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組織工程材料:支撐人類“再生”夢

作者: 于洋    來源: 中國健康傳媒集團-中國醫藥報 2019-04-09

  蜥蜴和壁虎在危急關頭可以自主斷尾,不日便自愈如初;蠑螈在短時間內可完整再生晶狀體、角膜、尾巴、下肢和大部分心臟等器官,且不留疤痕……這些存在于大自然生物中的奇妙能力,令人類既驚嘆又羨慕。因為人類沒有這種自主修復機體較大損傷的能力。大多數情況下,當疾病、創傷給人體造成較大損傷時,人類都無法像蠑螈等動物一樣實現完整的自我修復和愈合。但是,人類擁有這個星球上最發達的大腦、科學和技術,組織工程技術的出現和發展,讓人類擁有了“再生”的能力。

  

  組織工程的先驅是美國的小兒外科醫生Joseph P. Vacanti教授和化學生物工程師Robert Langer教授,他們從20世紀80年代開始進行組織工程研究,1993年首先在世界著名的《科學》雜志上介紹了其研究成果。而“組織工程”這一術語的正式提出,則是由著名美籍華裔科學家Y. C. Fung教授實現的。1987年,“組織工程”一詞被美國國家科學基金會正式確定下來。

  

  組織工程是什么

  

  組織工程(Tissue Engineering)屬于再生醫學領域,是一個多學科交叉的研究領域,充分應用材料科學、生物科學、基礎醫學的原理,開發制造出具有生物活性的組織或器官替代物,用于保持、替代、修復甚至加強病變組織器官的功能。

  

  組織工程有三要素:細胞、支架材料、生長因子。細胞(種子細胞)是一切生物組織的基本結構單元;支架材料是用于支撐細胞成長為一個完整組織的框架材料;生長因子用于引導和協調組織內細胞活動,包括各種蛋白質因子和電信號等。

  

  組織工程的核心是種子細胞,包括胚胎干細胞、造血干細胞、神經干細胞、骨髓間充質干細胞等。我們比較熟悉的是造血干細胞。20世紀80年代以來,分子生物學、生物醫用材料、細胞克隆和單克隆抗體等技術的發展和成熟,使得造血干細胞移植(HSCT)技術得到了飛速發展,成為治愈白血病、淋巴瘤、多發性骨髓瘤等血液系統惡性疾病、良性疾病及某些實體腫瘤的重要方法之一。我國從1998年開始將造血干細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,一直是國內外組織工程研究中的熱點和難點。

  

  組織工程支架的作用主要包括以下幾方面:引導細胞到預定位置,給工程化組織限定一定的空間;為特定的細胞提供結構支撐作用,抗擊壓力等外力,在體內維持組織形狀和骨架完整性;模板作用,為細胞提供附著場所,減少細胞失活,并引導特殊的細胞功能和調節細胞間的相互作用;引導組織再生和控制組織結構,并構成宿主免疫系統分子的物理障礙,避免人體免疫反應。

  

  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。

  

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3D打印的骨組織工程支架


  相關生物醫用材料

  

  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。這些材料的特點是機械強度高(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問題,所以科學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、殼聚糖和透明質酸等多糖類。

  

  神經組織工程支架材料

  

  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。如以硅膠管為外支架,管內平行放置8根尼龍錢作為內支架的“生物性人工神經移植體”。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(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。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,如聚乳酸、聚羥基酸和多肽等的無紡布或無紡網。

  

  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、透明質酸、明膠、瓊脂等。因為其本身具有相同或類似于細胞外基質的結構,可以促進細胞的黏附、增殖和分化。

  

  總體來看,天然材料來源較為廣泛,制作簡單,且價格低廉,但存在力學性能較差、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。近年來提出的復合材料有海藻酸鈉/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、泌尿系統組織工程支架材料等。

  

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人造皮膚


  未來市場可期

  

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  根據BCC Research調研數據顯示,2015年全球組織工程材料的市場規模為99.64億美元,2016年全球組織工程材料的市場規模為136億美元,預計到2021年,該市場規模將達608.29億美元,總年復合增長率為34.9%。

  

  2015年全球組織工程材料市場主要分布在北美和歐洲,分別占據全球總數的約51%和37%。其中,年復合增長率最高的地區為亞洲和大洋洲,高達41.9%。

  

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  全球范圍內,組織工程領域相關專利美國所占份額最大,高達25.2%,其次是專利合作條約成員國(PCT),占比23.6%。

  

  組織工程領域需求強烈且市場空間巨大。由創傷和慢性疾病導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,而組織工程在修復和治療這些疾病和缺陷方面有著獨特的優勢,這將推動組織工程進一步發展;納米技術的發展使得組織工程三要素之一的支架材料性能顯著提升;干細胞技術的發展則極大地擴展了細胞源,使得組織工程三要素之一的細胞進一步多元豐富;手術技術及相關醫療器械的發展使組織工程在研究和應用方面更加便捷。

  

  組織工程在過去的30多年間得到了迅猛發展,但不可否認的是,該領域仍然是一個十分年輕、困難重重、充滿挑戰的學術領域。組織工程的進一步發展關鍵在于技術的突破和形成易于商業化的產品。目前,該領域仍存在一些較難克服的壁壘,例如:治療費用較為昂貴,產品在嚴格的管理法規和倫理約束下很難進入市場,關鍵技術難以突破等。

  

  但我們仍有理由期待,不遠的將來,組織工程技術可以成為常規的治療手段,造福更多的生命,實現人類的“再生”夢。(作者:思宇醫械觀察 于洋)


(責任編輯:郭厚杰)

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