曹成波，吳克安，王振芳，鄒玉萍
(山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，山東濟(jì)南250061)
The present situation and development in scaffolds of skin tissue engineering
CAO Cheng-bo, WU Ke-an, WANG Zhen-fang, ZOU Yu-ping
(Chemistry and Chemical School, Shandong University, Ji’nan 250061, China)
Abstract：Scaffolds provide growth environment for cells and play an important role in skin tissue engineering, so they are one of the most important parts in artificial skin studies. The present situation and development in polymer scaffolds and biomaterial scaffolds are briefly summarized. In the former fields, a tri-layer membrane system for artificial skin was prepared by grafting N-isopropyl acrylamide onto the surface of the polyethylene. Grafting the glycin-arginine-aspartic amino acid sequence (RGD) to the surface of polymer scaffold would enhance the cell adhesions, such as PLLA, PGA, PLGA. In the latter fields, researchers put emphases on strengthening the tensile strength of collagen by chemical and composited method. Sang Bong Lee et al. has prepared porous scaffolds composed of gelatin and β-glucan by using the freeze-drying method. Constantia E, Kast et al. has prepared the chitosan-thioglycolic acid (chitosan-TGA) conjugate as scaffolds. Some researchers has explored new composite scaffolds. Semi-interpenetrating polymer networks (SIPNs) composed of silk fibroin(SF) and a poly(ethylene glycol) (PEG) diacrylate macromer were synthesized and characterized by H. Y. KWEON et al. According to the new development trends, we put forward to several research focus: to study the interactivity mechanism between the scaffolds and cells; to empolder bioactivity polyester scaffolds by surface bionics technique; to enhance the penetrability of acellular dermal matrix to promote the blood vessel growth, to empolder structure bionic scaffolds and composited scaffolds.
Key words：skin tissue engineering；scaffolds；polymer；chitosan；collagen
摘要：支架材料在人工皮膚的構(gòu)建中起關(guān)鍵作用，按化學(xué)性質(zhì)可分為合成類和生物類。前者主要研究通過表面仿生技術(shù)開發(fā)具有生物活性的聚酯類支架材料；后者主要研究用交聯(lián)或與聚合物膜復(fù)合的方法來提高膠原的力學(xué)性能，用化學(xué)方法對殼聚糖進(jìn)行改性，提高脫細(xì)胞真皮基質(zhì)的滲透性和血管化速度。新的研究重點(diǎn)為：支架材料表面與細(xì)胞的相互作用機(jī)理、制備結(jié)構(gòu)仿生支架材料及復(fù)合型支架材料。
關(guān)鍵詞：皮膚組織工程；支架材料；聚酯；殼聚糖；膠原
中圖分類號：Q81 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
文章編號：1001-9731（2004）增刊-2314-03
1 引言
隨著組織工程二十幾年的發(fā)展，第三代生物材料的設(shè)計已經(jīng)逐漸成為研究主流，即從分子水平上控制材料與細(xì)胞間的相互作用，從而引發(fā)特異性細(xì)胞反應(yīng)[1]。皮膚組織工程支架材料的研究及其優(yōu)選是人工皮膚的重要研究內(nèi)容之一，按化學(xué)性質(zhì)可將其分為合成類與生物類，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)分別綜述其研究現(xiàn)狀及其發(fā)展并提出其新的研究重點(diǎn)。
2 合成類皮膚組織工程支架材料
目前，合成類支架材料中主要是聚交酯、聚內(nèi)酯、聚羥基烷酸酯、聚碳酸酯類等聚酯類支架材料，其中聚乳酸（PLA）、聚L乳酸（PLLA）、聚羥基乙酸（PGA）、乳酸和乙醇酸的共聚物（PLGA）是研究的熱點(diǎn)，并已被美國FDA批準(zhǔn)用于人工皮膚中[2]。Nam等人以碳酸氫銨為致孔劑制備出了高孔隙率的PLLA多孔海綿支架，其內(nèi)部的貫穿孔平均尺寸約為200μm左右。他們還以二噁烷/水溶劑體系調(diào)控?zé)嵴T發(fā)相分離的各種參數(shù)制備出不同孔徑的PLLA、PLGA、PDLLA等支架材料[3]。美國Advanced Tissue Science公司以聚乳酸為支架材料，在其中培養(yǎng)新生兒包皮分離的成纖維細(xì)胞形成活性人工真皮TransCyte,并已經(jīng)FDA批準(zhǔn)用于2~3度燒傷[4]。國內(nèi)，王新文等人在多孔聚乳酸海綿中接種皮膚成纖維細(xì)胞構(gòu)建組織工程真皮，觀察細(xì)胞在材料上的生長、增殖及分泌情況，實驗證明聚乳酸能支持皮膚成纖維細(xì)胞正常的生理代謝和分泌[5]。王身國等人通過分子設(shè)計，采用一定比例的乳酸（或丙交酯）與乙交酯、已內(nèi)酯進(jìn)行無規(guī)或嵌段共聚，合成了聚乙交酯－丙交酯（PLGA）、聚丙交酯－已內(nèi)酯－聚乙二醇（PCLE）等聚酯類支架材料，經(jīng)本體和表面改性后其細(xì)胞親和性明顯提高[6]。合成支架材料抗張強(qiáng)度高、降解速率和微結(jié)構(gòu)容易在合成過程中控制，而且容易大規(guī)模生產(chǎn)，但其最大的缺點(diǎn)是缺乏細(xì)胞識別信號，不利于細(xì)胞粘附及特異基因的激活。隨著人們對細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)相互作用的認(rèn)識，人們已經(jīng)認(rèn)識到整連蛋白在細(xì)胞與支架材料的粘附與遷移、細(xì)胞的生死和形貌等方面中起重要作用[7]。合成類支架材料新的研究方向是通過生物材料的表面仿生工程技術(shù)實現(xiàn)增強(qiáng)其細(xì)胞表面活性。如用一定的方法將細(xì)胞膜表面受體的特異識別位點(diǎn)(甘氨酸-精氨酸-天冬氨酸序列)即RGD序列接枝到合成材料表面，以增加合成支架材料表面的細(xì)胞生物活性[8]。
3 生物類皮膚組織工程支架材料
膠原凝膠和膠原海綿是經(jīng)典的人工皮膚支架材料，但它們的缺點(diǎn)就是力學(xué)性能差。美國Integra Life Science公司開發(fā)的人工皮膚產(chǎn)品Integra 的下層是2mm厚的牛膠原和氨基多糖多孔膜，上層是0.22mm厚的有機(jī)硅橡膠膜。這種產(chǎn)品已經(jīng)在3度或更重的燒傷治療中得到廣泛的臨床試驗，它能夠明顯縮短創(chuàng)面的愈合時間[9]。Organogenesis 公司研制的人工皮膚Apligraf是以牛肌腱膠原提取的膠原蛋白為支架材料，其中培養(yǎng)了成纖維細(xì)胞，它是具有雙層結(jié)構(gòu)的人工皮膚，但缺點(diǎn)是力學(xué)性能差，不易于手術(shù)操作[10]。國內(nèi)，楊珺等人用新鮮豬皮提取的膠原與硫酸軟骨素混合，經(jīng)真空干燥方法制備膠原海綿膜片，并以此為支架材料進(jìn)行了表皮細(xì)胞的體外培養(yǎng)實驗，結(jié)果顯示人表皮細(xì)胞可以在此種膠原海綿支架材料上生長、增殖和融合成片[11]。人們對膠原膜的研究重點(diǎn)主要在用交聯(lián)或與聚合物膜復(fù)合的方法來提高它的力學(xué)性能，最近Sang Bong Lee等制備了含β-葡聚糖的膠原海綿，用1-乙基-3-（3-二甲氨基丙基）碳二亞胺交聯(lián)，并研究了它對成纖維細(xì)胞與表皮細(xì)胞生長情況的影響[12]。S.Suzuki等人將一層硅膠附在一層膠原海綿上制備的人工皮膚，厚度只有0.2mm就能達(dá)到較高的機(jī)械強(qiáng)度，且手術(shù)后引起的皮膚收縮較小[13]。
殼聚糖具有活化巨噬細(xì)胞、誘導(dǎo)免疫調(diào)節(jié)因子的表達(dá)等功能，其結(jié)構(gòu)中含有可衍生化的活性羥基氨基，正電荷密度高，有利于細(xì)胞的粘附，所以殼聚糖是一種良好的組織工程支架材料[14]。最近研究多是用化學(xué)方法對其改性，如Constantia E. Kast等人用巰基乙酸對殼聚糖進(jìn)行改性提高其降解性，經(jīng)過培養(yǎng)鼠成纖維細(xì)胞的對比試驗發(fā)現(xiàn)，鼠成纖維細(xì)胞在改性后的支架材料表面更密集，說明了巰基對細(xì)胞生長沒有不良影響[15]。海藻酸鹽是陰離子型線性多糖，具有良好的生物相容性。Cho等人偶聯(lián)制備了半乳糖化殼多糖（GC）的海藻酸鈣多孔支架材料，并研究了GC的分子量對海藻酸鈣孔隙結(jié)構(gòu)的影響[16]。殼多糖和海藻酸鈣等多糖類支架材料缺乏細(xì)胞識別位點(diǎn)，不具備細(xì)胞行為的引導(dǎo)能力，所以若在多糖類支架材料引入細(xì)胞識別位點(diǎn)或與膠原復(fù)合[17]，可增強(qiáng)其與特定細(xì)胞的相互作用，促進(jìn)細(xì)胞發(fā)揮遷移、增殖和特定基因表達(dá)的功能。
脫細(xì)胞真皮基質(zhì)是目前研究的熱點(diǎn)，美國已用脫細(xì)胞尸體皮或豬皮為支架材料制備了人工皮膚，如Lifecell 公司開發(fā)了脫細(xì)胞尸體皮人工皮膚Alloderm,它的優(yōu)點(diǎn)是力學(xué)性能好，抗原性低，缺點(diǎn)是材料來源非常有限且有傳染某些疾病的危險，所以他們又試用豬皮代替尸體皮來制備脫細(xì)胞真皮基質(zhì)[12]。我國的科研人員對無細(xì)胞真皮基質(zhì)的制備、細(xì)胞培養(yǎng)及臨床應(yīng)用作了大量的研究，肖仕初等人研究表皮細(xì)胞在異種無細(xì)胞真皮基質(zhì)的生長情況，認(rèn)為異種無細(xì)胞真皮可用于含表皮細(xì)胞的活性復(fù)合皮體外構(gòu)建[18]。提高脫細(xì)胞真皮基質(zhì)的滲透性、促進(jìn)血管化是目前研究的熱點(diǎn)[19]。
還有研究者用其它生物材料制備皮膚組織工程支架材料，如H.Y. Keon等人用聚乙烯基乙二醇對蠶絲進(jìn)行表面改性制備了一種新型的支架材料[20]，最近國內(nèi)也有用絲蛋白成功研制人工皮膚的報道。Ching-Hua Sut等人試用真菌菌絲制備人工皮膚，并研究了這種新型人工皮膚對創(chuàng)面的愈合和成纖維細(xì)胞的增殖影響[21]。我們課題組已用新的方法開發(fā)了新型的天然三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)膠原作為皮膚組織工程支架材料，它不但保留了膠原纖維的天然三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而且具有良好的滲透性和力學(xué)性能，還復(fù)合殼聚糖以提高支架材料表面生物活性，增強(qiáng)細(xì)胞對膠原纖維的粘附性[22]。
4 結(jié)論
綜上所述，皮膚組織工程支架材料作為細(xì)胞外基質(zhì)，為細(xì)胞的粘附、生長、遷移、增殖和分化，為形成新的皮膚組織提供支架。應(yīng)加強(qiáng)支架材料表面與細(xì)胞的相互作用機(jī)理的研究，對于合成支架材料應(yīng)采用表面仿生技術(shù)在其表面接枝細(xì)胞粘附識別多肽序列，以提高其表面生物活性。膠原類支架材料應(yīng)加強(qiáng)對脫細(xì)胞真皮基質(zhì)的研究，進(jìn)一步提高其滲透性，促使毛血管的長入，同時著重研究在其制備過程中如何保持和提高其生物活性，以制備結(jié)構(gòu)仿生支架材料及復(fù)合型支架材料。
美國已經(jīng)有多個人工皮膚產(chǎn)品，并占據(jù)了許多世界市場份額。日本也計劃兩年內(nèi)實現(xiàn)人工皮膚技術(shù)國產(chǎn)化。我國雖然在皮膚組織工程方面也取得了許多成績，但離人工皮膚的工業(yè)化還較遠(yuǎn)，我國的研究者們應(yīng)該抓住新的發(fā)展機(jī)遇，加快我國人工皮膚的研究，以求早日實現(xiàn)我國人工皮膚的產(chǎn)業(yè)化。
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基金項目：山東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目（Z2003C01）；山東大學(xué)高層次人才引進(jìn)科技專項經(jīng)費(fèi)資助
作者簡介：曹成波（1965－），男，山東招遠(yuǎn)人，教授，博導(dǎo)，主要從事精細(xì)化工新材料的研究。山東大學(xué)校聘關(guān)鍵（一級）崗位教授，國家“百千萬人才工程”第一、二層次人選。（E-mail: cbcao@sdu.edu.cn），Tel: 0531-8393631.
論文來源：中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議,2004年,9月12-16日
