高分子生物組織工程支架材料的研究進(jìn)展

*王心怡

(常州市北郊高級(jí)中學(xué) 江蘇 213000)

高分子生物組織工程支架材料的研究進(jìn)展

*王心怡

(常州市北郊高級(jí)中學(xué) 江蘇 213000)

生物降解性高分子材料作為生物組織工程支架材料為種子細(xì)胞的增殖和分化提供一個(gè)生長(zhǎng)和代謝場(chǎng)所,是組織再生的框架.植入人體后可降解為無(wú)毒的小分子被人體代謝排出體外,避免二次手術(shù),減少患者痛楚.這類高分子材料必須具有良好的生物相容性和可調(diào)的生物降解性,同時(shí)還具有一定的形狀維持性和力學(xué)性能.本文主要介紹了高分子組織工程支架材料的種類、制備方法及其應(yīng)用,并展望了高分子組織工程材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展前景.

生物組織工程;高分子材料;支架材料

1.引言

在組織工程技術(shù)出現(xiàn)之前,臨床醫(yī)學(xué)上對(duì)皮膚燒傷或組織器官損壞的患者的治療存在極大的難度.傳統(tǒng)治療常常是通過(guò)對(duì)自身或其他個(gè)體進(jìn)行皮膚或組織器官移植治療,這常常出現(xiàn)組織器官供體不足或出現(xiàn)免疫排斥而造成炎癥或腫瘤反應(yīng).而生物組織工程支架是組織再生的框架,將患者自身組織的種子細(xì)胞在支架材料上培養(yǎng)生長(zhǎng),組織再生.自身細(xì)胞培養(yǎng)的再生組織植入人體后,具有較低的炎癥反應(yīng),同時(shí),再生組織的來(lái)源豐富.支架材料在植入人體后,在體液環(huán)境下可降解為無(wú)毒的小分子,被人體代謝排出體外.

人體細(xì)胞屬于貼壁生長(zhǎng)細(xì)胞,在體外培養(yǎng)與支架材料直接接觸.此外.支架材料會(huì)隨著再生組織一起移植到人體內(nèi).因此生物組織工程支架不僅影響細(xì)胞的代謝、生長(zhǎng)和粘附等.還需具備以下幾個(gè)特點(diǎn):①良好的生物相容性;②可吸收性;③可加工成型性;④具較大的比表面積;⑤降解速率可調(diào);⑥具有適宜的力學(xué)性能;⑦表面結(jié)構(gòu)利于細(xì)胞的粘附和生長(zhǎng);⑧具有耐消毒滅菌性.

2.高分子生物組織工程支架材料的性質(zhì)

與生物金屬材料、生物陶瓷材料和生物復(fù)合材料相比,生物醫(yī)用高分子材料的物理化學(xué)特性與人體組織更相近,這使得其成為近年來(lái)生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的重要研究對(duì)象.

(1)高分子生物組織工程支架材料的生物相容性

70年代初,生物醫(yī)用材料的生物相容性問(wèn)題就成為人們研究的關(guān)鍵性問(wèn)題.當(dāng)支架材料植入人體后,會(huì)產(chǎn)生各種生物化學(xué)反應(yīng),如:人體自身組織的生物學(xué)反應(yīng)和支架材料的化學(xué)反應(yīng).同時(shí),還要求支架材料必須對(duì)人體不具有毒性、致敏致癌性,也不具有其它的刺激性,也不對(duì)人體細(xì)胞組織、免疫系統(tǒng)和血液系統(tǒng)產(chǎn)生不良反應(yīng).目前,生物相容性是考量材料是否用作組織工程支架材料的首要因素.

通常,高分子支架進(jìn)入機(jī)體產(chǎn)生的免疫排斥反應(yīng)主要是由于:①支架材料在合成制備過(guò)程中殘留的毒性低分子化合物或具有毒性的小分子單體;②支架材料在滅菌過(guò)程中吸附了化學(xué)毒劑以及聚合物在高溫裂解為有毒小分子;③支架材料的物理形態(tài)以及材料表面的化學(xué)性質(zhì)(如酸堿度等).

(2)高分子生物組織工程支架材料的表面改性

用作組織工程支架的高分子材料在組織工程中的應(yīng)用存在一些缺陷,如人工合成高分子材料具有親水性差,細(xì)胞不易粘附;而天然高分子材料的降解速率快,不易調(diào)控,力學(xué)性能差,不易于組織器官的修復(fù)再生.因此,可對(duì)高分子支架材料表面進(jìn)行改性,克服其所存在的缺陷.

聚合物支架材料表面的化學(xué)性質(zhì)對(duì)細(xì)胞的貼附、擴(kuò)散遷移有重要的影響.當(dāng)支架材料的表面含有親水性基團(tuán)時(shí),有利于細(xì)胞的粘附和繁殖.通常在材料表面吸附蛋白質(zhì)類物質(zhì),如膠原、短序列氨基酸、多糖、糖酯等改變支架材料表面的化學(xué)結(jié)構(gòu),就可促進(jìn)細(xì)胞的粘附、繁殖和遷移.研究表明,對(duì)高分子支架材料的表面進(jìn)行化學(xué)改性和微觀物理形態(tài)調(diào)整,則可以避免高分子不易于細(xì)胞粘附、遷移和增殖的缺陷.

(3)高分子生物組織工程支架材料的生物降解性

高分子支架為細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖、生存代謝提供了一個(gè)三維網(wǎng)狀空間場(chǎng)所.支架材料隨同培養(yǎng)的組織再生器官植入人體內(nèi),其不僅需要具備良好的生物相容性以免產(chǎn)生炎癥等免

疫反應(yīng),而且在機(jī)體內(nèi)能夠發(fā)生生物性降解,其降解產(chǎn)物無(wú)毒性,能夠被人體吸收或代謝排出.可吸收高分子骨架的降解周期應(yīng)該取決于其應(yīng)用組織的修復(fù)能力,特別取決于器官或組織再生所需要的時(shí)間.因此,生物可降解材料在組織工程的成功應(yīng)用主要取決于材料的生物降解速度的可調(diào)控能力以及降解其產(chǎn)物是否具有毒性.

3.高分子生物組織工程支架材料的制備

(1)纖維粘結(jié)法

該方法是利用聚合物在有機(jī)溶劑中的溶解性的溶解或聚合物的熔融,將聚合物/有機(jī)劑的混合溶液傾注到聚乙交酯纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上,對(duì)聚合物有機(jī)溶劑加熱處理后,得到聚乙交酯纖維增強(qiáng)的三維網(wǎng)狀支架.該方法制備的支架的強(qiáng)度和比表面積都較高,但存在孔隙率不易控制的缺點(diǎn).

(2)溶劑澆鑄法

該方法是將粒徑較小的無(wú)機(jī)鹽分散到聚合物的有機(jī)溶劑中,無(wú)機(jī)鹽不溶于溶劑.然后將聚合物混合溶液澆鑄到玻璃板上,待溶劑揮發(fā)后得到聚合物薄膜.最后用溶劑將薄膜中所含的無(wú)機(jī)鹽溶解,留下細(xì)孔,得到含空隙的聚合物薄膜 .膜的孔隙率和孔徑的大小都可以通過(guò)控制所加無(wú)機(jī)鹽的多少和顆粒直徑的大小來(lái)進(jìn)行調(diào)控,這對(duì)制備多孔支架及其重要.但是該方法也存在一定的局限性,只能獲得薄膜材料而很難得到三維空間支架.

(3)相分離法

在制備高分子支架時(shí),采用相分離法可避免活性物質(zhì)在機(jī)體化學(xué)環(huán)境和制備高溫環(huán)境下失活.該方法是將高分子聚合物在有機(jī)溶劑中溶解并加入活性分子,該體系冷卻后形成液-液相,然后急冷,固化,再通過(guò)升華去除有機(jī)溶劑,得到含有活性物質(zhì)的多孔支架.

(4)微球燒結(jié)法

微球燒結(jié)法是利用乳液或溶劑蒸發(fā)的方法術(shù)合成陶瓷/聚合物成分的復(fù)合微球,然后燒結(jié)復(fù)合微球形成三維多孔支架.微球燒結(jié)法制備的支架材料的形狀多樣,且支架材料的孔隙率可控.可將生長(zhǎng)因子包裹在復(fù)合微球中,通過(guò)對(duì)材料的降解速率的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)因子的可控釋放.但該法所制備的多孔支架的孔隙間的互通性較差,且該制備過(guò)程中需使用有機(jī)溶劑,不符合綠色環(huán)保的發(fā)展理念.

4.高分子生物組織工程支架材料的應(yīng)用

(1)人工皮膚

用高分子材料制成三維支架材料,選取患者的無(wú)細(xì)胞真皮基質(zhì),以膠原為主要原料,在體外制備具有生命活性的三維基質(zhì)細(xì)胞,三維網(wǎng)狀支架給細(xì)胞提供了類似其在體內(nèi)生長(zhǎng)、組裝的環(huán)境.組織工程皮膚能夠?qū)齻驙C傷患者進(jìn)行皮膚移植,修復(fù)受損皮膚.此外它還能模擬人體肌膚進(jìn)行試劑的毒性鑒定.

(2)人工神經(jīng)

研究表明,人體神經(jīng)細(xì)胞在體內(nèi)外均無(wú)分裂分化的能力,但其在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境引導(dǎo)下可以再修復(fù).將聚合物管狀導(dǎo)管支架置于受損神經(jīng)的斷端,聚合物神經(jīng)導(dǎo)管可以對(duì)神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行引導(dǎo)和導(dǎo)向,使進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞的生長(zhǎng)和修復(fù).選擇制備導(dǎo)管的高分子材料的降解周期與神經(jīng)生長(zhǎng)速度一致是選擇組織工程材料的關(guān)鍵,早期的神經(jīng)導(dǎo)管選用的材料是硅橡膠.

(3)人工血管

高分子生物支架材料也可用作人工血管,而血管內(nèi)皮細(xì)胞是典型的貼壁生長(zhǎng)細(xì)胞.因此,需對(duì)高分子人工血管支架材料的表面進(jìn)行改性處理,通常在材料表面吸附或固定纖連蛋白、層粘連蛋白或玻連蛋白,以提高支架材料與血管內(nèi)皮細(xì)胞的粘附,促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)擴(kuò)增和增殖.為了促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)和避免血栓的形成,在人工血管支架中添加生長(zhǎng)因子、血小板活化因子和抗凝因子等活性物質(zhì),待人工血管植入人體后,將其緩慢釋放,促進(jìn)組織的修復(fù)再生,形成新血管.

5.結(jié)論

高分子生物材料由于其降解速率可控且降解產(chǎn)物無(wú)毒性、與生物體具有良好的生物相容性、化學(xué)結(jié)構(gòu)及其表面可改性性能好而被廣泛用作生物組織工程支架材料,近年了發(fā)展迅速.但高分子生物支架材料的應(yīng)用仍面臨很多挑戰(zhàn),如天然高分子材料具有良好的生物相容性和降解性,但其力學(xué)強(qiáng)度較差,不易塑形.而人工合成高分子材料孔隙率高,降解速率可控,但親水性差,對(duì)細(xì)胞親和力弱.為了解決目前高分子材料的缺陷,提高其在臨床醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用,需合成出具有具有不同強(qiáng)度、不同孔徑結(jié)構(gòu)、降解速度可控,并能釋放各種生物活件物質(zhì)引導(dǎo)和誘導(dǎo)細(xì)胞組織器官修復(fù)再生的高分子支架材料.

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王心怡,女,常州市北郊高級(jí)中學(xué);研究方向:材料.

Research Progress of Polymer Biological Tissue Engineering Scaffold Materials

Wang Xinyi
(Beijiao Senior High School of Changzhou City, Jiangsu, 213000)

Biodegradable polymer materials, as biological tissue engineering scaffolds, provide a growth and metabolism site for the proliferation and differentiation of seed cells and are the framework of tissue regeneration. It is implanted in the human body and can be decomposed into non-toxic molecules that are metabolized and excreted out of the body, avoiding secondary surgery and reducing the patient's pain. This kind of polymer materials must have good biocompatibility and adjustable biodegradability, and also certain shape maintenance and mechanical properties.This paper mainly introduces the types, preparation methods and application of polymer engineering scaffold materials, and prospects the development prospect of polymer engineering materials in the field of biomedical engineering.

biological tissue engineering;polymer materials;scaffold materials.

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