生物材料在组织工程学中发挥的作用

生物材料在组织工程学中发挥的作用

MD+DI 访问了 DSM 生物医学公司（荷兰马斯特里赫特）研发及技术总监 Marc Hendriks

，请他谈谈对于生物材料的看法。这篇专题访谈共分四部分，在第一部分中，DSM 生物医学公司（荷兰马斯特里赫特）的 Hendriks 探讨了生物材料在应对医疗领域未来需求方面的巨大潜力，并且思考了生物材料在今后几年中对组织工程学的重要性。Hendriks 还解释了何为“三代生物材料。”

作者: Brian Buntz

2011年12月27日

行业新闻, 生物材料

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MD+DI：您能否简要描述一下生物材料当前以及未来可能对组织工程学发挥的作用？

Hendriks：组织工程和再生医学领域 (TERM) 是最前沿的现代医学领域。外科手术将人体组织移换位置，但由于对新位置的排斥反应，已经产生了生物变化。采用可植入异物材料的技术与不良事件有关，如移位、植入物/组织界面感染、骨折以及随时间推移产生的迁移。个体之间的移植有严格限制，必须能获得足够的捐献组织和器官，但也会产生免疫问题，随着时间的推移可能产生慢性排斥反应和严重破坏。

TERM 包括新的功能性活体组织的制造——无论体外或体内（包括原位）——使用通常与母体或支架相关的生物活性提示（例如，细胞、生长因子、多核苷酸），引导组织发展。直至80年代中期，TERM 才被定义为一个领域。TERM 从几个相互关联、完善的学科，包括细胞和干细

胞生物学、生物化学、分子生物学中吸收了大量新知识，这些学科分别并共同增进了对于复杂活体系统的理解。同样，在材料科学、化学工程和生物工程取得的突破，使活体系统中可合理应用工程原理。TERM可以说属于生命科学材料科学领域。

自从定义了TERM原理，其广泛的医疗和社会经济价值被认可，TERM也已取得了巨大进展。然而，迄今为止，只有相对较少的TERM产品已获得监管部门批准，甚至更少有产品已取得任何意义上的市场渗透。在数以百万计的患者获得可能从中受益的TERM疗法之前，必须克服技术和经济上的发展障碍。

如上所述，实质上，没有专为组织工程和再生医学设计的材料。当致力于设计和开发适合再生医学的生物材料时，再生医学才有发展前景。

TERM可使用多种生物材料形式，可根据使用指示选用，重点关注手术过程或组织发展中的难题。我通常将TERM产品类别根据四个主要材料进行划分：

1、细胞传递生物材料。细胞治疗，即通过对选定、增殖和药理治疗或体外改变的细胞进行管理，预防或治疗人类疾病。细胞管理中的破裂不佳和移植细胞整合，是最大难题。通常认为通过使用聚合物水凝胶，以微创的方式或手术轻便的方法允许注射或微创插入细胞和聚合物组合，可改善疗效。为使有效，水凝胶必须符合一系列设计标准，以发挥正常功能，并促进新组织的形成。这些标准包括物理参数（例如，退化和机械性能）以及生物性能参数（例如，生物相容性和细胞粘附）。不完全符合这些设计标准，可能会导致不良组织的形成。因此，这种生物材料发展的关键是充分了解手术前及手术中的程序和操作。

2、受控交付生长因子生物材料。与细胞治疗相反，使用生长因子（蛋白质或激素）侧重于利用内源性组织的再生潜力。这些物质旨在，在管理层面，调节多种细胞过程：补充、生长、增殖和分化。

第一次需采用弹丸注射——经动物测试有一定疗效——但普遍未经人体临床研究证实。直接交付生长因子可加速组织愈合和增长，但往往是与生长因子的最初爆发和在体内的半衰期短有关。生长因子的失控扩散也可能引起不良的副作用。这就需要利用基于创新材料的技术来更好地控制空间和时间上的交付。

3、组织工程支架材料。TERM 最“简单”的产品类别包括通常加工成能够支持三维组织形成的多孔结构的支架材料。TERM 支架通常有下述用途：

允许细胞粘附和迁移

交付和保留细胞及生化因子

扩散关键细胞营养物质和显性产物

施加一定的机械和生物影响，以改变细胞行为

用于 TERM 产品制造的材料中最受关注的是脂肪族聚酯，如聚（乳酸）(PLA)、聚乙醇酸 (PGA)、聚（ε-己内酯）(PCL) 和聚碳酸酯，如聚（三亚甲基碳酸）(PTMC) 以及它们的共聚物。这些材料一般都支持细胞的粘附和生长。然而，细胞与合成聚合物之间的相互作用不是很强。虽然通过吸附支架表面的蛋白质或者包含生物活性化合物可以促进细胞的黏附，但通常这些聚合物有很高的疏水性，缺乏表面的识别位点，而且除了 PTMC，降解时形成酸性产物。总而言之，这些因素都严重限制了其进一步的应用。

除了这些合成材料，如胶原蛋白或纤维等天然生物材料，壳聚糖和透明质酸等多糖也基于磷酸钙陶瓷和 TERM 中用作支架材料的脱细胞组织。脱细胞基质的使用很可能会扩大，因为他们保留了一套复杂的分子和真实组织的三维结构。然而，脱细胞基质带来了潜在的免疫原性问题，传染性病原体的存在、产物的可变性，以及无法完全指定和表征材料的生物活性成分。

除了材料化学，应当指出的是，创新材料加工技术包括成功建立 TERM 支架所需的卓越能力。例如微挤出和注塑、静电纺丝技术和光刻技术等制造方法，以绝佳的三维分辨率提供支架和三维结构制造的最佳途径，此外还有一些技术甚至能够以定向方式制作具有梯度属性（如多孔和合成）的支架。

4、仿生材料。第四类生物材料包括所谓的“仿生材料”。新的再生策略通过生物纳米技术的应用得到发展。具有特定结构和功能并模仿复杂生物分子的材料提供结构和功能上的基础架构，作为（内源性）细胞基质参与生物信号发送，并可任意地有效提供蛋白质和药物。在应用于临床前已经开发出了不同的材料。这种技术方法具有良好的前景，但目前仍处于发展的萌芽阶段，并有待于在早期临床前阶段过后进行证实。仿生材料是典型的第三代生物交互生物材料，已经在生物材料设计中融入了生物原理。

欲知更多生物材料信息，请查阅Hendriks对以下问题的回答：

您如何看待生物材料在不久的将来以及更长时期内在医疗领域的作用？

您所指的“三代生物材料”是什么？

生物材料研究如何改变矫形外科和心血管器械?