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    人造皮肤

 

    3D打印的骨组织工程支架

蜥蜴和壁虎在危急关头可以自主断尾,不日便自愈如初;蝾螈在短时间内可完整再生晶状体、角膜、尾巴、下肢和大部分心脏等器官,且不留疤痕……这些存在于大自然生物中的奇妙能力,令人类既惊叹又羡慕。因为人类没有这种自主修复机体较大损伤的能力。大多数情况下,当疾病、创伤给人体造成较大损伤时,人类都无法像蝾螈等动物一样实现完整的自我修复和愈合。但是,人类拥有这个星球上最发达的大脑、科学和技术,组织工程技术的出现和发展,让人类拥有了“再生”的能力。

组织工程的先驱是美国的小儿外科医生Joseph P. Vacanti教授和化学生物工程师Robert Langer教授,他们从20世纪80年代开始进行组织工程研究,1993年首先在世界著名的《科学》杂志上介绍了其研究成果。而“组织工程”这一术语的正式提出,则是由著名美籍华裔科学家Y. C. Fung教授实现的。1987年,“组织工程”一词被美国国家科学基金会正式确定下来。

组织工程是什么

组织工程(Tissue Engineering)属于再生医学领域,是一个多学科交叉的研究领域,充分应用材料科学、生物科学、基础医学的原理,开发制造出具有生物活性的组织或器官替代物,用于保持、替代、修复甚至加强病变组织器官的功能。

组织工程有三要素:细胞、支架材料、生长因子。细胞(种子细胞)是一切生物组织的基本结构单元;支架材料是用于支撑细胞成长为一个完整组织的框架材料;生长因子用于引导和协调组织内细胞活动,包括各种蛋白质因子和电信号等。

组织工程的核心是种子细胞,包括胚胎干细胞、造血干细胞、神经干细胞、骨髓间充质干细胞等。我们比较熟悉的是造血干细胞。20世纪80年代以来,分子生物学、生物医用材料、细胞克隆和单克隆抗体等技术的发展和成熟,使得造血干细胞移植(HSCT)技术得到了飞速发展,成为治愈白血病、淋巴瘤、多发性骨髓瘤等血液系统恶性疾病、良性疾病及某些实体肿瘤的重要方法之一。我国从1998年开始将造血干细胞用于治疗各种恶性和非恶性血液病。

不可或缺的载体

组织工程的载体是组织工程支架。支架材料在组织工程中处于非常重要的地位,一直是国内外组织工程研究中的热点和难点。

组织工程支架的作用主要包括以下几方面:引导细胞到预定位置,给工程化组织限定一定的空间;为特定的细胞提供结构支撑作用,抗击压力等外力,在体内维持组织形状和骨架完整性;模板作用,为细胞提供附着场所,减少细胞失活,并引导特殊的细胞功能和调节细胞间的相互作用;引导组织再生和控制组织结构,并构成宿主免疫系统分子的物理障碍,避免人体免疫反应。

常用的组织工程支架材料有人工合成和天然两大类。人工合成类支架材料主要有水凝胶、生物可降解高分子、人工血管支架材料等;天然材料主要包括胶原、纤维蛋白、多糖等。

相关生物医用材料

骨组织工程支架

早期的人工骨支架材料都是非生物降解型的,这类材料有高聚物(碳素纤维、涤纶、特氟隆)、金属材料(不锈钢、钴基合金、钛合金)、生物惰性陶瓷(氧化铝、氧化锌、碳化硅)、生物活性陶瓷(生物玻璃、羟基磷灰石、磷酸钙)等。这些材料的特点是机械强度高(耐磨、耐疲劳、不变形等),存在生物惰性(耐酸碱、耐老化、不降解)。

非生物降解型材料存在二次手术问题,所以科学家开始研究使用可生物降解并具有生物活性的材料。这类材料有纤维蛋白凝胶、胶原凝胶、聚乳酸、聚醇酸及其共聚体,聚乳酸和聚羟基酸类,琼脂糖、壳聚糖和透明质酸等多糖类。

神经组织工程支架材料

以往用于桥接神经缺损的神经套管材料有硅胶管、聚四氟乙烯、聚交酯、壳聚糖等。如以硅胶管为外支架,管内平行放置8根尼龙钱作为内支架的“生物性人工神经移植体”。目前用于人工神经导管研究的可降解吸收材料有聚乙醇酸(PGA)、聚乳酸(PLA)及它们的共聚物等。

血管组织工程支架材料

最早的外层材料一般为尼龙、聚酯等无纺布或无纺网。目前,该类材料应用较多的为胶原或明胶蛋白包埋的或表面处理的可降解材料的无纺网,如聚乳酸、聚羟基酸和多肽等的无纺布或无纺网。

皮肤组织工程支架材料

目前常用作组织工程皮肤支架材料的天然高分子有甲壳素、壳聚糖、海藻酸盐、胶原蛋白、葡聚糖、透明质酸、明胶、琼脂等。因为其本身具有相同或类似于细胞外基质的结构,可以促进细胞的黏附、增殖和分化。

总体来看,天然材料来源较为广泛,制作简单,且价格低廉,但存在力学性能较差、抗原性消除不确定、降解速率不易控制等问题。

聚合物共混是一种为组织工程提供新型理想材料的有效方法,已成为目前组织工程生物材料研究的热点。近年来提出的复合材料有海藻酸钠/壳聚糖、胶原/壳聚糖、胶原/琼脂糖、壳聚糖/明胶、壳聚糖/聚己内酯、聚乳酸/聚乙二醇等。

其他组织工程材料

包括肌腱和韧带组织工程材料,角膜组织工程支架材料,肝、胰、肾、泌尿系统组织工程支架材料等。

未来市场可期

根据BCC Research调研数据显示,2015年全球组织工程材料的市场规模为99.64亿美元,2016年全球组织工程材料的市场规模为136亿美元,预计到2021年,该市场规模将达608.29亿美元,总年复合增长率为34.9%。

2015年全球组织工程材料市场主要分布在北美和欧洲,分别占据全球总数的约51%和37%。其中,年复合增长率最高的地区为亚洲和大洋洲,高达41.9%。

全球范围内,组织工程领域相关专利美国所占份额最大,高达25.2%,其次是专利合作条约成员国(PCT),占比23.6%。

组织工程领域需求强烈且市场空间巨大。由创伤和慢性疾病导致的组织或器官功能障碍或丧失的病例在全球范围占比越来越大,而组织工程在修复和治疗这些疾病和缺陷方面有着独特的优势,这将推动组织工程进一步发展;纳米技术的发展使得组织工程三要素之一的支架材料性能显著提升;干细胞技术的发展则极大地扩展了细胞源,使得组织工程三要素之一的细胞进一步多元丰富;手术技术及相关医疗器械的发展使组织工程在研究和应用方面更加便捷。

组织工程在过去的30多年间得到了迅猛发展,但不可否认的是,该领域仍然是一个十分年轻、困难重重、充满挑战的学术领域。组织工程的进一步发展关键在于技术的突破和形成易于商业化的产品。目前,该领域仍存在一些较难克服的壁垒,例如:治疗费用较为昂贵,产品在严格的管理法规和伦理约束下很难进入市场,关键技术难以突破等。

但我们仍有理由期待,不远的将来,组织工程技术可以成为常规的治疗手段,造福更多的生命,实现人类的“再生”梦。


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