重相互作用，經(jīng)改性后可用于組織工程化皮膚。

殼聚糖作為人工皮膚支架，常與其它材料復(fù)合使用。Mao jinshu等[7]用戊二醛交聯(lián)殼聚糖和明膠的酸性水溶液得到殼聚糖-明膠雜混聚合物網(wǎng)絡(luò)水凝膠，利用其中的水作為致孔劑，通過控制預(yù)凍過程的傳熱模式制備出雙層多孔支架。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該支架適合成纖維細(xì)胞黏附和增殖。向支架底層種植人成纖維細(xì)胞擴(kuò)增3周后再在表層種植人角質(zhì)形成細(xì)胞擴(kuò)增1周，結(jié)果表明殼聚糖-明膠雙層支架可作為人工皮膚支架。

Mao Jinshu等[8]研究殼聚糖-明膠膜或支架，將透明質(zhì)酸與1-乙基-3-（3-二甲基氨丙基）-碳化二亞胺（EDC）和N-羥基琥珀酰亞胺（NHS）共交聯(lián)。加入透明質(zhì)酸提高了材料的彈性，有利于成纖維細(xì)胞的黏附，通過交聯(lián)同時(shí)降低了殼聚糖-明膠支架的降解速率。Liu H F等[9]也研究了用冷凍干燥法制備殼聚糖-明膠-透明質(zhì)酸支架材料，成纖維細(xì)胞培養(yǎng)結(jié)果表明細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖良好，有很強(qiáng)的生存能力；在支架上進(jìn)行角朊細(xì)胞和成纖維細(xì)胞聯(lián)合培養(yǎng)，構(gòu)建人工雙層皮膚，該皮膚有彈性、機(jī)械性能好，可以作為一種皮膚代用品。

1.3 明膠類皮膚支架

明膠是膠原的控制水解衍生物，富含甘氨酸（X）和羥基脯氨酸（Y），可作為細(xì)胞培養(yǎng)的支架以及生長(zhǎng)因子的控制釋放載體。Choi Y S等[10]將明膠和海藻酸鈉的混合水溶液冷凍干燥制備出海綿狀多孔支架，白明膠中添加親水性的海藻酸鹽可增加海綿的孔隙率。將該多孔支架材料用于修復(fù)大鼠背部皮膚缺損，12 d后能形成幾乎完整的新上皮，在海綿中負(fù)載黃胺嘧啶銀（AgSD），傷口愈合效果更佳。Choi Y S等[10]還研究了明膠與透明質(zhì)酸支架材料，加入交聯(lián)劑如1-乙基-3-（3-二甲基氨丙基）-碳化二亞胺等，該海綿材料交聯(lián)度為10%～35%，平均孔徑40～160μm，有孔性達(dá)35%～67%，抗張強(qiáng)度為10～30 N/cm2。

Wang Tzuwei等[11]模擬人皮膚結(jié)構(gòu)制備了一種雙層明膠海綿，該材料的微觀結(jié)構(gòu)與表皮、真皮之間的連接膜類似。6-硫酸軟骨素和透明質(zhì)酸的加入為細(xì)胞的增殖和遷移創(chuàng)造了一個(gè)有利的微環(huán)境。與碳化二亞胺交聯(lián)后的明膠機(jī)械強(qiáng)度提高。角朊細(xì)胞培養(yǎng)可看到成倍的類表皮層，表明該雙層支架材料是一種潛在的皮膚代用品。

2 人工合成皮膚支架材料的應(yīng)用研究

除天然可降解材料外，許多人工合成的生物可降解材料現(xiàn)在也用得比較廣泛。聚羥基乙酸（PGA）和聚乳酸（PLA）等聚乳酸類材料是典型的合成可降解聚合物。由于乳酸和羥基乙酸都是三羧酸循環(huán)中間代謝物，且吸收和代謝機(jī)理明確并具有可靠的生物安全性，因而聚乳酸和聚羥基乙酸作為第一批可降解吸收材料被美國(guó)FDA批準(zhǔn)用于臨床，是迄今研究最廣泛、應(yīng)用最多的可降解生物材料。作為皮膚組織工程支架材料，聚乙二醇對(duì)苯二甲酸酯（PEGT）、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT）[12]、聚氧乙烯（PEO）[13]等也有廣泛應(yīng)用。

Wang H J等[14]用微調(diào)控制瓶在生物可降解多孔PEGT/PET共聚物（PolyActive）上動(dòng)態(tài)種植人真皮成纖維細(xì)胞，之后分別用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方法進(jìn)行培養(yǎng)。分析結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)培養(yǎng)過程人成纖維細(xì)胞分布在支架的孔內(nèi)，并且有大量細(xì)胞外基質(zhì)沉積。成纖維細(xì)胞、膠原以及糖胺多糖的量比在同一條件下的靜態(tài)培養(yǎng)要多。因?yàn)榕囵B(yǎng)介質(zhì)的流動(dòng)刺激了人真皮成纖維細(xì)胞的增殖，加速了細(xì)胞外基質(zhì)在PolyActive上的沉積，減少了培養(yǎng)時(shí)間。

Annette GM等[15]用PEGT/PBT制備多孔、致密的雙層支架材料，其中PEGT/PBT量為55/45，PEG分子量為300時(shí)最佳。在材料下層種植成纖維細(xì)胞培養(yǎng)21 d之后，孔內(nèi)充滿成纖維細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)，并且有I型、III型和IV型膠原、層粘連蛋白存在。在上層種植角朊細(xì)胞，有天然表皮形貌的多層上皮細(xì)胞生成。也有一些不足：一些特異性蛋白的表達(dá)和定位不一樣、表皮過度增殖、缺少基片和錨定區(qū)。G JBeumer等[16]也制備了PEO/PBT或PLA雙層可降解聚合物基質(zhì)，它有致密的上層和多孔的下層，可用于三維、大面積皮膚損傷。

Yang Jian等[17]制備了PLA和PLA與PGA的共聚物（PLGA）支架材料，用無水氨等離子處理材料進(jìn)行表面改性，以增強(qiáng)細(xì)胞黏附力。細(xì)胞培養(yǎng)結(jié)果顯示孔徑小于160μm有利于成纖維細(xì)胞的生長(zhǎng)。細(xì)胞種植率達(dá)99%以上，這比用乙醇預(yù)濕等常規(guī)方法更好。等離子法避免了細(xì)胞在種植時(shí)丟失以及因乙醇?xì)堄喽a(chǎn)生的負(fù)面影響。石桂欣等[18]首先制備了PLA、聚乳酸-己內(nèi)酯（PLACL）多孔支架，并以生物相容性較好的豬的無細(xì)胞真皮（ADM）為參比，分別把三種材料植入大鼠背部肌層，術(shù)后定期取大鼠皮下埋藏組織進(jìn)行組織學(xué)檢測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)PLA與PLACL多孔支架的降解周期、力學(xué)性能、孔隙率及其孔徑都可以根據(jù)皮膚組織工程中的要求進(jìn)行調(diào)控。組織學(xué)檢查顯示，移植物內(nèi)無明顯炎性細(xì)胞，21 d后，均完全血管化且分布較均勻。說明PLA與PLACL的生物相容性較ADM差，但并未出現(xiàn)明顯的異物排斥反應(yīng)，兩者的生物相容性基本上可以滿足組織工程中對(duì)支架的要求，這為聚乳酸類人工皮膚的進(jìn)一步研究提供了有意義的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

3 展望

組織工程化皮膚在臨床上主要應(yīng)用于燒傷、慢性潰瘍、創(chuàng)傷皮膚缺損以及先天性皮膚軟組織缺損等創(chuàng)面。支架材料是組織工程化皮膚研究中的必要環(huán)節(jié)，許多研究者在該方面開展了大量研究工作，從最初的皮膚敷料發(fā)展到現(xiàn)在的模擬人皮膚結(jié)構(gòu)的復(fù)合型皮膚，支架材料的選材以及不同的制備加工方法也在不斷地完善和創(chuàng)新，但迄今為止還沒有一種皮膚支架材料能完全符合生物相容性好、可降解且降解產(chǎn)物對(duì)人體無害、有一定的力學(xué)強(qiáng)度、可塑形、材料降解速度與細(xì)胞或組織生長(zhǎng)的速度相匹配等方面的要求，如膠原有免疫原性、力學(xué)性能較差；聚乳酸類支架材料生物相容性差、易出現(xiàn)無菌性炎癥反應(yīng)等問題，因此還需要在這些方面作進(jìn)一步的努力。

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Research Progress of Scaffolds for Skin Tissue Engineering

Mao Shufang

The research situation of the skin tissue engineering scaffolds in recent years at home and abroad is reviewed,focusing on the research development of some nature skin tissue engineering scaffolds such as collagens,chitosans and gelatins.Also,advance of synthetic scaffolds is specially introduced.

Tissue engineering;Nature skin scaffold;Synthetic skin scaffold

TQ 431.3

2014年1月

毛淑芳 女 1982年生 2006年武漢理工大學(xué)畢業(yè) 碩士研究生 講師 研究方向：藥用高分子材料 已發(fā)表論文6篇