發(fā)布日期：2019-04-09
| 人造皮膚 |
| 3D打印的骨組織工程支架 |
組織工程的先驅(qū)是美國(guó)的小兒外科醫(yī)生Joseph P. Vacanti教授和化學(xué)生物工程師Robert Langer教授，他們從20世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)行組織工程研究，1993年首先在世界著名的《科學(xué)》雜志上介紹了其研究成果。而“組織工程”這一術(shù)語(yǔ)的正式提出，則是由著名美籍華裔科學(xué)家Y. C. Fung教授實(shí)現(xiàn)的。1987年，“組織工程”一詞被美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)正式確定下來(lái)。
組織工程是什么
組織工程（Tissue Engineering）屬于再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，是一個(gè)多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，充分應(yīng)用材料科學(xué)、生物科學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的原理，開(kāi)發(fā)制造出具有生物活性的組織或器官替代物，用于保持、替代、修復(fù)甚至加強(qiáng)病變組織器官的功能。
組織工程有三要素：細(xì)胞、支架材料、生長(zhǎng)因子。細(xì)胞（種子細(xì)胞）是一切生物組織的基本結(jié)構(gòu)單元；支架材料是用于支撐細(xì)胞成長(zhǎng)為一個(gè)完整組織的框架材料；生長(zhǎng)因子用于引導(dǎo)和協(xié)調(diào)組織內(nèi)細(xì)胞活動(dòng)，包括各種蛋白質(zhì)因子和電信號(hào)等。
組織工程的核心是種子細(xì)胞，包括胚胎干細(xì)胞、造血干細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞等。我們比較熟悉的是造血干細(xì)胞。20世紀(jì)80年代以來(lái)，分子生物學(xué)、生物醫(yī)用材料、細(xì)胞克隆和單克隆抗體等技術(shù)的發(fā)展和成熟，使得造血干細(xì)胞移植（HSCT）技術(shù)得到了飛速發(fā)展，成為治愈白血病、淋巴瘤、多發(fā)性骨髓瘤等血液系統(tǒng)惡性疾病、良性疾病及某些實(shí)體腫瘤的重要方法之一。我國(guó)從1998年開(kāi)始將造血干細(xì)胞用于治療各種惡性和非惡性血液病。
不可或缺的載體
組織工程的載體是組織工程支架。支架材料在組織工程中處于非常重要的地位，一直是國(guó)內(nèi)外組織工程研究中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
組織工程支架的作用主要包括以下幾方面：引導(dǎo)細(xì)胞到預(yù)定位置，給工程化組織限定一定的空間；為特定的細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)支撐作用，抗擊壓力等外力，在體內(nèi)維持組織形狀和骨架完整性；模板作用，為細(xì)胞提供附著場(chǎng)所，減少細(xì)胞失活，并引導(dǎo)特殊的細(xì)胞功能和調(diào)節(jié)細(xì)胞間的相互作用；引導(dǎo)組織再生和控制組織結(jié)構(gòu)，并構(gòu)成宿主免疫系統(tǒng)分子的物理障礙，避免人體免疫反應(yīng)。
常用的組織工程支架材料有人工合成和天然兩大類。人工合成類支架材料主要有水凝膠、生物可降解高分子、人工血管支架材料等；天然材料主要包括膠原、纖維蛋白、多糖等。
相關(guān)生物醫(yī)用材料
骨組織工程支架
早期的人工骨支架材料都是非生物降解型的，這類材料有高聚物（碳素纖維、滌綸、特氟?。?、金屬材料（不銹鋼、鈷基合金、鈦合金）、生物惰性陶瓷（氧化鋁、氧化鋅、碳化硅）、生物活性陶瓷（生物玻璃、羥基磷灰石、磷酸鈣）等。這些材料的特點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度高（耐磨、耐疲勞、不變形等），存在生物惰性（耐酸堿、耐老化、不降解）。
非生物降解型材料存在二次手術(shù)問(wèn)題，所以科學(xué)家開(kāi)始研究使用可生物降解并具有生物活性的材料。這類材料有纖維蛋白凝膠、膠原凝膠、聚乳酸、聚醇酸及其共聚體，聚乳酸和聚羥基酸類，瓊脂糖、殼聚糖和透明質(zhì)酸等多糖類。
神經(jīng)組織工程支架材料
以往用于橋接神經(jīng)缺損的神經(jīng)套管材料有硅膠管、聚四氟乙烯、聚交酯、殼聚糖等。如以硅膠管為外支架，管內(nèi)平行放置8根尼龍錢作為內(nèi)支架的“生物性人工神經(jīng)移植體”。目前用于人工神經(jīng)導(dǎo)管研究的可降解吸收材料有聚乙醇酸（PGA）、聚乳酸（PLA）及它們的共聚物等。
血管組織工程支架材料
最早的外層材料一般為尼龍、聚酯等無(wú)紡布或無(wú)紡網(wǎng)。目前，該類材料應(yīng)用較多的為膠原或明膠蛋白包埋的或表面處理的可降解材料的無(wú)紡網(wǎng)，如聚乳酸、聚羥基酸和多肽等的無(wú)紡布或無(wú)紡網(wǎng)。
皮膚組織工程支架材料
目前常用作組織工程皮膚支架材料的天然高分子有甲殼素、殼聚糖、海藻酸鹽、膠原蛋白、葡聚糖、透明質(zhì)酸、明膠、瓊脂等。因?yàn)槠浔旧砭哂邢嗤蝾愃朴诩?xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)，可以促進(jìn)細(xì)胞的黏附、增殖和分化。
總體來(lái)看，天然材料來(lái)源較為廣泛，制作簡(jiǎn)單，且價(jià)格低廉，但存在力學(xué)性能較差、抗原性消除不確定、降解速率不易控制等問(wèn)題。
聚合物共混是一種為組織工程提供新型理想材料的有效方法，已成為目前組織工程生物材料研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)提出的復(fù)合材料有海藻酸鈉/殼聚糖、膠原/殼聚糖、膠原/瓊脂糖、殼聚糖/明膠、殼聚糖/聚己內(nèi)酯、聚乳酸/聚乙二醇等。
其他組織工程材料
包括肌腱和韌帶組織工程材料，角膜組織工程支架材料，肝、胰、腎、泌尿系統(tǒng)組織工程支架材料等。
未來(lái)市場(chǎng)可期
根據(jù)BCC Research調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，2015年全球組織工程材料的市場(chǎng)規(guī)模為99.64億美元，2016年全球組織工程材料的市場(chǎng)規(guī)模為136億美元，預(yù)計(jì)到2021年，該市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)608.29億美元，總年復(fù)合增長(zhǎng)率為34.9%。
2015年全球組織工程材料市場(chǎng)主要分布在北美和歐洲，分別占據(jù)全球總數(shù)的約51%和37%。其中，年復(fù)合增長(zhǎng)率最高的地區(qū)為亞洲和大洋洲，高達(dá)41.9%。
全球范圍內(nèi)，組織工程領(lǐng)域相關(guān)專利美國(guó)所占份額最大，高達(dá)25.2%，其次是專利合作條約成員國(guó)（PCT），占比23.6%。
組織工程領(lǐng)域需求強(qiáng)烈且市場(chǎng)空間巨大。由創(chuàng)傷和慢性疾病導(dǎo)致的組織或器官功能障礙或喪失的病例在全球范圍占比越來(lái)越大，而組織工程在修復(fù)和治療這些疾病和缺陷方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這將推動(dòng)組織工程進(jìn)一步發(fā)展；納米技術(shù)的發(fā)展使得組織工程三要素之一的支架材料性能顯著提升；干細(xì)胞技術(shù)的發(fā)展則極大地?cái)U(kuò)展了細(xì)胞源，使得組織工程三要素之一的細(xì)胞進(jìn)一步多元豐富；手術(shù)技術(shù)及相關(guān)醫(yī)療器械的發(fā)展使組織工程在研究和應(yīng)用方面更加便捷。
組織工程在過(guò)去的30多年間得到了迅猛發(fā)展，但不可否認(rèn)的是，該領(lǐng)域仍然是一個(gè)十分年輕、困難重重、充滿挑戰(zhàn)的學(xué)術(shù)領(lǐng)域。組織工程的進(jìn)一步發(fā)展關(guān)鍵在于技術(shù)的突破和形成易于商業(yè)化的產(chǎn)品。目前，該領(lǐng)域仍存在一些較難克服的壁壘，例如：治療費(fèi)用較為昂貴，產(chǎn)品在嚴(yán)格的管理法規(guī)和倫理約束下很難進(jìn)入市場(chǎng)，關(guān)鍵技術(shù)難以突破等。
但我們?nèi)杂欣碛善诖?，不遠(yuǎn)的將來(lái)，組織工程技術(shù)可以成為常規(guī)的治療手段，造福更多的生命，實(shí)現(xiàn)人類的“再生”夢(mèng)。 （作者單位：思宇醫(yī)械觀察）
來(lái)源：中國(guó)醫(yī)藥報(bào)
