组织工程的概念和原理

组织工程的概念和原理

    组织工程 学(tissue engineering)是根据细胞生物学和工程学的原理，将具有特定生物学活性的组织细胞与生物材料相结合，在体外或体内构建组织和器官，以维持、修复、再生或改善损伤组织和器官功能的一门科学。组织工程技术的基本原理，是将组织细胞(或者干细胞)贴附于生物相容性良好的生物材料上，形成细胞―生物材料复合物；将其植入到体内特定部位，或者置于体外特定环境下，在生物材料逐步降解的同时，细胞产生基质，形成新的具有特定形态结构及功能的相应组织。

 

    组织工程的核心是建立由细胞和生物材料构成的三维空间复合体。细胞通过大量分泌胞外基质完成组织结构的架构，细胞在新组织内的生物学活动维持了组织结构的长期稳定，并使再生组织具有特定的生理功能。生物材料为细胞提供了适合其生长、基质合成及发挥其功能的生物学空间，克服了以往单一的细胞移植中细胞不易成活、基质合成能力低下等缺点。生物材料支架降解前为三维组织形成提供了临时的机械支撑，同时也是未来所构建组织与器官的三维形态模板。细胞与生物材料之间的相互作用是组织形成即组织工程化组织构建的关键，生物材料上细胞接种必须保持一定的高密度，生物材料降解速率必须与细胞的生长与细胞外基质合成速率相互匹配，才能保证组织构建的成功。

 

    种子细胞与生物材料是组织工程的两大核心基础研究领域。种子细胞是进行组织工程化组织构建的最为关键的要素，只有获得足够数量并保持特定生物学活性的种子细胞，才能保证组织构建的成功。目前组织工程化组织的构建主要是应用自体组织的同源细胞作为种子细胞来源，存在着来源有限、细胞易老化不能大规模扩增以及细胞取材对机体造成新的创伤等不足，已经成为制约组织工程进一步临床应用的关键问题。具有全分化潜能的胚胎干细胞作为种子细胞来源已日益受到重视，虽然目前只在细胞的建系方面取得重大进展，与实际应用尚有一定距离，但这将是最终解决组织工程种子细胞来源的重要途径之一。具有多分化潜能的骨髓间质干细胞可以诱导分化为成骨干细胞，并已经在动物体内和临床病人中进行了实际应用，其向成软骨干细胞和其他目的细胞诱导分化的研究也取得了阶段性成果。目前已经证实人体存在着多种组织特异性干细胞，如角膜缘干细胞、皮肤干细胞，而是否存在软骨干细胞和骨干细胞尚有待进一步研究。同种异体软骨细胞的研究具有特别重要的意义，目前已在动物羊体内构建了同种异体组织工程化软骨，随着研究的进一步深入以及相关免疫反应问题的阐明和解决，将为软骨组织工程的产业化奠定基础。

 

    组织工程生物材料是在生物活性材料与生物可降解材料等第二代生物材料研究与应用的基础上，应兼具生物活性与生物可降解性，并可在分子水平调节特定细胞生物学功能的新一代生物材料。根据组织工程对生物材料的要求，目前应重点解决以下问题：生物可降解材料的加工和修饰，使各种来源的种子细胞与生物材料具有良好的黏附、生长和分化能力，并能增殖和分泌基质；生物可降解材料的生物相容性，不仅限于材料及其降解产物对机体的毒副作用，还应控制材料和机体间所产生的生物化学和免疫排斥反应，以保证构建的组织、器官可被机体接受并存活；生物可降解材料的理化性能，包括几何形态可塑性、表面的构型、孔隙率、力学强度、对高温高压处理的耐受能力等；生物可降解材料降解速率与组织、器官形成时间相匹配。

 

    人工合成的生物材料由于生物相容性等问题，目前尚未能广泛应用于临床。各种天然的生物材料(如各种脱细胞基质)具有与人体极为相似的组织结构和力学性能，在经过脱细胞等一系列处理后，其抗原性大大降低，特别是以动物为来源的天然生物材料，来源广泛、成本低廉，是一种极有前途的生物材料。目前，美国已经商品化的皮肤产品，均是以天然生物材料为基础研制而成。组织工程生物材料另一重要研究方向是天然生物材料的研发与应用，包括皮肤脱细胞基质、骨脱细胞基质、角膜脱细胞基质、肌腱脱细胞基质等。

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