廖世波 賴 琛 張志雄 盛立遠(yuǎn) 奚廷斐，*

1(溫州醫(yī)學(xué)院信息與工程學(xué)院，溫州 325035)

2(北京大學(xué)深圳研究院生物醫(yī)學(xué)工程研究中心，深圳 518057)

引言

因腫瘤、結(jié)核、外傷和代謝性骨病等原因造成的骨缺損的修復(fù)，一直是外科領(lǐng)域的難題之一。目前常用的異體骨移植、自體骨移植等方法在不同程度上存在一些問題。如自體骨來源極為有限，不能用于修復(fù)大面積骨缺損;異體骨存在免疫排斥反應(yīng)，且可能造成病原體感染(例如HIV病毒、肝炎病毒感染等)。

組織工程的基本方法是將細(xì)胞或者活性因子植入三維支架上，模仿天然組織的形態(tài)和功能，種植的細(xì)胞在支架逐漸降解吸收的過程中增殖分化，最終構(gòu)建得到具有或部分具有原來特定功能和形態(tài)的組織或器官的替代品，從而達(dá)到創(chuàng)傷修復(fù)和功能重建的目的[1]。

骨組織工程為大面積骨缺損的修復(fù)提供了全新的思路和方法，成為各國科學(xué)家研究的熱點。理想的骨組織工程細(xì)胞外基質(zhì)材料的要求有[2]：(1)良好的生物相容性：除滿足生物醫(yī)用材料的一般要求如無毒、不致畸等之外，還要利于種子細(xì)胞黏附、增殖，降解產(chǎn)物不引起炎癥反應(yīng)，甚至利于細(xì)胞生長和分化;(2)良好的生物降解性：基質(zhì)材料在完成支架使命后應(yīng)能降解，降解速率與組織細(xì)胞生長速率相協(xié)調(diào)，降解時間能夠根據(jù)組織生長特性作人為調(diào)控;(3)具有三維立體多孔結(jié)構(gòu)：基質(zhì)材料可加工成三維立體結(jié)構(gòu)，利于細(xì)胞黏附生長，細(xì)胞外基質(zhì)沉積，營養(yǎng)和氧氣進入，代謝產(chǎn)物排出，并有利于血管和神經(jīng)長入;(4)可塑性和一定的機械強度：基質(zhì)材料可預(yù)先制成一定形狀，能為新生組織提供支撐，并保持一定時間直至新生組織具有自身生物力學(xué)特性;(5)骨誘導(dǎo)性和骨傳導(dǎo)性;(6)易消毒性。

單一組分的材料常難以滿足骨組織工程支架材料的要求，在降解速率、生物活性、骨誘導(dǎo)性等方面存在很多問題?？赏ㄟ^一定的方法將幾種單一材料復(fù)合，綜合各種材料的優(yōu)缺點，形成復(fù)合型支架材料，這在實際應(yīng)用中取得了良好效果。本文就骨組織工程復(fù)合支架材料及其相關(guān)問題的研究進展作一綜述。

1 復(fù)合骨修復(fù)材料的研究現(xiàn)狀

1.1 納米復(fù)合材料

納米材料是21世紀(jì)備受矚目的高新技術(shù)產(chǎn)品。納米復(fù)合是近年來發(fā)展起來的新型技術(shù)，能賦予材料新的性能。清華大學(xué)崔福齋教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊，在對人骨骨痂和胚胎骨的分級結(jié)構(gòu)及生物礦化過程的多年研究基礎(chǔ)上發(fā)明的“瑞福”納米晶膠原基骨修復(fù)材料，2005年4月獲得國家食品藥品監(jiān)督管理局的三類植入產(chǎn)品準(zhǔn)產(chǎn)注冊證，成為國內(nèi)首個可以在市場上公開銷售和應(yīng)用的納米醫(yī)藥產(chǎn)品。該材料是國內(nèi)外首次在體外人工合成的具有與天然人骨成分相同納米結(jié)構(gòu)的人工基骨修復(fù)材料，在骨組織工程領(lǐng)域具有重要的意義。

天然的細(xì)胞外基質(zhì)呈復(fù)雜的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對細(xì)胞的基本生命活動發(fā)揮全方位的作用。Zhang等以六氟異丙醇和三氟乙酸作為溶劑，通過靜電紡絲技術(shù)組裝絲素蛋白(silk fibroin，SF)-羥基丁酸殼聚糖(hydroxybutyl chitosan，HBC)復(fù)合納米纖維支架來模仿天然的細(xì)胞外基質(zhì)[3]。掃描電鏡結(jié)果顯示，當(dāng)HBC含量從20%上升到100%時，納米纖維的直徑也隨之增大，水的接觸角測量結(jié)果證實不同重量比的SF/HBC納米纖維支架均有好的親水性。當(dāng)SF和HBC的重量比為20：80時，支架的機械強度明顯提高。細(xì)胞試驗研究表明這種SF/HBC納米纖維支架有良好的生物相容性。因此認(rèn)為靜電紡絲SF/HBC復(fù)合納米纖維可以提供理想的仿生組織工程支架。

在納米水平上改善細(xì)胞所處微環(huán)境可能有利于細(xì)胞黏附、增殖和分化。例如Chen等開發(fā)并研究了一種均質(zhì)納米羥基磷灰石/聚電解質(zhì)復(fù)合體復(fù)合支架，借助聚電解質(zhì)復(fù)合體在其基質(zhì)中獲得的納米排布的原位結(jié)晶引入納米羥基磷灰石，為納米復(fù)合支架提供細(xì)胞生長所需的微環(huán)境空間[4]。通過人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone mesenchymal stem cells，BMSCs)的增殖(細(xì)胞存活率測定)、成熟(堿性磷酸酶活性測定)及組織學(xué)檢查來評估其生物相容性和生物活性。體外BMSCs培養(yǎng)結(jié)果顯示細(xì)胞能很好地浸入支架并生長增殖。該復(fù)合材料支架有望用于骨缺損的修復(fù)。Shalumon等運用靜電紡絲技術(shù)將濃度為7%的羧甲基殼聚糖與濃度為8%的聚乙烯醇混合制成層層堆疊的納米纖維結(jié)構(gòu)，確保了支架具有良好的孔道連通性，為細(xì)胞的生存提供了良好的微環(huán)境，利于細(xì)胞的黏附和生長[5]。

碳納米管作為一種新型的碳團簇類纖維材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和不吸收X線特性。Shi等分別制備并比較了聚丙烯酯，超短單壁碳納米管(US-tube)，和十二(烷)酸酯超短碳納米管(F-US-tube)納米復(fù)合材料3種支架的性能，體外細(xì)胞傳導(dǎo)試驗證明，細(xì)胞在這3種支架上均有良好的黏附和繁殖能力[6]。

1.2 添加活性因子的復(fù)合材料

生物活性因子在骨組織的再生過程中起著重要作用，但內(nèi)源性因子濃度低，不能滿足需要，而外源性因子直接加入后會很快隨體液擴散和降解，不能在局部維持有效的濃度。如果利用骨組織工程材料的可降解性和緩(控)釋作用，就能使外源性因子在較長時間內(nèi)持續(xù)發(fā)揮作用。

骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)能誘導(dǎo)動物和人體間充質(zhì)細(xì)胞分化為骨、軟骨等組織。Li等將BMP-2加載到聚氨酯/聚乳酸-羥基乙酸共聚物(poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA)復(fù)合材料中，并將其植入大鼠脛骨缺損處，研究發(fā)現(xiàn)新骨的形成速度與未添加 BMP-2的骨修復(fù)材料相比有明顯提高[7]。通過分析 BMP-2的釋放動力學(xué)曲線可知，植入體內(nèi)后，BMP-2在一定程度上的暴釋有利于誘導(dǎo)成骨細(xì)胞的分化，能更好地促進骨缺損的修復(fù)。Dai等制備出一種可生物降解的鈣/鎂復(fù)合的，以SiO2為基體的層疊宏觀/介孔結(jié)構(gòu)(hierarchically macro/mesoporous structure，CMMS)支架，并在支架上加載重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白 2(recombinant human BMP-2，rhBMP-2)，形成CMMS/rhBMP-2復(fù)合支架體系[8]。該支架體系呈現(xiàn)出相互連通的孔隙網(wǎng)絡(luò)，大孔隙在200～500 μm，中孔隙為5.7 nm。兔股骨孔洞型缺損模型試驗結(jié)果表明，與不加載 rhBMP-2的 CMMS支架相比，CMMS/rhBMP-2復(fù)合支架上骨再生能力更強。此外，體內(nèi)載有或不載有rhBMP-2的支架，經(jīng)過逐漸吸收和骨替換在12周后幾乎消失。此項研究證明CMMS/rhBMP-2復(fù)合支架具有很好的生物活性、生物相容性和適宜的降解速度，有望應(yīng)用于臨床大的骨缺損修復(fù)重建。

移植骨的血管化是移植骨成骨過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對骨再生和骨融合效果有重要影響[9]。血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)能誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖，促進血管形成。Keeney等研究了膠原/磷酸鈣復(fù)合材料對 VEGF-165的運載能力[10]。試驗證明，膠原/磷酸鈣能夠有效運載 VEGF-165，促進新生血管形成從而加快新骨的形成。

在復(fù)合材料上加載抗生素可起到控制感染促進骨愈合的作用。例如Zou等制備并測量了納米羥基磷灰石-殼聚糖-黃連素(1.0 wt%)復(fù)合支架材料的固化時間、抗壓強度、抗菌活性等，發(fā)現(xiàn)此復(fù)合材料固化時間為 16.53～29.43 min，抗壓強度為176.06～129.35 MPa，且隨著黃連素含量的增加而減小;黃連素釋放濃度在1～28 d內(nèi)均高于最小抑菌濃度(0.02 mg/ml)，能較好地抑制金黃色葡萄球菌生長[11]。而Jia等制備了硼酸鹽活性玻璃與殼聚糖的復(fù)合材料，并將其作為替考拉寧的載體，用于治療慢性骨髓炎[12]。體內(nèi)體外試驗均表明，此復(fù)合材料不僅能夠?qū)崿F(xiàn)藥物的持續(xù)釋放，而且能促進骨的愈合。

另外，將生物活性成分直接作為復(fù)合材料的組份可能改善材料的性能。血漿是血液的重要組成部分，相當(dāng)于血細(xì)胞的細(xì)胞間質(zhì)，其含有血漿蛋白、電解質(zhì)、營養(yǎng)素、酶類、激素類和膽固醇等重要物質(zhì)。Bi等將富含血小板的自體血漿、磷酸三鈣和殼聚糖混合制備了可注射的骨修復(fù)材料[13]。結(jié)果顯示，富血小板血漿的加入不僅不會對材料的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，反而能夠提高材料的細(xì)胞親合力，有利于成骨細(xì)胞的增殖與分化，促進成骨過程。將此材料注射到山羊脛骨缺損處，16周后傷口完全愈合。這一結(jié)果為材料的功能化提供了新的思路。

1.3 引入基因工程技術(shù)的復(fù)合材料

隨著基因工程技術(shù)的飛速發(fā)展，活性因子不再單純地被添加到材料中，而是通過將其編碼基因載體引入材料，以實現(xiàn)活性因子的原位合成和釋放。

研究人員將編碼rhBMP-7的腺病毒載體復(fù)合到殼聚糖/膠原支架材料中接種人牙周膜細(xì)胞后，支架植入下頜骨缺損處4至8周，觀察到該組的成骨量、堿性磷酸酶活性、骨橋蛋白和唾液蛋白的表達(dá)均高于單純殼聚糖/膠原組和殼聚糖/膠原復(fù)合空腺病毒載體組[14]。另一實驗小組將 BMP-2基因轉(zhuǎn)染到人牙齦成纖維母細(xì)胞(human gingival fibroblasts，HGFs)中，然后與膠原基質(zhì)一起填充于SD大鼠8 mm的顱骨缺損處，與沒有轉(zhuǎn)染的HGFs-膠原組、膠原組、空白組進行對照，試驗結(jié)果顯示轉(zhuǎn)染了BMP-2基因的 HGFs-膠原組再生骨的面積明顯大于其他3組，說明BMP-2基因的轉(zhuǎn)染可明顯誘導(dǎo)體內(nèi)骨再生[15]。

堿性成纖維細(xì)胞生長因子(basic fibroblast growth factor，bFGF)具有強烈的促血管生成作用。Qu等用 bFGF基因轉(zhuǎn)染 BMSCs，然后將 bFGFBMSCs種植到納米羥基磷灰石/聚酰胺66復(fù)合材料支架上，并植入大鼠顱蓋骨缺損模型進行試驗，檢測結(jié)果顯示，基于BMSCs的bFGF體內(nèi)基因轉(zhuǎn)染能加速該復(fù)合材料支架的血管化和骨組織重建[16]。

缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factor，HIF)在缺氧誘導(dǎo)的哺乳動物細(xì)胞中廣泛表達(dá)，是缺氧應(yīng)答的全局性調(diào)控因子。Zou等先通過截斷突變的方法構(gòu)建結(jié)構(gòu)活化型缺氧誘導(dǎo)因子-1α(constitutively active form of HIF-1α)(CA5)，然后使 BMSCs分別轉(zhuǎn)染慢病毒-CA5、慢病毒-WT(wild-type HIF-1α，野生型 HIF-1α)和慢病毒-lacZ[17]。這些基因轉(zhuǎn)染的BMSCs連同鈣鎂磷酸鹽骨水泥支架用來修復(fù)大鼠臨界尺寸的顱骨缺損。試驗結(jié)果顯示在CA5組和WT組大鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)有更高局部骨密度的強健的新生骨形成。暗示種植有轉(zhuǎn)染HIF-1α基因的BMSCs的鈣鎂磷酸鹽骨水泥支架材料，可用于修復(fù)臨界尺寸的骨缺損。

1.4 磁性復(fù)合材料

磁場通過影響電荷微粒的運動、膜系統(tǒng)的通透性和生物高分子的磁矩取向等，從而使細(xì)胞的生理生化過程發(fā)生改變。研究發(fā)現(xiàn)，黏附有磁性粒子的整合素(細(xì)胞黏附分子家族的重要成員之一，主要介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)之間的黏附，并介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)之間的雙向信號傳導(dǎo))和內(nèi)化磁性粒子的機械刺激，能誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)鈣信號的改變[18]。Celik等研究證實極低頻磁場能增大 SD大鼠的骨密度，使骨特征性堿性磷酸酶(bonespecific alkaline phosphatase，BAP)、 骨 鈣 素(osteocalcin)、骨保護因子(osteoprotogerin)和氨基末端肽(N-telopeptide)等顯著地發(fā)生改變[19]。

將磁性粒子引入骨修復(fù)材料，是一種新穎的改善材料性能的方法。磁性支架材料能夠通過磁力驅(qū)動來吸收體內(nèi)的生長因子、干細(xì)胞或其它生物制劑，并將之束縛于磁性粒子周圍，從而促進細(xì)胞的黏附和生長。研究者將由羥基磷灰石和膠原制成的標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)化支架，在含有各種生物聚合物包被的Fe3O4納米粒子的液態(tài)磁流體中進行浸涂，納米粒子整合到支架中制成磁性支架。結(jié)果表明該支架能促進體外人類骨髓干細(xì)胞的黏附和增殖[20]。

Panseri等用不同的磁化方法得到兩種羥基磷灰石/膠原(70/30 wt%)磁性支架，仿生相和超順磁納米粒子在自組裝膠原纖維中直接成核(記為MAG-A)和支架在鐵流體溶液中浸漬(記為 MAGB)。磁性支架被植入兔股骨遠(yuǎn)側(cè)骨骺端和脛骨骨干中部，試驗結(jié)果顯示磁性納米粒子不引起炎癥反應(yīng)，MAG-A 的兔骨愈 合率 明顯高于 MAG-B[21]。Tampieri等將含有Ⅰ型膠原(ColⅠ)的磷酸溶液逐滴滴加到富含磁鐵礦納米顆粒的氫氧化鈣懸浮液中，合成結(jié)束時，介質(zhì)的pH值為8。經(jīng)過一個小時的熟化，洗滌過濾，然后用 1，4-丁二醇縮水甘油醚使材料發(fā)生交聯(lián)，納米磷灰石在自組裝膠原上原位成核，制備了磁性 ColⅠ/HA支架材料[22]。研究結(jié)果表明，與相應(yīng)的非磁性支架相比，這種磁性復(fù)合材料支架硬度更大，孔隙率達(dá)90±3%，而且沒有細(xì)胞毒性，能夠為人骨髓干細(xì)胞的黏附、生長和增殖提供適宜的微環(huán)境。試驗培養(yǎng)第1 d，細(xì)胞就牢固地附著在支架表面并浸入到內(nèi)部，30 d時可觀察到各種形狀的成骨樣細(xì)胞。故認(rèn)為在外加磁場的引導(dǎo)下，該支架材料能夠?qū)窃偕峁椭?/p>

Wu等試圖將磷酸鈣陶瓷的骨修復(fù)能力與磁場結(jié)合起來，通過把超順磁性納米顆粒整合到磷酸鈣陶瓷中，制得一種新的磷酸鈣磁性陶瓷納米顆粒復(fù)合材料[23]。選擇出兩種磷酸鈣陶瓷，羥基磷灰石(HA)和羥基磷灰石/磷酸鈣(65/35，hydroxyapatite/tricalcium phosphate，HT)。分別對大鼠成骨肉瘤細(xì)胞株ROS17/2.8和人成骨樣細(xì)胞MG63進行體外培養(yǎng);復(fù)合有BMP-2的樣品植入大鼠背部皮下肌肉筋膜30 d。體內(nèi)外試驗結(jié)果均顯示，與普通的磷酸鈣陶瓷相比，磷酸鈣磁性陶瓷納米顆粒復(fù)合材料具有良好的生物相容性，能夠顯著地促進細(xì)胞的增殖和分化。體內(nèi)試驗結(jié)果顯示羥基磷灰石/磷酸鈣磁性陶瓷納米顆粒能加快BMP-2的表達(dá)，可觀察到新的骨樣組織的形成。預(yù)計這種磷酸鈣磁性陶瓷納米顆粒復(fù)合材料，可能成為一種潛在的骨替代品或骨組織工程支架。

Meng等用聚乳酸、羥基磷灰石和γ-Fe2O3納米顆粒，通過靜電紡絲技術(shù)組裝成一種順磁性納米纖維復(fù)合膜[24]。細(xì)胞試驗結(jié)果顯示，在恒定磁場中該復(fù)合膜能顯著地增強小鼠成骨細(xì)胞MC3 T3-E1的增殖、分化及細(xì)胞外基質(zhì)的分泌。認(rèn)為該復(fù)合膜在骨組織工程和骨再生治療中有廣闊的運用前景。綜合目前報道的相關(guān)研究成果來看，磁性材料由于其特有的生物磁力導(dǎo)向性，在未來骨組織工程材料應(yīng)用中很可能成為一個非常有前景的方向。

2 復(fù)合材料的血管化

骨組織工程的成功與否取決于能否迅速而有效地在再生組織中形成功能化血管。當(dāng)前由于營養(yǎng)灌注和傳輸局限的問題，特別是氧擴散，約束了組織工程構(gòu)建(即再生組織的功能化)，限制了其在體內(nèi)的整合。一方面，大多數(shù)的構(gòu)建依賴于氧的運輸擴散，由于氧擴散的限制，構(gòu)建內(nèi)部常發(fā)生漸變，導(dǎo)致細(xì)胞數(shù)目和活力的區(qū)域差異，以及由氧和營養(yǎng)濃度不同引起的表型差異[25]。另一方面，當(dāng)體外生長的組織植入體內(nèi)時，由于氧和營養(yǎng)擴散極限的存在，使得細(xì)胞必須距存活的毛細(xì)血管100～200 μm以內(nèi)[26]。因此，植入前的組織預(yù)血管化適當(dāng)?shù)乜紤]組織細(xì)胞類型、氧和營養(yǎng)擴散率、整個支架的尺寸以及與宿主脈管系統(tǒng)的吻合是很關(guān)鍵的。當(dāng)前針對組織工程血管化的研究方法可概括為如下幾個方面[25]：材料的功能化、支架的設(shè)計和精細(xì)加工、以細(xì)胞為基礎(chǔ)的方法、生物反應(yīng)器設(shè)計、微機電系統(tǒng)相關(guān)方法、模塊式組裝以及體內(nèi)系統(tǒng)。

有學(xué)者直接從改良支架材料和尋找功能化的材料入手來研究移植物的血管化問題。如Sun等采用生物大分子層自組裝技術(shù)，將殼聚糖/肝素復(fù)合物涂布于脫細(xì)胞骨基質(zhì)上，體外檢測結(jié)果顯示，該復(fù)合物涂層提高了支架的抗凝作用和血液相容性[27]。建立兔骨缺損模型進行試驗，斷層掃描灌注成像和組織學(xué)檢查結(jié)果，證實了這種巧妙的涂層方法在移植后早期階段能夠促進血液灌注和再生組織的血管化。Mammadov等發(fā)現(xiàn)了一種能直接促進血管再生的支架材料，該小組首次報道了通過合成沒有添加任何外來生長因子和肝素的納米纖維肽支架來誘導(dǎo)血管化[28]。他們設(shè)計和合成的自組裝的兩親性肽分子，能通過模仿肝素的生物活性基團來行使功能。像肝素一樣，這種分子能與生長因子相互作用并有效地增強它們的生物活性。體內(nèi)外試驗結(jié)果均表明，這種納米纖維肽支架能在沒有外來生長因子或肝素的情況下有效地誘導(dǎo)血管生成。

組織工程支架可以結(jié)合或裝載上血管原性因子，如血管內(nèi)皮生長因子[10]、堿性成纖維母細(xì)胞生長因子[16]等來促進再生組織的血管化。也可以通過改變其微觀結(jié)構(gòu)來創(chuàng)造適宜組織細(xì)胞黏附、生長、增殖的微環(huán)境，從而改善支架的血流灌注狀態(tài)。通過改良的單絲螺旋繞組技術(shù)生產(chǎn)熔融拉制糖纖維網(wǎng)絡(luò)的方法，Sun等在聚乳酸三維支架中形成了直徑和孔隙率可調(diào)的的微孔道[29]。測試結(jié)果表明支架呈現(xiàn)出適宜的孔隙率、相互連通微孔網(wǎng)絡(luò)和機械性能。微孔道循環(huán)網(wǎng)絡(luò)能將氧和養(yǎng)分傳送到支架更深的結(jié)構(gòu)部分，這為細(xì)胞浸入整個支架并增殖提供了可能性，而后者對血管化來說是至關(guān)重要的。進一步的人臍靜脈血管內(nèi)皮細(xì)胞培養(yǎng)實驗結(jié)果顯示，該微孔支架沒有細(xì)胞毒性，同時證實該微孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)利于細(xì)胞黏附、增殖和浸入整個支架。

當(dāng)前組織工程血管化方法的目標(biāo)，在于通過傳送有效的再生細(xì)胞與適當(dāng)?shù)幕|(zhì)和信號分子來克服自然的組織機能紊亂[30]。成熟的血管由內(nèi)皮細(xì)胞和周圍血管壁細(xì)胞組成。Hegen等將人微血管內(nèi)皮細(xì)胞和肺動脈血管平滑肌細(xì)胞，以不同的比例種植到富含基底膜基質(zhì)的聚乳酸支架中，然后將其植入SCID裸鼠皮下，適時檢測內(nèi)支架微血管形成、融合及灌注[31]。結(jié)果顯示支架中這兩種細(xì)胞在體內(nèi)組裝成巧妙的微血管系統(tǒng)，并在植入一周內(nèi)與宿主循環(huán)吻合，內(nèi)支架微循環(huán)顯示為一個均勻的分枝狀的微血管網(wǎng)絡(luò)，其中肺動脈平滑肌細(xì)胞的分布不是隨機的，而是優(yōu)先聚集到血管周圍。故提供全套的血管組件(包括血管內(nèi)皮細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)和信號分子)可促進體內(nèi)組織工程環(huán)境中高效的微血管自組裝、功能性微血管的建立及吻合。通過聯(lián)合移植內(nèi)皮祖細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞，可在多種動物模型上形成顯著的脈管系統(tǒng)。這主要是模仿了胚胎血管發(fā)生過程：內(nèi)皮祖細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞組織成一個網(wǎng)絡(luò)并形成外膜細(xì)胞穩(wěn)定的毛細(xì)血管床[32]。

成年患者身上可供選擇的血管化細(xì)胞來源是內(nèi)皮祖細(xì)胞(endothelial progenitor cells，EPC)，通過服用粒細(xì)胞集落刺激因子，可動員其從骨髓進入血循環(huán)到達(dá)缺血、炎癥以及帶有人工祖細(xì)胞捕獲基序的生物材料部位[33]。Amini等首次特征性地和直接地比較了兔外周血源性內(nèi)皮祖細(xì)胞和骨髓源性內(nèi)皮祖細(xì)胞對體內(nèi)原始血管網(wǎng)絡(luò)的形成、改善體內(nèi)移植成活率、提升血管化率的作用[34]。試驗結(jié)果顯示在促進成骨和促進血管化方面，外周血來源的內(nèi)皮祖細(xì)胞都優(yōu)于骨髓來源的內(nèi)皮祖細(xì)胞。因此認(rèn)為外周血源性內(nèi)皮祖細(xì)胞可充當(dāng)理想的提高血管化和骨組織工程成功率的細(xì)胞群。這些研究結(jié)果為以細(xì)胞為基礎(chǔ)的血管化方法未來在臨床上的引用提供了可能性。

生物反應(yīng)器(bioreactor)是利用酶或生物體(如微生物)所具有的生物功能，在體外或體內(nèi)通過生化反應(yīng)或生物自身的代謝獲得目標(biāo)產(chǎn)物的裝置系統(tǒng)。作為生物功能模擬機，其在生物醫(yī)學(xué)工程方面有許多應(yīng)用。其中旋轉(zhuǎn)式生物反應(yīng)器和灌注式生物反應(yīng)器可用來克服培養(yǎng)中的物質(zhì)運輸問題，從根本原因上著手緩解了當(dāng)前組織工程血管化的困境。灌注生物反應(yīng)器對在體外形成有功能的動脈尤其有幫助[25]。

微機電系統(tǒng)(microelectromechanical system，MEMS)相關(guān)方法中的微流體技術(shù)，可用于構(gòu)建微流體通道系統(tǒng)來實現(xiàn)各種復(fù)雜的微流體操縱功能。通過微流體系統(tǒng)[25]在合成的或可降解的聚合物中形成血管樹樣組織，然后將內(nèi)皮細(xì)胞種植到此系統(tǒng)上，能形成初步的脈管系統(tǒng)。

內(nèi)含細(xì)胞的覆蓋有融合內(nèi)皮細(xì)胞層的水凝膠組成的微小組織塊，可在灌注條件下結(jié)合起來形成大塊組織，其中內(nèi)皮細(xì)胞層充當(dāng)抗凝血表面。根據(jù)預(yù)先測得的營養(yǎng)和氧滲透率，可制成臨界尺寸的有一個入口和出口的多血管模塊[25]。此方法對于構(gòu)建臨床相關(guān)尺寸的工程化組織塊似乎是有希望的。模塊化組裝的一個簡單而有效的方法，是緊密堆積表面覆蓋有內(nèi)皮細(xì)胞的模塊化圓柱形膠原基質(zhì)，從而在隨機裝配陣列中形成內(nèi)皮襯里通道，這些通道可在體內(nèi)改裝成血管化的移植體[35]。

體內(nèi)系統(tǒng)的原理是在體外小室中利用動靜脈環(huán)路使組織血管化。通過將融合的細(xì)胞片材堆疊起來帶血管植入臨近動、靜脈處，以此增加更多的非細(xì)胞層的血管化來構(gòu)筑組織厚度[25]。從而使突破傳統(tǒng)工程化組織的規(guī)格限制成為可能。

此外也有學(xué)者試圖從基因的角度來探討血管化問題。例如有研究證實缺氧誘導(dǎo)因子-1α上游激活物“總開關(guān)”能激活整個前期血管信號瀑布[36]。而超過1000個患者參與的對照控制試驗的大量證據(jù)也證實了血管原基因治療的相對安全性[37]。這些研究結(jié)果為血管化問題的解決提供了非常有意義的啟示。

3 問題與展望

目前，關(guān)于組織工程復(fù)合材料方面的研究有很多，出現(xiàn)了一些優(yōu)良的支架材料。但仍有許多亟待解決的問題，如材料接觸界面對種子細(xì)胞的黏附、增殖、分化有影響;材料的機械強度和降解速率之間的協(xié)調(diào)性不高;支架材料的血管化有待進一步改善;材料仍有一定的抗原性，其致畸形、致瘤性尚不明確等。此外，這些材料大多數(shù)尚處于研發(fā)和動物試驗階段，要實現(xiàn)臨床應(yīng)用還需生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和材料學(xué)各領(lǐng)域?qū)＜业暮献骱瓦M一步探索。

未來臨床骨缺損的修復(fù)都將采用完全可降解吸收的生物活性材料，以避免二次手術(shù)取內(nèi)固定物帶來創(chuàng)傷和感染機會;將材料與生長因子基因復(fù)合并實現(xiàn)體內(nèi)適時緩釋;或者將抗生素與修復(fù)材料復(fù)合，修復(fù)重建的同時可以達(dá)到預(yù)防感染的目的等等，這些如能實現(xiàn)，將會給患者帶來巨大的福祉。相信隨著相關(guān)領(lǐng)域理論和技術(shù)的進步，骨組織工程材料方面也會取得突飛猛進的發(fā)展。

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