生物支架材料及間充質(zhì)干細(xì)胞在骨組織工程中的研究與應(yīng)用

胡偉，趙軍華，蘇達(dá)明，劉明明

（荊州市第三人民醫(yī)院 骨科，湖北 荊州 434000）

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表示，因?yàn)閯?chuàng)傷、感染或骨折術(shù)后骨不連等不良原因所導(dǎo)致的骨缺損現(xiàn)象，在臨床上的治療是非常困難的，且該種情況所需要的治療時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng)，在手術(shù)后也易出現(xiàn)較多并發(fā)癥，且并發(fā)癥的發(fā)病率相對(duì)較高，嚴(yán)重的還有可能造成患者殘疾。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)水平的不斷提高，骨組織工程得到了飛躍性的發(fā)展，骨組織工程的實(shí)現(xiàn)為臨床治療骨缺損患者帶來(lái)了極大的幫助［1］。當(dāng)前骨組織工程的治療方法大致可以分為兩種，一種是自體骨治療，另一種則是人工骨治療。自體骨的局限性主要在于當(dāng)患者受到大段缺損的情況則難以治療，而其優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)發(fā)生排斥反應(yīng)；人工骨對(duì)治療大段缺損情況具有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但其發(fā)生機(jī)體排斥反應(yīng)的概率則相對(duì)更高［2］。本文就生物支架材料及間充質(zhì)干細(xì)胞在骨組織工程中的研究以及應(yīng)用進(jìn)行分析討論，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

從中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)以及PubMed 數(shù)據(jù)庫(kù)共檢索到相關(guān)文獻(xiàn)50 余篇，中文文獻(xiàn)43 篇，英文文獻(xiàn)9 篇，篩除后納入7 篇重點(diǎn)參考文獻(xiàn)。文獻(xiàn)納入標(biāo)準(zhǔn)：①與骨組織工程相關(guān)；②生物支架材料相關(guān)；③間充質(zhì)干細(xì)胞相關(guān)。文獻(xiàn)排除標(biāo)準(zhǔn)：存在重復(fù)性研究以及Meta 分析的文獻(xiàn)。

1.2 方法

使用計(jì)算機(jī)從中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)以及PubMed 數(shù)據(jù)庫(kù)檢索2015 年12 月至2020 年1 月與生物支架材料及間充質(zhì)干細(xì)胞在骨組織工程的相關(guān)文獻(xiàn)，檢索關(guān)鍵詞以“骨組織工程、生物支架材料、間充質(zhì)干細(xì)胞”為主，英文檢索詞為“bone tissue engineering,biomaterials,mesenchymal stem cells”。

1.3 分析指標(biāo)

根據(jù)檢索到的7 篇重點(diǎn)參考文獻(xiàn)，將其進(jìn)行分類劃分，以生物支架材料、間充質(zhì)干細(xì)胞以及骨組織工程為劃分標(biāo)準(zhǔn)，分為三組，以時(shí)間最近研究文獻(xiàn)為主要研究應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行分析。

2 結(jié)果

2.1 生物支架材料

研究分析的結(jié)果顯示，當(dāng)前應(yīng)用于臨床的生物支架材料可劃分為兩種，一種是人工合成支架材料，另一種是天然支架材料。

人工合成支架材料又可分為：①人工合成有機(jī)支架材料。該種支架材料包含的種類多且復(fù)雜，但文獻(xiàn)中顯示大部分臨床應(yīng)用的人工合成支架材料是由有機(jī)高分子化合物組成?？偨Y(jié)歸納人工合成支架材料的優(yōu)缺點(diǎn)在于，其機(jī)械性非常好，擁有較高的拉伸度，能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，并且具有良好的生物降解性能，綠色環(huán)保；但是其親水性相對(duì)低下，降解后所產(chǎn)生的物質(zhì)存在較強(qiáng)的酸性，造成患者炎癥的概率較高。②人工合成無(wú)機(jī)支架材料。該材料可在自然界骨無(wú)機(jī)鹽中提取得到，與天然骨的無(wú)機(jī)鹽相似度較高，一般與其他材料被制作成復(fù)合支架材料使用。

天然生物支架，又可分為膠原、殼聚糖、明膠與絲素蛋白。①膠原。劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ型五種規(guī)格，文獻(xiàn)中涉及最多的為Ⅰ型，具有無(wú)毒、生物相容性好的特點(diǎn)。②殼聚糖。該材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，其生物相容性較強(qiáng)，無(wú)致癌性，能夠作為生長(zhǎng)因子的載體，但骨傳導(dǎo)性能差。③明膠。該材料加工操作較為簡(jiǎn)單，且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，但其降解速度相對(duì)較快，因此一般作為復(fù)合材料應(yīng)用在支架當(dāng)中。④絲素蛋白。該材料的主要成分為蠶絲，文獻(xiàn)中顯示該材料應(yīng)用廣泛，如三維支架及無(wú)紡網(wǎng)等，其抗拉性較高。

2.2 間充質(zhì)干細(xì)胞

相關(guān)文獻(xiàn)的分析結(jié)果顯示，間充質(zhì)干細(xì)胞增殖與分化問(wèn)題、與生物支架材料結(jié)合研究、與細(xì)胞因子結(jié)合研究是近些年間充質(zhì)干細(xì)胞的主要存在問(wèn)題［3］。①間充質(zhì)干細(xì)胞增殖、分化。在骨組織工程當(dāng)中，骨細(xì)胞在體外的擴(kuò)增是當(dāng)前階段面臨的一項(xiàng)難題，間充質(zhì)干細(xì)胞因?yàn)榫哂休^好的增殖分化能力，因此臨床上目前將其應(yīng)用為種子細(xì)胞的案例較多。②間充質(zhì)干細(xì)胞與生物支架材料復(fù)合物的研究。文獻(xiàn)顯示，當(dāng)前科研界對(duì)該方面的研究較為廣泛，間充質(zhì)干細(xì)胞與生物支架材料結(jié)合所產(chǎn)生的復(fù)合物得到了廣泛的認(rèn)可，在一定程度上能代替自體骨治療骨缺損病癥。③間充質(zhì)干細(xì)胞與細(xì)胞因子結(jié)合的研究。間充質(zhì)干細(xì)胞在臨床上多被用為種子細(xì)胞，同時(shí)，其除了有較強(qiáng)的增值分化能力，還有良好的外源性基因表達(dá)以及導(dǎo)入能力，當(dāng)前領(lǐng)域還將其作為基因載體導(dǎo)入到相關(guān)的缺損骨組織當(dāng)中進(jìn)行治療。

3 討論

目前，越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)生物支架材料及間充質(zhì)干細(xì)胞在骨組織工程中的應(yīng)用進(jìn)行研究，并且人們也在不斷對(duì)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行探索。有文獻(xiàn)指出，當(dāng)前階段想要得到良好的支架材料應(yīng)當(dāng)滿足相應(yīng)的條件［4］，比如該材料應(yīng)當(dāng)無(wú)毒無(wú)致畸性。隨著生活的發(fā)展，人們對(duì)綠色健康的關(guān)注度越來(lái)越高，對(duì)醫(yī)學(xué)技術(shù)而言也是如此，對(duì)人體沒(méi)有毒性，不會(huì)造成人體細(xì)胞出現(xiàn)變性的情況成為支架材料需要滿足的條件之一。其次，所應(yīng)用的支架材料應(yīng)當(dāng)具備較高的高孔隙率，相關(guān)研究文獻(xiàn)指出，孔隙率應(yīng)當(dāng)達(dá)到95%以上才能滿足需求，在這種情況下，代謝廢物的排除效率更高，能夠保障細(xì)胞的增值生長(zhǎng)［5］。除此之外，該材料還應(yīng)當(dāng)具備生物相容性良好、生物降解性、機(jī)械度強(qiáng)以及可塑性高等特點(diǎn)，存在較強(qiáng)的機(jī)械性能夠提高材料的穩(wěn)定性，保障骨組織工程的質(zhì)量。

文獻(xiàn)中指出，目前能夠獲得間充質(zhì)干細(xì)胞的渠道有很多，并且間充質(zhì)干細(xì)胞還具有增殖強(qiáng)、分化良好的特點(diǎn)，在的發(fā)展的過(guò)程中勢(shì)必是一種極好的種子細(xì)胞［6］。研究表示，該細(xì)胞在體外能夠分裂達(dá)30 多次，經(jīng)培養(yǎng)后能夠生殖15 代，該細(xì)胞是目前及未來(lái)研究發(fā)展的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象之一。骨缺損的修復(fù)過(guò)程中，骨再生之前會(huì)發(fā)生血管再生，因此對(duì)生長(zhǎng)因子的要求極為重要，其發(fā)揮的作用非常大。隨著骨組織工程以及科學(xué)的不斷發(fā)展，智能材料、納米材料等目前也加入到了骨組織工程研究的行列當(dāng)中，研究資料顯示，目前我國(guó)在該方面的研究已經(jīng)取得了良好的成績(jī)，為今后的發(fā)展指明了研究方向［7］。

骨組織工程在發(fā)展的同時(shí)，也受到了較多的限制問(wèn)題，間充質(zhì)干細(xì)胞-3D 支架等符合材料仍然處于發(fā)展、研究階段，在材料構(gòu)建方面仍然有較大的發(fā)展空間。資料顯示，當(dāng)前所存在的困難問(wèn)題大致有支架材料降解性能差、不容易被控制，與人體自燃骨組織容易發(fā)生排斥反應(yīng)，體外培養(yǎng)間充質(zhì)干細(xì)胞需要較多的工作量等，這些都對(duì)臨床骨組織工程的應(yīng)用造成了阻礙。

綜上所述，骨組織工程主要是針對(duì)缺損面積小的患者應(yīng)用實(shí)施，但是目前階段隨著納米技術(shù)、仿生技術(shù)的不斷發(fā)展和大量的學(xué)者研究實(shí)驗(yàn)以及大量臨床應(yīng)用間充質(zhì)干細(xì)胞-生物支架材料復(fù)合物，骨組織工程一定能夠得到更為明顯的發(fā)展。