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骨组织工程的进展

来源:实用美容整形外科杂志
摘要:近二十年来,由于组织类型培养技术的普及,细胞生物学、分子生物学、生物化学等学科的发展和生物医学材料的开发及利用,产生了一门新的学科——组织工程学(Tissueenigeering)。1组织工程学概况组织工程学是应用生物学和工程学的原理,研究开发能够修复、维持和改善损伤组织功能的生物替代物的一门学科[1]。其基本方法......

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  人体由于疾病(中毒、感染及先天畸形)和外伤、肿瘤等原因所造成的组织、器官的缺损及功能的丧失,可通过移植各种替代物加以修复。替代物包括自体组织、同种异体组织、异种组织和人工合成物质。虽然这些替代物均已应用于临床治疗,但不可避免地存在着种种问题及局限性,这就迫使整形外科及相关学科的工作者寻求更为合适、有效的替代物。近二十年来,由于组织类型培养技术的普及,细胞生物学、分子生物学、生物化学等学科的发展和生物医学材料的开发及利用,产生了一门新的学科——组织工程学(Tissue enigeering).

  1 组织工程学概况

  组织工程学是应用生物学和工程学的原理,研究开发能够修复、维持和改善损伤组织功能的生物替代物的一门学科[1]。其基本方法是将体外培养的高浓度的功能相关的活组织细胞扩增,并种植于一种生物性能良好、生物可降解性(或称生物可吸收性)的天然与人工合成的细胞外基质(Extracelluar matrix. ECM)上。然后将它们共同移植到所需部位,在机体内细胞继续增殖,而生物支架结构则逐渐被降解、吸收,结果形成新的有功能的组织器官,而达到修复结构、恢复功能目的[1~5]。目前,组织工程学包括以下几个方面的研究:①ECM开发;②种子细胞生物学性质;③组织工程化组织对病损组织的替代。组织工程学涉及各种组织和器官。各方面的研究均取得了一定的进展[1,2,4]。

  2 骨组织工程的研究

  1995年Crane GM系统提出了骨组织工程的概念、研究方法、研究现状及发展前景,引起了广大学者的关注[4]。近年来骨组织工程在以下几方面的研究取得了令人瞩目的进展。

  2.1 ECM替代物的开发

  ECM是稳定组织结构的一种相对惰性的支架结构,但它在调节与其相联系的细胞行为方面却起着十分积极和复杂的作用。ECM的成分包括不同类型的胶原蛋白、各种蛋白多糖、弹性蛋白及一些粘连蛋白。

  骨组织工程研究重点是寻求能够作为细胞移植与引导新骨生长的人工合成与天然的支架结构,作为ECM的替代物。这种支架结构需具有以下特点:①良好的生物相容性、生物可降解性;②良好的骨诱导性和骨传导性;③具有负荷最大量细胞的高渗透性;④支持骨细胞生长和功能分化的表面化学性质与微结构;⑤可与其它活性分子如骨形态发生蛋白(BMP)、转移生长因子-β(TGF-β)复合共同诱导骨的发生;⑥易消毒性[1,4]。

  ECM包括人工合成的ECM和天然ECM(Nature extracellular Matrix,NECM).

  2.1.1人工合成的ECM 目前使用的人工合成的ECM大多为聚合物(polymer)。聚乳酸(polyletic,PLA)和聚羟基乙酸(polyglycolic acid,PGA),是最常用的两种ECM替代物。近来聚乳酸与聚羟基乙酸共聚物(polylactic-co-glycolic acid PLGA)得到了深入的研究。其它聚合物还有多聚羟基酸、聚酣、聚亚胺、聚偶磷氮、胶原等。具生物活性的玻璃陶瓷(bioactive glass ceramics.BGC)、羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)、钙磷陶瓷(calcium phosphate ceramic)即羟基磷灰石和磷酸三钙(HA/TCP)也可用于骨组织工程。它们具有良好的组织相容性、生物降解性、骨传导性[6~8]。羟基磷灰石骨水泥(hydroxyapatite cement, HAC)或称磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement, CPC)由于具有易于塑形、自固化能力、与成骨相协调的降解活性等独特优点而日益受到重视。1991年美国食品与药物管理局批准进行HAC人造骨临床试用,修复颅面部非负重区骨缺损,结果满意的恢复了结构的完整性[9]。

  珊瑚是一种海生无脊椎动物的骨骼,其化学成分99%为碳酸钙,还有少量其它元素和有机成分,类似无机骨。采用经特殊理化处理的珊瑚人工骨,其微孔道结构有利于骨组织长入和替代,是一种良好的骨替代品[10~11]。但珊瑚人工骨质地脆,吸收快,植入后有一定体积丧失,而限制了它的使用。

  金属、胶原、明胶、脂质体等作为ECM替代物也有报道。人工合成的ECM对人体来说仍是异物。植入体内,可引起不同程度的炎性反应,也存在免疫原性问题,致癌性问题。

  2.1.2 NECM的研究 为了解决人工合成的ECM所带来的问题许多单位已着手进行NECM的研究工作。天然无机骨采用动物骨,经物理、化学及高温处理,除去其有机成分,保留无机成分的三维结构外型。其主要成分为羟基磷灰石,具有新生骨出现早、生长快、成骨量多的特点。脱钙骨基质于1965年由Urist首先研制成功,可诱发异位成骨。在脱钙基础上去除磷蛋白、涎蛋白、和蛋白多糖等大量非BMP物质,而制成了骨基质明胶,它比DBM有更强的骨诱导能力。辽宁省人民医院整形科用组织工程学方法制备了动物(猪、牛、兔)皮肤、骨、软骨、肌腱的NECM,经检测证明处理后的组织仅剩下胶原支架,他们将兔耳ECM应用于软骨组织工程研究,证明可复制出新的软骨。这为骨NECM用于骨组织工程研究提供了线索[11,22]。NECM必将加快骨

作者: 沙镝 英彬 吕永利 高景恒 2004-9-23
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