組織工程技術

組織工程主要有軟骨和骨組織構建 、組織工程血管、神經組織工程、皮膚組織工程、口腔組織工程、肌腱韌帶組織工程、眼角膜組織工程和肝、胰、腎、泌尿系統組織工程，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的組織結構與功能關係的基礎上，研究、開發用於修復、維護、促進人體各種組織或器官損傷後的功能和形態的生物替代物的一門新興學科。

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及組織工程的臨牀應用。目前臨牀上常用的組織修復途徑大致有3種：即自體組織移植、異體組織移植或應用人工代用品。

Tissue Growth Technologies致力於提供最先進的三維細胞組織培養生物反應器技術使組織工程的研究更進一步。

組織工程(Tissue Engineering)是近年來正在興起的一門新學科，屬於生物高技術範疇。

組織工程一詞最早是在1987年美國科學基金會在華盛頓舉辦的生物工程小組會上提出，1988年正式定義為：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的組織結構與功能關係的基礎上，研究、開發用於修復、維護、促進人體各種組織或器官損傷後的功能和形態的生物替代物的一門新興學科。

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及組織工程的臨牀應用。目前臨牀上常用的組織修復途徑大致有3種：即自體組織移植、異體組織移植或應用人工代用品。這三種方法都分別存在不足，如免疫排斥反應及供體不足等。組織工程的發展將從根本上解決組織和器官缺損所致的功能障礙或喪失治療的問題。組織工程的核心是建立由細胞和生物材料構成的三維空間複合體，這與傳統的二維結構（如細胞培養）有着本質的區別，其最大優點是可形成具有生命力的活體組織，對病損組織進行形態、結構和功能的重建並達到永久性替代；用最少的組織細胞通過在體外培養擴增後，進行大塊組織缺損的修復；可按組織器官缺損情況任意塑形，達到形態修復。

作為一種新興產業，組織工程具有良好的發展前景和廣闊的應用市場，其商業利潤非常誘人。所以一些研究機構與大公司聯手進行開發研究，僅1997年直接用於組織工程研發的費用就達5億多美元，並以每年22%的速度增長。相信隨着科學技術的發展，組織工程即將或正在成為治療組織、器官衰竭的有效療法和輔助手段。

第一課、組織工程研究內容

組織工程（Tissue Engineering）是近年來正在興起的一門新興學科，組織工程一詞最早是由美國國家科學基金會1987年正式提出和確定的。它是應用生命科學和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結構與功能關係的基礎上，研究、開發用於修復、維護、促進人體各種組織或器官損傷後的功能和形態生物替代物的科學。

組織工程的核心就是建立細胞與生物材料的三維空間複合體，即具有生命力的活體組織，用以對病損組織進行形態、結構和功能的重建並達到永久性替代。共基本原理和方法是將體外培養擴增的正常組織細胞，吸附於一種生物相容性良好並可被機體吸收的生物材料上形成複合物，將細胞-生物材料複合物植入機體組織、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的。

在此，生物相容性好、可被人體降解吸收的組織工程支架材料稱為細胞外基質（ECM），其功能是為細胞提供生存空間，使細胞獲足夠的營養物質，進行氣體交換，並使細胞按預製形態的三維支架生長。在細胞和生物材料的複合體植入機體病損部位後，生物支架被降解吸收，但種植的細胞繼續增殖繁殖，形成新的具有原來特殊功能和形態的相應組織器官。

組織工程是繼細胞生物學和分子生物學之後，生命科學發展史上的又一新的里程碑，它標誌着醫學將走出器官移植的範疇，步入製造組織和器官的新時代。同時，組織工程學作為一門多學科交叉的邊緣學科，將帶動和促進相關高技術領域的交叉、滲透和發展，並由此演化出新的高技術產業。組織工程將是21世紀具有巨大潛能的高技術產業，必將產生巨大的社會和經濟效益。

組織工程的概念一提出，就受到各國學者的廣泛關注，美國在1988年就以基金和資助的形式建立了一系列實驗室。目前，美國已有相當數量的研究機構（包括NASA、DOE、NIH等），許多相關大學（包括MIT、HMS、GIT、UCSD、UMASTFFU）都參與了組織工程的研究。同時，我國的許多學者以敏鋭的科研意識與思維，不約而同掀起了一股組織工程熱，目前已在軟骨、骨、肌腱、血管、皮膚、角膜等領域取得了可喜的進展。組織工程研究包括以前四個方面。

Tissue Growth Technologies致力於提供最先進的三維細胞組織培養生物反應器技術使組織工程的研究更進一步。我們已經擁有了，三維力學加載細胞組織工程培養系統、熒光蛋白標記共聚焦顯微鏡實時觀測軟骨三維應力培養系統、3D血管搏動應力剪切培養系統、3d肌腱韌帶關節滑膜口腔黏膜腸膜牽拉張應力培養生物反應器、三維組織工程神經培養系統、3d心臟瓣膜培養系統、三維骨應力刺激生物反應器、三維皮膚眼角膜力學機械刺激生物反應器、3D灌注培養生物反應器、3d支架培養系統、多樣品三維力學加載細胞組織培養系統等組織工程三維細胞組織培養高科技研究技術與系統。

一、種子細胞研究

種子細胞的培養是組織工程的基本要素，細胞主要來源於自體、同種異體、異種組織細胞等。自體組織細胞應為首選。由於組織工程細胞培養多需要高濃度的細胞接種，自體組織細胞存在着數量上的侷限性及長期傳代後細胞功能老化的問題。現在的研究多集中於以下的幾個方面：

Fischer LJ, McIlhenny S, Tulenko T, Golesorkhi N, Zhang P, Larson R, Lombardi J, Shapiro I, DiMuzio P. Endothelial Differentiation ofadipose-Derived Stem Cells: Effects of Endothelial Cell Growth Supplement and Shear Force. Journal of Surgical Research. 2009 March; 152 (1):157-166.PubMedPMID19883577.

Background

Adipose tissue is a readily available source of multipotent adult stem cells for use in tissue engineering/regenerative medicine. Various growth factors have been used to stimulate acquisition of endothelial characteristics by adipose-derived stem cells (ASC).hereinwe study the effects of endothelial cell growth supplement (ECGS) and physiological shear force on the differentiation of ASC into endothelial cells.

Materials and methods

Human ASC (CD13+29+90+31−45−) were isolated from periumbilical fat, cultured in ECGS media (for up to 3 wk), and exposed to physiological shear force (12 dynes for up to 8 d) in vitro. Endothelial phenotype was defined by cord formation on Matrigel, acetylated-low density lipoprotein (acLDL) uptake, and expression of nitric oxide synthase (eNOS), von Willebrand factor (vWF), andCD31(platelet endothelial cell adhesion molecule, PECAM). Additionally, cell thrombogenicity was evaluated by seedingcanineautologous ASC onto vascular grafts implanted within the canine arterial circulation for 2 wk.

Results

We found thatundifferentiatedASC did not display any of the noted endothelial characteristics. After culture in ECGS, ASC formed cords in Matrigel but failed to take up acLDL or express the molecular markers. Subsequent exposure to shear resulted in stem cell realignment, acLDL uptake, and expression of CD31; eNOS and vWF expression was still not observed. Grafts seeded with cells grown in ECGS (± shear) remained patent (six of seven) at 2 wk but had a thin coat of fibrin along the luminal surfaces.

Conclusions

This study suggests that (1) ECGS and shear promote the expression of several endothelial characteristics in human adipose-derived stem cells, but not eNOS or vWF; (2) their combined effects appear synergistic; and (3) stem cells differentiated in ECGS appearmildlythrombogenic in vitro, possibly related, in part, toinsufficienteNOS expression. Thus, while the acquisition of several endothelial characteristics by adult stem cells derived from adipose tissue suggests these cells are a viable source of autologous cells for cardiovascular regeneration, further stimulation/modifications are necessary prior to using them as a true endothelial cell replacement.

1．載體等技術用於細胞的快速增殖。

2．幹細胞工程幹細胞工程是利用現代生物醫學和組織工程技術，通過對間充質幹細胞、胚胎幹細胞、血管-造血幹細胞、神經幹細胞和皮膚、肌肉等前體細胞，進行體外分離純化、定向誘導分化、轉基因及核移植、大量擴增和整合構建，在體外重構人骨、軟骨、肌肉、肌腱、瓣膜、脂肪、真皮、基質、神經、血管、皮膚、角膜以及造血和免疫等組織。它作為組織工程的“上游”研究，對未來的組織器官修復和替代具有極其重要的作用和深遠的影響。在組織器官的細胞來源、細胞擴增與定向誘導分化、重構組織器官的種類、重構效率、重構組織器官的植入等方面，與傳統的組織工程相比均存在着明顯的不同和優勢。其中骨髓基質幹細胞是一研究熱點。

3．採用各種生長因子和端粒酶調節與延緩細胞的老化。

4．採用各種方法（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，永生化或生命期延長，也是一個努力方向。

但是要建立適於組織工程需要的種子細胞，需要解決以下問題：①增加細胞的增殖能力；②延長細胞的生命期；③提高細胞的分泌能力；④優選不同組織來源的同一功能的最佳細胞；⑤建立標準細胞系，使研究工作有更好的可比性和科學性；⑥同種異體與異種移植的免疫學；⑦細胞與人工細胞外基質的相互作用及影響因素。

採用同種異體細胞來源，在目前僅對少數組織細胞（如軟骨組織的組織工程培養）有望獲得成功。

Wendt, D., et. al. . 2006. Biorheology. Uniform tissues engineered by seeding and culturing cells in 3D scaffolds under perfusion at defined oxygen tensions. 43 (3-4): 418-488.......

In this work, we assessed whether culture ofuniformlyseededchondrocytesunder direct perfusion, which supplies the cells with normoxic oxygen levels, can maintain a uniform distribution of viable cells throughout porous scaffolds several milimeters in thickness, and support the development of uniform tissue grafts. An integrated bioreactor system was first developed tostreamlinethe steps of perfusion cell seeding of porous scaffolds and perfusion culture of the cell-seeded scaffolds. Oxygen tensions in perfused constructs were monitored by in-line oxygen sensors incorporated at the construct inlet and outlet. Adult humanarticularchondrocytes were perfusion-seeded into 4.5 mm thick foam scaffolds at a rate of 1 mm/s. Cell-seeded foams were then either cultured statically in dishes or further cultured under perfusion at a rate of 100 μm/s for 2 weeks. Following perfusion seeding, viable cells were uniformly distributed throughout the foams. Constructs subsequently cultured statically were highly heterogeneous, with cells and matrix concentrated at the constructperiphery. In contrast, constructs cultured under perfusion were highly homogeneous, with uniform distributions of cells and matrix. Oxygen tensions of the perfused medium were maintained near normoxic levels (inlet ≅ 20%, outlet＞15%) at all times of culture. We have demonstrated that perfusion culture of cells seeded uniformly within porous scaffolds, at a flow rate maintaining a homogeneous oxygen supply, supports the development of uniform engineering tissue grafts of clinically relevant thicknesses.

在這項工作中，我們評估直接灌

二、細胞外基質的研究

細胞外基質（extracelluarmatrix,ECM）包括均質狀態的基質（蛋白多糖、糖蛋白）和細絲狀的膠原纖維。ECM是細胞附着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。

理想的ECM應具有以下特點：①生物相容性好，在體內不引起炎症反應和毒性反應；②有可吸收性，能徹底地被自身組織所取代；③有可塑性，可塑為任意的三維結構，植入後在體內仍可保持特定形狀；④表面化學特性和表面微結構利於細胞的粘附和生長；⑤降解速率可根據不同細胞的組織再生速率而進行調整。

目前組織工程所應用的材料很多，主要分為以下幾類：

1．天然ECM早期人們採用膠原製作人工皮和血管的模型，由於膠原存在着力學性質差，不穩定，在體內被吸收過快等缺點，限制了它的應用。現在主要研究集中於採用脱細胞技術製造天然的ECM，其優點在於可以作為組織充填物而長期存在，有較好的組織相容性和親和性，完整的天然ECM內可能存在着某些複合生長因子，可誘導調節細胞的生長、繁殖、分化等。

Shinoka, T. 2002. Artificial Organs. Tissue Engineered Heat ValVES: Autologous Cell Seeding onbiodegradablePolymer Scaffold. 26(5): 402-406.

2．人工的ECM目前研究最多的有聚乳酸（polylacticacidPLA）、聚羥基乙酸（polyglycolicacidPGA）、兩者的共聚物（PGA-PLA）、聚ρ-羥基丁酯（PHB）；聚乳酸-已內酯的共聚物（PCL）、聚原酸酯、聚磷本酯、聚酸酐等。這些材料的共同特點是：具有生物相容性及可塑性，在體內可逐步分解為小分子如乳酸、羥基乙酸等，目前研究主要集中於人工材料的改性、複合某些生長因子等。儘管這些聚合物植入體內會出現或多或少炎症反應，但有望通過進一步的純化而減弱或消失。

3．天然高分子同合成高分子的復全物如膠原-PCA的複合特等。

4．有機材料同無機材料的複合物

如羥基磷灰石-甲殼素的複合物，羥基磷灰石-PLA的複合物等。

Willenberg,B.J., et al. 2006. Journal of Biomaterials Res A. Self-assembled copper-capillary alginate gel scaffolds with oligochitosan support embryonic stem cell growth. 79(2): 440-50.

三、組織器官的構建

組織和器官的構建因應用於不同的方面，方法也不相同。但其本質都是把種子細胞與支架材料結合得到設計的組織或器官。在此，僅以組織工程骨的構建和血管的構建為例。

1．骨組織構建

構建組織工程骨的方式有幾種：①支架材料與成骨細胞；②支架材料與生長因子；③支架材料與成骨細胞加生長因子。

生長因子通過調節細胞增殖、分化過程並改變細胞產物的合成而作用於成骨過程，因此，在骨組織工程中有廣泛的應用前景。常用的生長因子有：成纖維細胞生長因子（FGF）、轉化生長因子（TGF-ρ）、胰島素樣生長因子（IGF）、血小板衍化生長因子（PDGF）、骨形態發生蛋白（BMP）等。它們不僅可單獨作用，相互之間也存在着密切的關係，可複合使用。目前國外重點研究的項目之一，就是計算機輔助設計並複合生長因子的組織工程生物仿真下頜骨支架。有人採用rhBMP-膠原和珊瑚羥基磷灰石（CHA）復骨誘導性的骨移植、修復大鼠顱骨缺損，證實了複合人工骨具有良好的骨誘導性和骨傳導性，可早期與宿主骨結合，並促進宿主骨長大及新骨形成。用rhBMP-膠原和珊瑚複合人工骨修復兔下頜骨缺損，結果顯示：

2個月時，複合人工骨修復缺捐贈的交果優於單純珊瑚3個月時，與自體骨移植的修復交果無明顯差異。

目前，用組織工程骨修復骨缺損的研究，已從取材、體外培養、細胞到支架材料複合體形成等都得到了成功。有人用自體骨髓、珊瑚和rhBMP-2複合物修復兔下頜骨缺損，結果表明：術後3個月，單獨珊瑚組及空白對照組缺損未完全修復；珊瑚-骨髓組和珊瑚-rhBMP-2組及單獨骨髓組已基本修復了缺損；而骨髓、珊瑚和rhBMP-2複合物組在2個月時缺損即可得到修復。我們用骨基質成骨細胞與松質骨基質複合物自體移植修理工復顱骨缺損的動物實驗，也取得了滿意的治療效果。

帶血管蒂的骨組織工程是將骨細胞種植於預製帶管蒂的生物支架材料上，將它作為一種細胞傳送裝置。我們將一定形狀的thBMP-2、膠原、珊瑚複合物植入狗髂骨區預製骨組織瓣，3個月時，複合物已轉變成血管化骨組織。

組織工程骨的構建又可以分為體內構建和體外構建兩種形式，體內構建是將成骨細胞-支架複合物植入體內，修復骨缺損。體外構建則是通過體外組織培養的方法應用水降解支架材料，接種成骨細胞，構建骨組織。體外構建雖然具有一些在體內構建難以實現的優點，但是在傳統的靜態培養條件下不能建造出厚度大於0.7cm的骨組織。生物反應器和灌注培養系統的先後出現，改善了細胞、組織在體外培養的條件，有助於模擬體內環境、獲得營養、排除代謝產物和物質交換，和促進組織工程產品實現商品化。

2．組織工程血管構建

構建組織工程血管有兩種：①用正常動脈壁細胞與細胞外基質重建血管；②用正常血管壁細胞、細胞外基質和可降解材料構建血管。

血管壁中切取彈性基膜，並在其上培養鼠動脈平滑肌細胞；或用工型膠原製備基質材料與各型血管壁細胞成分合成血管模型。首先將平滑肌細胞與成纖維細胞分別培養形成細胞層，將成纖細胞層脱水去細胞形成內膜（IM），再將內膜繞在中軸上，外裹平滑肌細胞和成纖細胞層，經過體外8周長時間成熟後，內壁注入內皮細胞使之內皮化。各項檢測及動物實驗，結果從機械強度、血液相容性、可縫合性等方面效果滿意。但整個製備過程需長時間的成熟期，約需3個月作用，其後期效果有待進一步觀察。

由於生物基質材料機械性能差，隨着可降解材料的研究深入，使其成為組織工程再造血管的一大熱點材料，常用的有聚羥基乙酸（PGA）、聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PLLA）等。Kim在PGA網格中，通過靜態、動態、旋轉接種三種方法種植平滑肌細胞，培養血管平滑肌組織。N iklason將平滑肌細胞種植於管狀PGA材料中，在模擬血管搏動的環境中培養8周，使之形成成熟的平滑肌組織，內膜層接種內皮細胞後，再在相同的環境中培養8周，形成的組織工程血管可耐受2000mmHg壓力，縫合強度達90g，膠原含量達50%。

血管模型對特定藥物具有收縮反應，平滑肌細胞還表現出分化特性。

組織工程再造血管具有高度生物相容性、可塑性、異物反應小、無致血栓生成、無感染等特點，並且隨着組織的長大，最終可成為完全説明書義上的自體血管。這一研究將給心血管疾病的治療，乃至組織器官的移植與再造帶來曙光。

四、組織工程臨牀應用

組織工程中臨牀應用是在組織構建完成了動物試驗之後，在人體上的應用，這也是組織工程的最後一步。目前，組織工程的研究只有活性皮膚達到了這一步。

第二課、組織工程支架材料

可以看到，用於組織工程的生物材料—組織工程支架材料是組織工程的基礎，是組織工程領域中的一個不可或缺的環節，因此組織工程支架材料自然形成了組織工程的一大分支。

近年來，組織工程支架材料這一領域的研究極為活躍，人們不僅在組織工程的最早產品人工皮膚領域進行了更為完善聽研究和開發，同時，在諸如人工骨、軟骨、神經、血管材料等各系統，都進行了大量的研究和控索。

組織工程支架材料是根據材料用於不同人體組織，並根據具體替代組織具備的功能所設計的。組織工程支架材料包括：骨、軟骨、血管、神經、皮膚和人工器官，如肝、脾、腎、膀胱等的組織支架材料。下面分別對這些組織工程支架材料加以敍述。

一、骨組織工程支架材料

1、人工骨的支架材料功能

人的骨頭在人體中起一支撐人體重量，維持人體力學平衡的功能，因此，人工骨的組織工程支架材料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，以保證材料植入人體後，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，並可被人體降解吸收。

在組織工程出現以前的第一種功能的材料為非降解性材料，僅起到支撐固定的作用。存在的一個問題是：在骨頭癒合後，必須進行第二次手術取出這種材料。

第二種功能的材料主要是給細胞提供三維生長空間，其本身具有生活性，可誘導細胞分化生長和血管的長入，以形成活的骨組織，使其具有人骨的功能和作用。

以上兩面三刀個對骨支架材料要求的條件可以歸結為：組織工程支架材料是具有一定強度並具有生物活性的可降解材料。

2、人工骨支架材料研究進展

人工骨支架材料可分為兩類，即生物降解和非生物降解型。

Jones, D., et. al. 2009. A Versatile Approach to Scaffold Design for Bone in Growth Structures. Clinical Engineering, School of Clinical Sciences, University of Liverpool, UK

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（不鏽鋼，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、耐疲功、不變形等，生物惰性，耐酸鹼、耐老化、不降解）。但存在二次手術問題，因此人們開始研究使用可生物降解並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。

目前研究和使用的骨組織支架材料是降解材料或降解和非降解材料的結合。

Klein TJ, Malda J, Sah RL, Hutmacher DW, Tissue Engineering of Articular Cartilage with Biomimetic Zones. Tissue Engineering Part B. 2009 Feb 9 PubMed PMID 19203206.

二、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佈，分泌NTFs等發揮神經營養作用，並表達CAM、分泌ECM，支持引導軸突出再生。

以往用於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”。

目前用於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。也有用聚丙烯腈（PAN）和聚氯乙烯（PVC）的共聚物製作神經導管，內壁具有半透膜性質，僅能允許分子量小於50KD的物質通過，使再生軸突能從導管外獲取營養物質和生長因子，並避免纖維疤痕組織的侵入。但因其不能降解，在完成引導再生軸突通過神經缺損段之後，仍將長期留存於體內，有可能對神經造成卡壓。

戴傳昌、曹誼林製備了聚羥基乙酸（PGA）纖維支架，其上接種體外培養擴增的雪旺細胞（SC）形成一種組織工程化周圍神經橋接物。沈尊理等則利用生物可吸收纖維PDS作為膠原神經導管內部的三維支架結構，種植雪旺細胞，形成一種人工神經。葉震海、顧立強利用自行研製的PLA管作為外圍的神經導管，以生物可吸收縫線PGA纖維作為內部縱行三維支架結構，種植SC；發現SC可以貼附於PLA管壁、PGA纖維生長，引導再生軸突生長向前。

選擇適宜的生物材料，使SC與生物材料粘附，加入生長因子，對細胞外基質與可降解吸收生物材料經體外培養，在體內預製呈類似神經樣SC基膜管結構（眾多縱行中空管獎結構），使人工神經血管化或預製帶血管蒂，並保證SC存活、增殖並有活性，這此將成為今後的研究熱點。

神經修復的組織工程支架材料一類是取自於自體的神經、骨骼肌、血管、膜管的天然活性材料，另一類是非生物活性材料，例如脱鈣骨管、尼龍纖維管、硅膠管、聚氨酯等。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，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。

（2）要保證其有理想的雙層結構：外層提供必要的強度，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起屏障作用的緊密結構。因此，神經修復所用支架材料一般為：外層是強度大、降解速率慢的可降解材料，內層為具細胸生長活性的降解材料。用於神經修復的內層材料多為膠原和多糖。目前研究和使用的多為膠原和聚乳酸的雜化材料。

三、血管組織工程支架材料

血管支架材料類似於神經支架材料，其結構上也分為雙層，但內層不同於神經支架材料的是其為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，同時還要具有抗凝血和抗容血作用。這類材料一般為經過表面修飾的降解材料，外層材料必須為保證內層材料細胞生長提供一定的支撐強度、抗拉強度和韌性。

1、血管支架材料的類型

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，例如：聚乳酸、聚羥基酸和多肽等的無紡布或無紡網等。

2、血管支架材料的研究進展

20世紀50年代問世的Dacron是最早應用的人工血管，由於它對凝血系統有激活作用而只能對大口徑血管有較短的替代作用。以後又開發利用四氟乙烯（PTFE）、聚氨基甲酸乙酯（Poroussegmented Polyurethane）、膨體聚四氟乙烯（e-PTFE）等，並通過多種方法改變材料的物理性狀、表面特點，以達到血管植入的要求。

（1）人工材料上打孔，使之形成多微孔結構，一者提高材料的順應性，與自體血管彈性相匹配，二者使用周圍毛細血管內皮細胸通過微孔長入內膜層，覆蓋內表面。Alexander.w.Clowes證實60pePTFE移植後形成內皮細胞層，主要依靠周圍毛細血管經微孔處長大，而不是吻合口兩端內皮細胞的延伸生長，（兩端的延伸僅約2cm），並指出完整的內膜層會減少平滑肌的過度增和。Matsuda採用激光在聚氨基甲酸乙酯膜上打孔，促進內皮細胞的爬行覆癧。

（2）採用各種可降解塗層以減輕血小板及血細胞的粘集，並希望隨着塗層逐步降解，內皮細胸逐步爬行覆蓋。Satoshiniu等採用多聚環氧化合物做交聯劑，在人工血管上形成明膠－肝素塗層抑制血小板的聚集、纖維素的形成，同時利於吻合口內膜的長入。Himyukinkito在血管假體內表面塗布硫痠軟骨素（CS）及透明質酸（HA），外表面塗以明膠層，以達到內表面抗血小板、血細胞吸附，外表面吸引周圍組織長入的目的。ArumaN在內膜剝脱的血管周圍放置浸有內皮細胞的明膠海綿，利於內皮細胞的遷移及旁分泌等作用減少內膜的增生。

（3）人工血管內皮化　由於內皮細胞在抗血栓形成、抑制血小板聚集、分泌血管活性因子等方面的重要作用，人們很早就設想在人工血管內表面形成內皮細胞的襯裏，以達到模擬自體管的目的。宿主內皮細胞由吻合口向人工血管內遷徙僅限於吻合口周2cm，而毛細血管通過管壁的長入、循環內皮在人工血管表面的沉積這兩種途徑的原因、機制效果不清，有待進一步研究。於是將新鮮獲取或體外培養的內皮細胞址接種植於人工血管的內表面，成為首選的努力方向。

Smith MJ, McClure MJ, Sell SA, Barnes CP, Walpoth BH, Simpson DG, Bowlin GL.suture-reinforced electrospun polydioxanone-elastin small-diameter tubes for use in vascular tissue engineering: A feasibility study. Acta Biomaterialia. 2008 Jan;4(1):58-66. PMID 17897890.

四、肌腱組織工程支架材料

1、肌腱與韌帶支架材料的功能

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，但肌腱細胞分泌I型膠原，而成纖維細胞分泌I、Ⅱ型膠原。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。

S Saber. Stanford University Medical Center, Department of Plastic Surgery, FlexortendonTissue Engineering: Cyclic Strain Increases Construct Strength and Tendon Architecture. Plastic Surgery Research Council. Springfield, Illinois, May 2008. Also presented at the California Society of Plastic Surgeons, Dana Point, California, June 2008.

2、肌腱與韌帶支架材料類型

20世紀70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雜環烷等。

五、皮膚組織工程支架材料

人工皮膚材料在生物醫學工程材料中已有論述，在此不再贅述。

六、 角膜組織工程支架材料

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HAMA、PMMA，近來來，多采用膠原和聚醇酸等材料。

七、 肝、胰、腎、泌尿系統組織工程支架材料

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：用於肝組織工程支架的血纖維和聚乳酸，用於泌尿系統的聚乙醇酸等。

Bouhout S, Perron E, Gauvin R, Bernard G, Ouellet G, Cattan V, Bolduc S. InVitro Reconstruction of an Autologous, Watertight, and Resistant Vesical Equivalent. Tissue Eng Part A. 2010 Feb 11. [Epub ahead of print] PubMed PMID:20014996.

ABSTRACT

Purpose: Currently, bladder repair is performed using gastrointestinal segments; however, this technique has a high morbidity rate, and new alternatives are thus needed. The lack of native or synthetic tissue with similar properties of the bladder led us to develop autologous vesical substitutes entirely made by tissue engineering and without exogenous matrices. Watertight function and mechanical resistance are fundamental for the model. The aim of this study was to determine the structural and functional characteristics of our vesical equivalent (VE).

Materials and Methods: Porcine VEs are produced in 55 days. The cellular types that make up the vesical wall are extracted and purified simultaneously from a small porcine bladderbiopsy. Dermal fibroblasts are extracted and cultured in vitro to form cellular sheets. Endothelial cells were seeded on the fibroblast sheets before their superimposition. Urothelial cells are then seeded onto this cellular construction. VEs are characterized byhistology, immunostaining, electron microscopy, and cell viability. Mechanical properties of the reconstructed substitutes are evaluated by uniaxial tensile tests, and tissue absorption is verified with 14C-urea, which quantifies the degree of impermeability.

Results: This process allowed us to obtain a highly structured tissue with a total fusion of the fibroblast layers. As expected, histological observations showed a pseudostratification of the urothelium developing on an organized self-secreted extracellular matrix. Positive markers for cytokeratin 8/18 in immunostaining confirmed the presence of a urinaryepithelium. Electron microscopy confirmed the normal aspect of urothelial cells. Our VE's permeability to 14C-urea was significantly similar to porcine bladder, and characterization of the mechanical properties indicated that our tissue could be suitable for grafting since its ultimate tensile strength compares favorably with a native porcine bladder.

Conclusion: The construction of a VE using this method seems very promising in meeting the needs in the urological field. Our substitute has proven its efficiency as a barrier to urea and has a sufficient mechanical resistance to support suturing. Additionally, this model is completely autologous, and its possible endothelialization could promote the early vascularization process after grafting and thus significantly reducing inflammation and possible rejection.