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”一詞被美國國家科學(xué)基金會正式確定下來。
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)胞成長為一個(gè)完整組織的框架材料；生長因子用于引導(dǎo)和協(xié)調(diào)組織內(nèi)細(xì)胞活動，包括各種蛋白質(zhì)因子和電信號等。
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，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。我國從1998年開始將造血干細(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、特氟隆）、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)問題，所以科學(xué)家開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、聚酯等無紡布或無紡網(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紡網(wǎng)，如聚乳酸、聚羥基酸和多肽等的無紡布或無紡網(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。
總體來看，天然材料來源較為廣泛，制作簡單，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。
未來市場可期
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規(guī)模為99.64億美元，2016年全球組織工程材料的市場規(guī)模為136億美元，預(yù)計(jì)到2021年，該市場規(guī)模將達(dá)608.29億美元，總年復(fù)合增長率為34.9%。
2015年全球組織工程材料市場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)專利美國所占份額最大，高達(dá)25.2%，其次是專利合作條約成員國（PCT），占比23.6%。
組織工程領(lǐng)域需求強(qiáng)烈且市場空間巨大。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，這將推動組織工程進(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，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，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。 （作者單位：思宇醫(yī)械觀察）
來源：中國醫(yī)藥報(bào)
