1、第八章第八章 組織工程組織工程肝的組織工程肝的組織工程起源起源器官器官康復.肌肉肌肉骨膜骨膜起源起源骨髓骨髓血導管血導管膠原質膠原質兩性分子的兩性分子的器官捐贈人器官捐贈人胎的胎的 組織工程組織工程(Tissue Engineering)是近年來正在興是近年來正在興起的一門新學科，屬于生物高技術范疇起的一門新學科，屬于生物高技術范疇 定義：應用生命科學與工程學的原理與技術，定義：應用生命科學與工程學的原理與技術，在正確認識哺乳動物的正常及病理兩種狀態下在正確認識哺乳動物的正常及病理兩種狀態下的組織結構與功能關系的基礎上，研究、開發的組織結構與功能關系的基礎上，研究、開發用于修復、維護、促進人體

2、各種組織或器官損用于修復、維護、促進人體各種組織或器官損傷后的功能和形態的生物替代物的一門新興學傷后的功能和形態的生物替代物的一門新興學科科 組織工程研究主要包括四個方面：種子細胞、組織工程研究主要包括四個方面：種子細胞、生物材料、構建組織和器官的方法和技術以以生物材料、構建組織和器官的方法和技術以以及組織工程的臨床應用及組織工程的臨床應用組織工程研究內容組織工程研究內容 組織工程的核心組織工程的核心 建立細胞與生物材料的三維空間復合體，即具有生建立細胞與生物材料的三維空間復合體，即具有生命力的活體組織，用以對病損組織進行形態、結構命力的活體組織，用以對病損組織進行形態、結構和功能的重建并達到

3、永久性替代和功能的重建并達到永久性替代 基本原理和方法基本原理和方法 將體外培養擴增的正常組織細胞，吸附于一種生物將體外培養擴增的正常組織細胞，吸附于一種生物相容性良好并可被機體吸收的生物材料上形成復合相容性良好并可被機體吸收的生物材料上形成復合物，將細胞物，將細胞-生物材料復合物植入機體組織、器官的生物材料復合物植入機體組織、器官的病損病分，細胞在生物材料逐漸被機體降解吸收的病損病分，細胞在生物材料逐漸被機體降解吸收的過程中形成新的在形態和功能方面與相應器官、組過程中形成新的在形態和功能方面與相應器官、組織相一致的組織，而達到修復創傷和重建功能的目織相一致的組織，而達到修復創傷和重建功能的目

4、的。的。 組織工程研究包括以下四個方面組織工程研究包括以下四個方面 種子細胞研究種子細胞研究 細胞外基質的研究細胞外基質的研究 組織器官的構建組織器官的構建 組織工程臨床應用組織工程臨床應用 種子細胞研究種子細胞研究 種子細胞的培養是組織工程的基本要素，細胞主要種子細胞的培養是組織工程的基本要素，細胞主要來源于自體、同種異體、異種組織細胞等。自體組來源于自體、同種異體、異種組織細胞等。自體組織細胞應為首選織細胞應為首選 1載體等技術用于細胞的快速增殖載體等技術用于細胞的快速增殖 2干細胞工程干細胞工程 3采用各種生長因子和端粒酶調節與延緩細胞的老化采用各種生長因子和端粒酶調節與延緩細胞的老化

5、4采用各種方法（包括自身轉化、化學、物理、病毒等采用各種方法（包括自身轉化、化學、物理、病毒等方法）誘導細胞發生轉化，使其倍增時間減少，永生化或方法）誘導細胞發生轉化，使其倍增時間減少，永生化或生命期延長，也是一個努力方向生命期延長，也是一個努力方向 細胞外基質的研究細胞外基質的研究 ECM均質狀態的基質（蛋白多糖、糖蛋白）和細絲狀均質狀態的基質（蛋白多糖、糖蛋白）和細絲狀的膠原纖維的膠原纖維 ECM是細胞附著的基本框架和代謝場所，其形態和功是細胞附著的基本框架和代謝場所，其形態和功能直接影響所構成的組織形態和功能能直接影響所構成的組織形態和功能 理想的理想的ECM應具有以下特點應具有以下特點

6、 生物相容性好生物相容性好有可吸收性有可吸收性 有可塑性有可塑性 表面化學特性和表面微結構利于細胞的粘附和生長表面化學特性和表面微結構利于細胞的粘附和生長 降解降解速率可根據不同細胞的組織再生速率而進行調整。速率可根據不同細胞的組織再生速率而進行調整。 細胞外基質的研究細胞外基質的研究 組織工程所應用的材料組織工程所應用的材料 天然天然ECM ：采用膠原制作人工皮和血管的模型：采用膠原制作人工皮和血管的模型 人工的人工的ECM ：聚乳酸、聚羥基乙酸、兩者的共聚物：聚乳酸、聚羥基乙酸、兩者的共聚物（PGA-PLA）、聚）、聚-羥基丁酯（羥基丁酯（PHB）；聚乳酸）；聚乳酸-已內酯已內酯的共聚物（

7、的共聚物（PLC）、聚原酸酯、聚磷本酯、聚酸酐）、聚原酸酯、聚磷本酯、聚酸酐 天然高分子同合成高分子的復合物天然高分子同合成高分子的復合物 ，如膠原，如膠原-PCA的復合的復合物等物等 有機材料同無機材料的復合物，如羥基磷灰石有機材料同無機材料的復合物，如羥基磷灰石-甲殼素的甲殼素的復合物，羥基磷灰石復合物，羥基磷灰石-PLA的復合物等的復合物等 組織器官的構建組織器官的構建 1骨組織構建骨組織構建 構建組織工程骨的方式有幾種：構建組織工程骨的方式有幾種：支架材料與成支架材料與成骨細胞；骨細胞；支架材料與生長因子；支架材料與生長因子；支架材料與支架材料與成骨細胞加生長因子。成骨細胞加生長因子。

8、 生長因子通過調節細胞增殖、分化過程并改變細生長因子通過調節細胞增殖、分化過程并改變細胞產物的合成而作用于成骨過程胞產物的合成而作用于成骨過程 組織器官的構建組織器官的構建 2組織工程血管構建組織工程血管構建 血管壁中切取彈性基膜，并在其上培養鼠動脈平血管壁中切取彈性基膜，并在其上培養鼠動脈平滑肌細胞；或用滑肌細胞；或用I型膠原制備基質材料與各型血型膠原制備基質材料與各型血管壁細胞成分合成血管模型。管壁細胞成分合成血管模型。 組織工程臨床應用組織工程臨床應用 組織工程中臨床應用是在組織構建完成了動組織工程中臨床應用是在組織構建完成了動物試驗之后，在人體上的應用，這也是組織物試驗之后，在人體上的

9、應用，這也是組織工程的最后一步。目前，組織工程的研究只工程的最后一步。目前，組織工程的研究只有活性皮膚達到了這一步。有活性皮膚達到了這一步。組織工程支架材料組織工程支架材料 一、骨組織工程支架材料一、骨組織工程支架材料 二、神經組織工程支架材料二、神經組織工程支架材料 三、血管組織工程支架材料三、血管組織工程支架材料 四、肌腱組織工程支架材料四、肌腱組織工程支架材料 五、皮膚組織工程支架材料五、皮膚組織工程支架材料 六、六、 角膜組織工程支架材料角膜組織工程支架材料 七、七、 肝、胰、腎、泌尿系統組織工程支架材料肝、胰、腎、泌尿系統組織工程支架材料 骨組織工程支架材料骨組織工程支架材料 必須具

10、備以下兩個功能必須具備以下兩個功能 （1） 有一定機械強度以支撐組織的高強度材料，以保證有一定機械強度以支撐組織的高強度材料，以保證材料植入人體后，有支撐體的重量，不改變骨骼形狀。材料植入人體后，有支撐體的重量，不改變骨骼形狀。 （2） 有一定生物活性可誘導細胞生長、分化，并可被人有一定生物活性可誘導細胞生長、分化，并可被人體降解吸收體降解吸收 分為兩類，即生物降解和非生物降解型分為兩類，即生物降解和非生物降解型 高聚物（碳素纖維，滌綸，特氟隆），金屬材料（不銹鋼，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，鈷基合金，鈦合金），生物惰性

11、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，磷酸碳化硅），生物活性陶瓷（生物玻璃，羥基磷灰石，磷酸鈣）等鈣）等 纖維蛋白凝膠、膠原凝膠、聚乳酸、聚醇酸及其共聚體、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、殼聚糖和透明質酸等多糖聚乳酸和聚羥基酸類、瓊脂糖、殼聚糖和透明質酸等多糖類類。圖一：一名圖一：一名7歲男孩歲男孩沈某因車禍造成顱骨沈某因車禍造成顱骨66厘米缺損厘米缺損圖二：采用組織工程技術構建圖二：采用組織工程技術構建的顱骨移植修復，經的顱骨移植修復，經4個月隨個月隨訪，這塊占顱骨總面積達訪，這塊占顱骨總面積達16的組織工程化顱骨在

12、人體內穩的組織工程化顱骨在人體內穩定存在，生長良好。定存在，生長良好。 神經組織工程支架材料神經組織工程支架材料 理想的人工神經是一種特定的三維結構支架的神經理想的人工神經是一種特定的三維結構支架的神經導管，可接納再生軸突長入，對軸突起機械引導作導管，可接納再生軸突長入，對軸突起機械引導作用，雪旺細胞支架內有序地分布，分泌用，雪旺細胞支架內有序地分布，分泌NTFs等發等發揮神經營養作用，并表達揮神經營養作用，并表達CAM、分泌、分泌ECM，支持，支持引導軸突再生。引導軸突再生。 以往用于橋接神經缺損的神經套管材料有硅膠管、以往用于橋接神經缺損的神經套管材料有硅膠管、聚四氟乙烯、聚交酯、殼聚糖等

13、。聚四氟乙烯、聚交酯、殼聚糖等。 目前用于人工神經導管研究的可降解吸收材料有聚目前用于人工神經導管研究的可降解吸收材料有聚乙醇酸（乙醇酸（PGA）、聚乳酸（）、聚乳酸（PLA）及它們的共聚物）及它們的共聚物等。等。 神經組織工程支架材料神經組織工程支架材料 神經支架材料的功能有兩種神經支架材料的功能有兩種 （1） 必須為神經的恢復提供所需的三維空間，必須為神經的恢復提供所需的三維空間，即要保證神經導管具有合適的強度、硬度和彈性，即要保證神經導管具有合適的強度、硬度和彈性，使神經具有再生的通道。使神經具有再生的通道。 （2） 要保證其有理想的雙層結構：外層提供必要保證其有理想的雙層結構：外層提供

14、必要的強度，為毛細血管和纖維組織長入提供營養要的強度，為毛細血管和纖維組織長入提供營養的大孔結構；內層則可起到防止結締組織長入而的大孔結構；內層則可起到防止結締組織長入而起屏障作用的緊密結構起屏障作用的緊密結構 血管組織工程支架材料血管組織工程支架材料 結構上也分為雙層結構上也分為雙層 ：內層是與血液相容性好的生物：內層是與血液相容性好的生物活性材料，該類材料要求不僅具有生物活性，同時活性材料，該類材料要求不僅具有生物活性，同時還要具有抗凝血和抗溶血作用還要具有抗凝血和抗溶血作用 類型：最早的外層材料一般為尼龍、聚酯等無紡布類型：最早的外層材料一般為尼龍、聚酯等無紡布或無紡網等。目前，該類材料

15、應用較多的為膠原或或無紡網等。目前，該類材料應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，明膠蛋白包埋的或表面處理的可降解材料的無紡網，例如：聚乳酸、聚羥基酸和多肽等的無紡布或無紡例如：聚乳酸、聚羥基酸和多肽等的無紡布或無紡網等網等 肌腱組織工程支架材料肌腱組織工程支架材料 肌腱與韌帶組織中的功能細胞分別是肌腱細胞和成肌腱與韌帶組織中的功能細胞分別是肌腱細胞和成纖維細胞，二者在組織來源上均屬成纖維細胞型，纖維細胞，二者在組織來源上均屬成纖維細胞型，但肌腱細胞分泌型膠原，而成纖維細胞分泌、但肌腱細胞分泌型膠原，而成纖維細胞分泌、型膠原。因此，肌腱組織支架材料必須可降解，型膠原。

16、因此，肌腱組織支架材料必須可降解，但一定要是降解時間較長的材料。但一定要是降解時間較長的材料。 類型：類型：20世紀世紀70年代肌腱支架材料一般使用硅橡膠、年代肌腱支架材料一般使用硅橡膠、尼龍聚酯、碳纖維等，目前使用的多是聚酯聚二氧尼龍聚酯、碳纖維等，目前使用的多是聚酯聚二氧雜環烷等。雜環烷等。 皮膚組織工程支架材料皮膚組織工程支架材料 人工角膜材料要求透明，吸水，有一定的機人工角膜材料要求透明，吸水，有一定的機械強度，屈光性好等特點，同時，要求可降械強度，屈光性好等特點，同時，要求可降解。以前常用的材料為解。以前常用的材料為HAMA、PMMA，近來來，多采用膠原和聚醇酸等材料。近來來，多采用

17、膠原和聚醇酸等材料。 肝、胰、腎、泌尿系統組織工程支架材肝、胰、腎、泌尿系統組織工程支架材料料 肝、胰、腎、泌尿系統使用的組織工程支架肝、胰、腎、泌尿系統使用的組織工程支架材料多為可降解材料，目前這方面研究和使材料多為可降解材料，目前這方面研究和使用的材料，主要以天然蛋白、多糖與合成高用的材料，主要以天然蛋白、多糖與合成高聚物雜化的可降解材料。例如：用于肝組織聚物雜化的可降解材料。例如：用于肝組織工程支架的血纖維和聚乳酸，用于泌尿系統工程支架的血纖維和聚乳酸，用于泌尿系統的聚乙醇酸等。的聚乙醇酸等。用于組織工程的新肽生物材料支架用于組織工程的新肽生物材料支架 理想的候選生物材料支架理想的候選生

18、物材料支架 (1)有易于設計和修飾的基本單元；有易于設計和修飾的基本單元； (2)該材料的生物降解速度可調控；該材料的生物降解速度可調控； (3)沒有細胞毒性；沒有細胞毒性； (4)具有能特異促進或抑制細胞具有能特異促進或抑制細胞-材料相互作用的特材料相互作用的特性；性； (5)能引發的免疫反應和炎癥最小；能引發的免疫反應和炎癥最小； (6)材料的生產、純化和處理是容易的并可升材料的生產、純化和處理是容易的并可升 (7)有與水溶液和生理條件的化學相容性。有與水溶液和生理條件的化學相容性。 自然來源的材料自然來源的材料 幾種自然來源的動物產物如基于膠原蛋白的生物支架，它們的衍生物和生物相容性同聚物已用于細胞吸附的支架。 合成的肽生物材料支架合成的肽生物材料支架 合成生物材料的最大優點是他們能被設計成符合特定的需要的東西。通過插入能促進細胞吸附的生物活性基序的例子表明了這樣設計的可塑性 組織工程和修復組織工程和修復 生物材料已廣泛用于組織工程。