骨组织修复材料的仿生合成
侯京朋
长期以来, 缺损骨骼的再生修复一直是骨研究领域的重要内容。近20年来, 骨的仿生制备已成为缺损骨骼修复研究的重要内容。几乎所有优异的生物矿化材料都采取有机分子调控无机相生长的策略, 因此, 从生物分子调控水平上去理解骨的形成和矿化过程, 并在此基础上研究骨生物材料的合成是突破这一领域的
关键。
1 分子仿生的原理
受天然生物体结构和功能的启发, 采用仿生的思想进行生物材料的合成设计已有悠久历史。传统的仿生学设计, 常采用材料合成的方法去模拟生物体系。但是, 天然矿化组织都是由生物大分子(脂类、蛋白、多聚糖)和无机矿物组成的复合材料, 从宏观到微观、从分子到纳米都是自组装的有序等级结构。这种结构主要是利用有机大分子(蛋白质、多糖、脂类等)自组装, 无机晶体核化、定向、生长和空间形态等方面的调控作用使其在纳米水平上表现出非凡的有序性, 这些都是传统的材料合成方法所无法实现的。随着分子生物学、分子物理、化学和纳米技术的发展, 依据生物矿化过程的“有机基质调控”理论, 生物大分子的自组装和纳米合成技术的联合应用, 使仿生学进入了分子水平, 在此基础上形成一门新的分支学科———仿生材料化学。
2 骨组织修复材料仿生合成的现状
2.1 自组装表面活性剂微囊仿生合成无机骨修复材料
通过表面活性剂形成脂质小泡, 原位合成具有复杂微孔结构和精确表面形态的仿生无机材料。Walsh等首次使用微乳方法合成了高度有序的无机仿生骨材料。刘景洲以天然来源的卵磷脂为双亲分子, 正十四烷油相和水相形成的微乳胶为磷酸钙矿化的“模板”, 调控、诱导矿化。获得由卵磷脂与羟基磷灰石(HA)共同构建的具有纳米结构的立体网状、空心棒状、空心球状产物, 制备了具有纳米微观结构的生物活性替代材料。这些方法主要应用于合成无机生物材料, 而且必须去除表面活性剂。
2.2 钛材表面的仿生涂层
钛及其合金与其他金属材料相比具有优良的机械性能, 具有较理想的生物学活性, 因而广泛应用于修复人体硬组织缺损的负荷区。但是其本身缺乏与骨组织的键合作用, 所以基本属于惰性材料范畴。通过表面改性技术提高其生物相容性, 促进骨性结合的形成是目前钛种植材料研究的重点。钛材表面的超薄仿生HA涂层是研究的热点。其步骤首先是基材的活化, 再在钙磷过饱和液中进行矿化。一般情况下, 钛表面的二氧化钛是致密的钝化层, 引导磷酸盐沉积的能力极差,
甚至不能诱导。通过适当的处理(酸、碱、酸碱结合、双氧水等强氧化剂、溶胶-凝胶、辉光放电处理等), 制备表面活性的二氧化钛及其溶胶, 发挥表面钛羟基(Ti-OH)的功能, 诱导磷灰石的形成。另外可在钛材表面自组装SAM或LB超薄膜, 诱导成核；或者接枝生物大分子诱导成核。
2.3 HA-胶原复合材料的仿生合成
磷灰石-胶原(HA-胶原)复合材料是目前仿生合成中最成功的一类。胶原是骨组织的主要有机物, 国内外许多学者以胶原为模板仿生合成了HA-胶原有序键合的
纳米复合材料, 模拟了骨组织最低等级的复合结构———纳米磷灰石晶体的c-
轴与胶原纤维(或自组装多肽)的长轴平行取向排列。常用方法如下:①将含有钙、磷离子的溶液滴加到胶原溶液中, 实现HA形成及其与胶原纤维的组装一步完成。其设计合成的思路是按照预计的胶原纤维和HA的重量比例, 分别配制胶原纤维溶液和一定浓度的钙磷溶液(钙、磷的摩尔比为1.67)。合成时, 将钙磷溶液逐
渐滴加到含有胶原的溶液中, 或先将一种离子(如磷溶液)与胶原溶液混合, 然
后再逐渐加入另一种离子的溶液(如钙溶液)。其特点是有机基质与钙磷溶液反应, 把有机分子的自组装和有机大分子模板对HA晶体的组装同步完成, 即共同组装。其优点是容易大规模生产, 重复性好, 无机物的含量也能精确控制。国内外对此方法有大量报道, 但多数结果显示HA晶体无明显的取向。②胶原纤维膜或胶原纤维海绵在钙磷过饱和液中或分别在CaCl2 和Na2 HPO4溶液中交替浸泡矿化。Du等将胶原海绵浸入0.56 mol/LNa2HPO4 (pH =14)溶液, 然后再浸入1.12
mol/LCaCl2 溶液, 获得的HA-胶原复合物中无机矿物可达总量的60%～ 70%,
其拉伸程度在骨的拉伸范围内。因此可以认为0.56 mol/LNa2 HPO4 是亚稳定体系, 合成的Na2HPO4 、Na3 P3 O10 · 6 H2 O晶体可有控地释放磷酸根, 控制HA的生成。③通过温度敏感性载钙、磷脂质体和温度激发的胶原自组装仿生合
成HA-胶原纤维复合物。Pederson等模拟骨组织矿化过程中的基质小泡形式, 应用交错熔融法,合成载钙、磷脂质体, 通过调节磷脂的组成, 控制磷脂的相变温度, 使之在37℃时的通透性增加, 释放钙、磷离子, 诱导矿化。另外胶原纤维
在酸性的低温条件下, 保持单股的胶原纤维的形式, 但是当温度和pH升高, 就可以自组装成网状胶体(最低可在20℃,0.1 g/L的条件实现)。他们综合上述脂质体和胶原纤维的热自组装特性, 当胶原纤维和载钙、磷脂质体的混合悬液从室温升高到37℃时, 脂质体释放钙、磷, 在自组装的胶原纤维中矿化。脂质体与
胶原纤维存在较强的作用, 脂质体在胶原纤维中呈独立的颗粒状分布和聚集,
矿化物也呈颗粒状聚集, HA晶体呈棒状、板状(5 ～ 10 nm长, 100 ～ 200 nm 宽), 并在胶原纤维表面呈放射状排列。研究提供了HA-胶原纤维复合物仿生合
成的新途径研究, 但是脂质体的矿化性能需要进一步提高。④胶原纤维与其他酸性蛋白耦联进行仿生矿化。对于胶原是促进矿化还是抑制HA晶体的形成一直争论不休, 目前认为胶原纤维在矿化过程中不仅是提供支架的被动过程, 而且是
一个主动的调控因素, 这种调控因素与其特殊的分子聚集态、特殊的分子侧链立体化学、电化学有关。胶原纤维不能独立完成所有矿化, 酸性的非胶原蛋白(蛋白多糖、磷酸化的蛋白)可能在HA沉积过程中首先起到凝结核的作用, 并在胶原和HA之间桥接。依据上述理论, Doi等通过热激发胶原自组装, 并与碱性磷酸
酶和卵黄高磷蛋白耦联, 耦联复合物进一步经过碱性磷酸酶处理后, 在β -甘
油磷酸钙溶液中浸泡, β-甘油磷酸盐在碱性磷酸酶的作用下水解, 释放磷酸根, 进一步形成HA晶体。其设计较理想地模拟了骨组织的矿化过程, 是一个值得深入研究的方法。HA-胶原仿生复合物有一定的韧性, 但机械强度较差。为了解决机械强度的问题, 有学者把常用的聚乳酸、聚羟基乙酸与胶原复合, 再进行仿生矿化。HA-胶原仿生复合显示了优良的生物学性能, 在体内可被吸收, 并参与骨的代谢。
3 骨组织修复材料的分子仿生设计合成存在的问题与展望
目前骨组织修复材料的分子仿生合成还处于初期, 在生物矿化模板的设计上还
存在一定的缺陷。一方面, 模板的选择不同于天然骨组织生物矿化中与磷灰石成核相关的大分子模板。与骨组织生物矿化的密切相关的是一些非胶原蛋白, 如牙本质的磷蛋白、骨组织的骨钙蛋白、骨桥蛋白等。它们共同的特征是一级结构中
含有大量的周期性的负电荷酸性基团(如富含谷氨酸、天冬氨酸、羟脯氨酸、磷酸丝氨酸等)和含有细胞黏附分子整合素的结合位点———特定的氨基酸序列, 如RGD结构。另一方面, 模板的设计存在生物相容性不良, 或来源有限
和价格昂贵。目前报道的仿生材料在组成结构上还比较简单, 骨有机基质是由胶原蛋白、非胶原蛋白、生长因子等共同组成的体系, 不具有缓释细胞因子等效应。尽管如此, 仿生合成方式还是显示了极大的优越性, 特别是纳米材料在二维、三维的组装上显示了极大的优越性, 是实现新一代生物材料的理想途径。
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骨组织工程化方法与研究进展 在人的体内，有一些器官和组织再生增值能力很弱或根本不具备，创伤与疾病往往会造成这些器官或组织的不可逆损伤。因此，人们希望用新的、具有生命力的活体组织置换病损组织，以永久性地替代其形态、结构和功能。组织工程学正是基于这样的目的而建立起来的一门新兴学科。目前，组织工程学在泌尿道、心血管、肝肾脏重建等方面都有了一定的进展，这里主要讨论组织工程骨。 骨髓中含有大量的骨前体细胞，在受到一定外界刺激后会分化生成成骨细胞，因此，一般骨折后机体能够自行修复。然而，过于强大的外力作用（如高坠、重物碾压等）会导致粉碎性骨折，由此引发的骨缺失很难自行修复。传统的骨修复通常采用自体骨移植、同种异体骨移植和植入人工替代材料的方法，然这样易造成其他并发症或排异反应引起的感染。骨组织工程的目的就是模拟骨折过程中骨修复的自然过程[1]，即在预期部位通过对成骨前体细胞、支架、生物活性物质等的调控，促进骨组织愈合，使骨能够正常发挥维持机械运动、保护脏器及维持一定代谢的作用[8]。组织工程骨的主要优势在于其自体细胞来源所带来的低感染性和低致癌率。临床应用实践证明，生物衍生组织工程骨有良好的成骨能力，未见明显排斥反应及并发症[2]。 现今骨组织工程的治疗方法主要有三种，分别从组织工程三要素导入，即支架方法、生长因子方法和细胞方法： 1、支架方法 即体内合成。主要步骤是：先将预先成形的支架植入体内骨缺损部位，而后内源性成骨前体细胞在体内生长分化成为成骨细胞，支架则被重塑组织取代最后在体内自行降解。 此方法对于支架材料的选择有很高要求，所选材料须具有多孔的特性以助于骨的生成，如钛合金纤维、含磷酸三钙和羟基磷灰石的陶瓷等[1]。这种方法的主要缺点是材料生物活性差，无法用于骨缺损量较大和供血差的部位。 2、生长因子方法 直接在骨缺损部位使用成骨诱导因子，可用于骨缺损量较大和供血差的部位。然而据大量可行性试验分析，在灵长类动物中单纯使用该方法，要达到效果必须大剂量使用骨形成蛋白[3]，这会给人体带来很大的风险。现该方法多与细胞方法结合使用[9]，已获得了一定进展，这一点将在文章的稍后被提到。 3、细胞方法 将骨前体细胞直接移植到骨缺损部位，植入骨髓中所含的大量骨前体细胞可以导致大量骨的形成。通常从自体髂骨取得骨髓，复合适当生物材料后植入骨缺损部位。然在临床实践中，由于疾病等原因，部分患者骨源缺乏，有人通过抽取此类患者少量骨髓分离出其中的人骨髓间充质干细胞，并在体外对其进行扩增培养并诱导分化后，与自制的同种异体脱钙骨基质相复合，构建个体化的组织工程骨。通过临床观察已证实该组织工程骨有良好的生物安全性和成骨效能[6]。 最后讨论一下组织工程骨领域近年来的一个热门话题——组织工程骨的血管化。内部及周围血管的代谢供养能力对于骨的存活与生长起着决定性作用，因此在组织工程骨的内部及周围建立完整有效的血管网十分关键。对于小尺寸组织工程骨的供血主要依靠周围毛细血管，而大尺寸组织工程骨，特别是长骨的血管化，是目前临床上的一个难点。学术界对此作了大
１２Ｓａｎｃｈｅ｝Ｒ目１喵Ｊ．ＳｏｎｇＳ．Ｃａｒｄｅｚｏ－ＰｅｌａｅｚＦ．ｅｔａ１．Ａｄｕｌｔｂｏｎｅｎｍｒ— Ｗｗｓｔｒｄｎａｌｃｅｉｌｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｅｉｎｔｏｎｅｕｒａ】ｃｅｌｌｓｉｎｖｉｔｒｏ［Ｊ］ＪＥｘｐＮｅｕｍｌ，２０００，１６４（２）：２４７～２５６ １３Ｄ眩自ｗａＭ．ＴａｋａｈａｓｈｉＩ，ＥｓａｋｉＭ．ｅｌ＂ｄＳｃｉａｔｉｃｎｅｌｗｅｄｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｉｎｒａｔｓｉｎｄｕｅｅｄｂｙｔｒａｎ旦ｐｌｍａｔａｔｉｏｎｏｆｉｎｖｊｔｒｏｄｉｆｆｅｒｅａｔｔｉａｔｅｄｂｏｎｅｍａｒ－ｒｏｗＳｔｌ＂ｏｒ—ｃｅｌｌｓ［Ｊ］ＥｕｒＪＮｅｕｒｃ８ｃｉ．２００１．１４（１１）：１７７１－－１７７６１４ＢｉａａｃｏＰ，ＲｉｍｉｎｕｃｃｉＭ．Ｇｒｏｎｔｈｃ６Ｓ，ｅｔａｌＢｏｎｅｒ／１；ａｒｒｏｗｓｔｌｖｍａｌｓｔｅｍｃｅｉｌｓ：ｎａｔｔｔｒｃ，ｂｉｏｌｏｇｙ，ａｎｄｐｏｔｅｎｔｉａｌａｐｐｆｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］ＪＳｃｉ一∞，２００１，１９（３）：１８０～１９２ １５ＢｉａｅｋＩＢ．Ｗ∞ｄｂ哪ＤＡｄｕｌｔｒａｔａｎｄｈｔｗｎａｎｂｏｎｅｍａｍｗ８ｔｒｏｒｄ ｓｔ￡ａ＇ｎｃｅｌｌｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｅｉｎｔｏｎｅｕｍａｍ［Ｊ］ＪＢｌｏｏｄｃｅｌ】ｓＭｏｌＤｉｓ，２００１。２７（３）：６３２４６３６ １６Ｋｒａｔｔｓｅ１３５；Ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙｏｆｒｍｒｍｗ－ｄｅｒｉｖｅｄｓｔｅｍｃｅｉｌｓ［Ｊ］．ＪＧ朗ｅ１ｋ，２００２．９（１１）：７５４－－７５８ １７Ｉ）ｅｍｗａＭＣｅｎｔｒａｌａｒｄｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｎｅ—ｅｒｅｇｅｎｅｘａｔｉｏｎｂｙｎａｎｓｐＩａｎｔａ—ｔｉｏｎｏｆＳｃｈｗａｎｎｃｅｌｌｓａｎｄ删ｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｅｄｂｏｎｅＩｎａｍｗｓｔｒ【１『ｎａｌｃｅｌｌｓ［Ｊ］ＪＡｎａｔＳｃｈｕｍａｎｎｅｑｕａｔｉｏｎＳｃｉＩｎｔ，２００２，７７（１）：１２－－２５ １８ＮａｕｍａｎｎＡ．Ｄ口谢ｓＪ．８ｔａｕｄｅｎｍａｉｅｒＲ，吐正Ｍｅｓｅａｃｈｙｍａｌ８ｔ邮１ ｃｅｌｌｓ－－ａｎｅｗｐａｔｈｗａｙｆｏｒｔｉｓｓｕｅｅｎｇｌｎｅｅｎｎｇｉｎｒｅｏｏｎｓｍｌｃｔｉｖｅｓｕｒｇｅｒｙ［Ｊ】ＪＬａｒｙｎｇｏｒｈｉｎｎｏｔｏｌｏｇｉｅ，２００２，８１（７）：５２１－－５２７ １９ＭｉｍｕｒａＴ，【ｋｚａｗａＭ．ＫａｎｎｏＨ，ｅｔａｌＰｅｎｐｈｅｒａｌ ｒ№ｍ姆ｆ啪一ｔｋｍｂｙｔｒｍｍｐｉａｎｔａｔｉｏｎｏｆｂｏｎｅｍａｒｒｏｗｓｎ℃ｎ诅ｌｅｅＵ＜ｌｅｒｉｖｅｄＳｃｈｗａｎｎｃｅｌｌｓｉｎａｄｕｌｔｒａｔｓ［Ｊ］．ＪＮⅢ％口ｇ，２００４，１０１（５）：８０６－－８１２ ２０ＣｏｎｇｅｒＰＡ．Ｍｉｎｇ，ⅧＪＪＰｈｅｎｏｔｙｐｉｃａｌａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｈｔｍｍａｂｏｎｅ１Ｔｌａｒ／ｏｗｍ＆ｅｎｃｈｙｎｕｄｐｒｎｇｅｍｔｏｒｅｅｌｌ５［Ｊ］ＪｃｄｌＰｈｙｓｉ—０１．１９９９，１８１（１）：６７—７３ ＡｎｔｈｏｌｏｇｙｏｆＭｅｄｉｃ—ｉ—ｎ—ｅ—，Ａｐｒ．２００６，Ｖ０１．２５，Ｎｏ．２—２１ＥｇｌｉｔｉｓＭＡ，ＭｅｚｅｙＥＨｅｍａｔｏｐｏｉｅｔｌｓｃｅｌｌｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｅｉｎｔｏｂｏｔｈｍｉ— ｃｒｏｇｌｉａａｎｄｍａｃｍｇｌｉａｉｎｔｈｅｂｒａｉｎｓｏｆａｄｕｌｔｍｉｃｅ［Ｊ］ＪＰｒｏｃＮａｔｌＡ－ｃａｄＳｃｉＵＳＡ，１９９７，９４（８ｊ：４０８０－－４０８５ ２２ＣｕｅｖａｓＰ．ＣａｒｃａｌｌｅｒＦ．Ｄｕｊｏ，ｍｙＭ，ｅｔａ１．ＰｅｆｉｐｈｅｒＭｎｅｍｒｒｇｃｎｅｒａ－ｔｉｏｎｂｙｂｏｎｅｍａｒｒｏｗｓⅡ０ｒｒＩａｌｃａｌＬｑ［Ｊ］．ＪＮｅｕｒｏｋｗｉｃａｌＲｅｅｅａｒｃｈ，２００２，２４（７）：６３４－－６３５ ２３ＣｕｅｖａｓＰ．Ｃａｒｃｅｌ］ｅｒＦ，Ｇａｒｃｉａ．Ｇｏｒｎ觎Ｉ，ｅｔａｌＢｏｎｅｍａｒ工。ｗｓｔｒｃ前ｕｄｃｅｌｌｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎｆｏｒｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｎｅｒｖｅ地ｐａｉｒ［Ｊ］ＪＮｅｕｒａｌＲｅｓ．２００４，２６（２）：２３０—２３２ ２４ＫａｍａｄａＴ．ＫｎｄａＭ。Ｄ％ｍＭ。ｅｔａｌＴｒａｎｓｐｌａｎｔａｔｉｏｎｏｆｈｏｎｅｍａｒ－ｒｏｗｓｔｍｍａｌｃｄｌｄｅｒｉｖｅｄＳｏｈｗａｎｎ雌Ｕｓｐ工舢临ａｘｏｎｚｌｒｅｇｅｎｅｒａｔ；ｏｎａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｒｅｃｏｖｅｌＴｄｔｅｒｃｏｔｎｆＩｌｅｔｅｔｒａｎｓｅｃｔｉｏｎｏｆｅｄｕｌｘｍ∞ｉｎｄｃｏｒｄ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｅｕｒｏｌｍｔｈｏｌｏｇｙａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＮｅｕｒｏｌｏｇｙ， ２００５，６４（１）：３７－－４５ ２５ＢｒｏｃｋｅｓＪＰ．ＦｉｅｌｄｓＫＬ，ＲａｆｔＭＣ．ＳｔｕｄｉｅｓｏｎｃｕｌｔｕｒｅｄｒａｔＳｏｈｗａｎｎ ｃｅｉｌｓＩ．Ｆ５ｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆｐｕｒｉｆｉｅｄｐｏｐｕｌｓｔｉｎｎｓｆｒｏｍｃｕｌｔｕｒｅｓｏｆｐｅ－６ｐｈｅｎｄｎｅｔａｍ［Ｊ］．ＪＢｒａｉｎＲｅｓ，１９７９，１６５（１）：１０５－－１１８ ２６ＥｖａｎｓＧＲＰｅｆｉｐ｜幢ｒａｌｎｍ％－ｅⅫｕＩｙ：ａｒｅｖｉｅｗａｎｄａｐｐｒｏａｃｈｔｏｔｉｓｓｕｅｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔ５［Ｊ］ＪＡｌｍｔＲｅｃ。２００１，２６３（４）：３９６～４０４ ２７ＥｖａｎｓＧＲＣｈａｌｌｅｎｇｅｓｔｏｎｅｒｖｅｒｅｇｅｎｅｘａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪＳｅｍｉｎｓｕｒｇＯｎ— ｃｏｌ，２０００，１９（３ｊ：３１２－－３１８ ２８ＭｏｅａｂｅｂｉＡ。ＦｄｌｅｒＰ，Ｗｉｈ，ｇＭ，ｅｔｄＥｆｆｅｃｔｏｆａｌｌｎｇｅｎｅｉｅ Ｓｃｈｗａｒｍｃａｌｌｔｒｏｎｓｐｌａｎｔａｔｉｏｎｏｎｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｎ口ｗｒｅｇｅａ＿ｌｅｒａｔｉｃｓａ［Ｊ］．Ｊ ＥｘｐＮｅｔｌｒｏｌ，２００２．１７３（２）：２１３－－２２３ ２９Ｒ砾Ｊ，ＫａｐｓＣ，ＢｕｒｍｅｓｔｅｒＧＲ，ｅｔａ１．Ｓｔｅ口ｎｃｅｉｌｓｆｏｒｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｍｅｄｉｃｉｎｅ：ａｄｖａｎｃｅｓｉｎｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆｔｉｓｓｕｅｓａｎｄｏｒｇａｎｓ［Ｊ］ＪＮａｍｒｖｄ疆ｅｎｓｃｈａｆｔｅｎ．２００２。８９（８）：３３８～３５１ 组织工程学修复骨缺损的研究进展 广西医科大学第一附属医院创伤骨科手外科（南宁５３００２１）牛通综述赵劲民审校 骨缺损在临床上比较常见，其治疗特别是大段骨缺损的治疗是一个非常棘手的问题。近２０多年来组织工程的发展为骨缺损的修复治疗开辟了一条崭新的道路。在修复骨缺损的过程中涉及到种子细胞、支架材料、细胞因子、组织工程化骨的构建和临床应用等一系列过程。本文就这些方面作一综述。 １种子细胞 种子细胞是组织工程学研究中最基本的问题。组织工程学种子细胞的来源是多渠道的，目前其来源主要有皮质骨、松质骨、骨膜、骨髓、骨外组织以及胚胎干细胞。皮质骨、松质骨、骨膜来源的成骨细胞能表达成骨细胞表型【“，且骨膜中含有较多的骨原细胞，而骨原细胞具有分化潜能可以增值分化为成骨细胞。因此成骨细胞是骨组织工程学研究较多的种子细胞之一。但是上述三者来源的成骨细胞存在较多的缺陷，如取材困难、来源有限、扩增能力有限及免疫排斥等，因而不能稿足骨组织工程的要求。胚胎千细胞具有分化为三个胚层的能力，体外培养后可分化为肠上皮细胞（内胚层）、软骨、骨、 平滑肌、横纹肌（中胚层）及神经细胞（外胚层）等，并且可以大量扩增和定向诱导为具体干细胞，应用这种千细胞可以进行多种移植。Ｂｕｔｔｅｒｙ等¨Ｊ证实用含地塞米松、肛甘油磷酸、维生素Ｃ等培养液或与成骨细胞共同培养均可诱导ＥＳＣｓ向成骨细胞转化，因此胚胎干细胞可以作为骨组织工程学的种子细胞，但是存在免疫排斥较强的缺陷。于是寻找一种取材方便，对机体损伤小；体外培养中具有较强的增值和向成骨方向定向分化的能力；植人体内后能耐受机体免疫排斥，继续保持良好的生物学活性；安全性好的种子细胞变得非常必要。骨髓基质干细胞可以从骨髓中抽取并可以多次抽取，因此它的来源不受限制，取材方便，对供体损伤小，易于分离培养，并且具有体外增殖能力强，大量传代培养后仍具有成骨能力，成为目前应用最广泛的种子细胞。 ２支架材料 支架材料也是组织工程中的重要组成部分，它为种子细胞提供了黏附、增殖、分化的空间结构和生长模板，并且可以引导组织再生，控制组织或器官的性状。支架材料可以有不 万方数据
综述 Review 收稿日期：2010-01-04 作者简介：崔福斋，教授，博士生导师 0 引言 在世界范围内，由于创伤，肿瘤 和感染等原因造成的骨缺损每年都在折磨着众多的患者。自19世纪以来，人们一直采用骨移植术，通过植入自体骨，异体骨和人工骨替代材料来修复大范围骨缺损。然而这些 材料都各自存在着不可忽视的缺陷。这些骨移植材料，分别有来源有限，排异反应，与宿主骨的力学性能不匹配，以及使用寿命等方面的问题，导致它难以达到令人满意的骨修复效果。骨组织工程在这种背景下应运而生，给骨修复带来新的期盼。 1985年生物力学专家Y.C. Fung 向美国科学基金会(NSF)申请建立一个工程研究中心，名称为“活组 织工程中心”(Center for Engineering of Living Tissues)[1]，然而当局并没有批准他的申请。1993年，Langer 和 Vacanti 在Science 上首次发表了题为“Tissue Engineering ”[2]的论文，并提出了组织工程的基本含义：应用工程学和生命科学的基本原理和技术，在体外构建具有生物功能的人工替代物，用于修复组织缺损，替代失去功能或衰竭的组织、器官的部分或全部功能。而骨组织工程就是利用细胞生物学和工程学原 理，研究开发修复和改善损伤骨组织形态和功能的生物替代物的一门科学，其发展速度在组织工程领域中是最快的。 骨组织工程基于种子细胞+生长因子+支架材料的概念，其中支架材料一方面作为种子细胞和生长因子的载体将其运送至缺损部位，另一方面还给新骨生长提供支撑的作用，是骨组织工程的关键，同时也是 全世界研究力量投入最多的地方。由于组织工程细胞相关标准需长期的论证和安全性验证，近年用自体细胞的组织工程策略备受关注[5]。
中国实用口腔科杂志2011年3月第4卷第3期 口腔颌面部骨组织结构是支撑面型的重要基础，发生在颌面部的外伤、肿瘤、先天畸形等是引发患者颌面部骨组织缺损的主要原因，而如何较好地对患者面型及骨组织缺损进行一期修复也是口腔颌面外科手术中亟待解决的重点和难点问题。近年来，随着手术技术的不断发展及生物材料在临床上日益广泛的应用，口腔颌面部骨组织缺损的修复治疗也得到了迅猛的发展。目前应用于临床的口腔颌面部骨缺损修复材料主要包括以下几类，综述如下。 1骨组织移植 1.1自体骨自体骨移植的优点是对宿主不存在免疫原性，不存在术后组织排斥或传染疾病的风险，预后较好。目前临床常用的移植骨包括髂骨、肋骨、腓骨等，尤其是带血管蒂的骨段移植后与周围血管吻合，为骨段的生长及愈合提供了充足的营养。缺点是存在供骨量不足及骨塑形的限制，难以应用于大范围组织缺损的修复，并且在手术过程中需要开辟第二术区，造成新的手术创伤，患者恢复慢。 1.2异体骨异体骨移植包括同种异体和异种异体两大类，主要取自他人或动物骨，经过特殊处理后应用于临床。优点是供骨量充足，术中不需要开辟第二术区，创伤小，有利于患者恢复。但异体骨虽经处理，仍存在免疫原性，移植后可能产生组织排斥或疾病传播及伦理学问题等。目前在临床上应用受到一定限制。 2骨替代材料 2.1金属材料金属材料应用于人体组织缺损修复历史悠久，主要有金、不锈钢固定装置等。近年来，人们发现金属钛具有与骨组织相匹配的硬度、弹性模量、良好的生物相容性和机械强度，能够与骨组织发生生物愈合［1-2］，不产生排异反应。利用纯钛修复体修复下颌骨缺损在临床上也取得了较好的效果，具有良好的应用前景［3］。 2.2人工合成无机材料人工合成无机材料主要有羟基磷灰石（HA）、磷酸三钙（TCP）、生物陶瓷等，其主要的化学成分与人骨相似，在体内具有较好的生物相容性及骨诱导性，并能与新生骨直接结合。采用高温煅烧后，HA中生成少量TCP，制成双向陶瓷，TCP比HA能更好地被吸收和降解，有利于材料与机体间保持生物学平衡，TCP与HA对细胞无毒副反应，是理想的成骨细胞的载体［4］。若在载体内复合骨形成蛋白或其他细胞生长因子后，使其具备骨诱导活性，可在体内诱导成骨，但降解时间难以掌控，在材料制备过程中难以保证材料的孔隙率，不利于新生骨的长入和改建，影响移植材料与骨组织的融合。金钫等［5］利用陶瓷化骨结合成骨样细胞修复下颌骨缺损的动物实验也证明了此点。 2.3天然生物材料珊瑚是人们较早应用于临床修复颌 基金项目：国家自然科学基金（401011240108026） 作者单位：昆明医学院口腔医院口腔颌面外科，昆明650031通讯作者：陈希哲，电子邮箱：chenxizhe@https://www.doczj.com/doc/9511395520.html, 综述 口腔颌面部骨组织缺损修复材料研究进展 王琰综述，陈希哲审校 文章编号：1674-1595（2011）03-0175-03中图分类号：Ｒ78文献标志码：Ａ 提要：口腔颌面部骨组织结构是支撑面型的重要基础，发生在口腔颌面部的外伤、肿瘤、先天畸形是引发患者口腔颌面部骨组织缺损的主要原因，而如何在一期对患者面型及骨组织缺损进行修复也是口腔颌面外科手术中亟待解决的重点和难点问题。本文主要总结了口腔颌面部骨组织缺损修复材料的发展。 关键词：口腔颌面部；骨缺损；修复材料 Reseach development of repair materials for oral and maxillofacial bone defects.WANG Yan，CHEN Xi-zhe. Department of Oral and Maxillofacial Surgery，Stomatology Hospital of Kunming Medical College，Kunming650031，Chi?na Summary：The oral and maxillofacial bone structure is an important basis for supporting face，and oral and maxillofa?cial trauma，tumor and congenital deformity are the cause of oral and maxillofacial bone defects.It is difficult as well as important in oral and maxillofacial surgery to make a proper repair of the patient's face and the bone defects.This paper summarizes the development of the repair materials for oral and maxillofacial bone defects. Keywords：oral and maxillofacial；bone defect；repair materials 175
骨组织工程 骨组织工程本质上说，就是用一个有利于细胞黏附和保持其功能的支架，在特定的骨诱导因子作用下，与富含骨始祖细胞共同作用。但是，到今天，能够血管化，具有一定力学强度的能促进骨传导和骨诱导的构造物也仅仅只是理论上的证明。 对细胞功能，细胞外基质形成的了解对我们制备有利于细胞吸附，保持细胞功能的支架是非常重要的。随着人口老年化问题的突出，一些由疾病或者外伤引起的组织缺损极大的降低了人民的生活质量，在临床上，人工关节的置换在治疗风湿性关节炎，骨关节炎以及骨质疏松症方面取得不错的效果，也极大的提高病人的生活质量，但是由于侵蚀作用，力学性质的改变等也会导致非常严重的后果。临床上也期望能发展一种能促进骨组织在生的新的治疗方法，即通过骨组织工程来制备一种“活的”，能与周围正常组织相互作用的修补物。 一般用来产生新组织的方法，是通过合适的三维支架在生物反应器内，让从活体组织中取得细胞进行增殖。一般生物反应器可以通过一个半透膜来进行气体交换，通过旋转来获得微重力环境以及构建组织生长微环境。 另外的一种方法就是将没有接种上细胞的支架放到体内，让周围的细胞向其扩散生长或者在植入几天后将细胞注射到支架上，即将人体作为一种天然的生物反应器。 一般来说，对于骨组织工程来说，一般可以分为六个阶段， 1，制造可吸收的支架。 2，在静态的环境下，将成骨细胞或者软骨细胞接种到支架上面。 3，在动态的环境中培养改组织。 4，将成熟的组织在接近生理条件下进行培养，生物反应器。
5，进行手术移植。 6，对移植后的组织工程支架进行观察，是否被肌体同化或者需要重新建立。 临床需求 骨折的治疗一直是社会经济学关心的问题，在英国每年在这个方面的发费达9亿英镑，并且随着老年化问题的不断突出，费用在逐步增加。每年在英国有150，000例由于骨质疏松导致的骨折。特别是股骨头骨折具有更高的致残率和死亡率，一般来说不到一半的病人在手术后能回家生活。30%到50%的臀部骨折患者需要再次进行手术效正，同时有很大部分的别人需要进行骨修补。由于在重建手术方面，技术和方法上的缺少，使得能够通过骨组织工程而受益的病人数目大大增加。很显然，在一些缺损修补手术中，我们需要具有更好生物相容性，能与天然组织相互作用的整形外科移入物， 目前使用的治疗方法包括自体移植法和同种异体移植方法，他们主要使用血管化的腓骨和髂骨顶部以及其他部位的骨骼。虽然这是整形外科常用的方法，但是它们仍有许多限制条件。自体移植，一般来自髂骨顶部，成本很高，并且受病人供体部位的健康状态影响;异体移植容易产生感染或者其他的疾病。 大体上，组织工程包含3个要素，1干细胞或者前体细胞，2适当的生物学支架，3生长因子。这个3个方面的任何一个方面的限制或者发展都会对组织工程产生一定的影响。 干细胞 长期以来人们就认识到骨组织具有很强的再生能力，因为其内部细胞具有一些干细胞的性质。这些多功能基质干细胞主要位于骨髓中，它们能分化为纤维原细胞，成骨细胞，破骨细胞，以及组织网状细胞。并且由这些干细胞产生的能演变成特定细胞株的始祖细胞似乎可以在外观上转变。对于很多种物种来说，通过移植，在体外进行扩增的骨髓细胞可以治疗小的骨缺损并且产生新的成骨组织。特别是人
宋涛，主任医师，硕士研究生，西安市红会医院骨显微修复外科主任。现任中华 医学会显微外科学会委员、中华医学会骨科学分会第十一届委员会显微修复学组委员、 中华医学会第四届医疗鉴定专家库成员、中国医师协会显微外科医师分会第一届委员会 常务委员、中国医师协会显微外科医师分会软组织修复（皮瓣）专业委员会第一届委员 会委员、中国医药教育协会骨质疾病专业委员会第一届常务委员、中国医师协会骨科医 师分会中西医结合骨科工作委员会委员、中国医药教育协会骨病老年骨创伤分会委员、 中国中西医结合学会骨伤科专业委员会足踝学工作委员会委员、中国医药生物技术协会骨组织库分会委员、中国修复重建外科专业委员会骨延长专业学组委员、首届中国研究型医院学会骨科创新与转化专业委员会显微骨科学组委员、SICOT中国部显微修复专业委员会委员、亚太修复重建联盟中国部委员、陕西省骨与关节学会微生物与感染分会副会长、陕西省保健协会手外科与显微外科专业委员会副主任委员、陕西省保健协会骨创伤微创修复专业委员会常委、A0创伤中国区委员会陕西分会第一届委员、中国医药教育协会骨科专业委员会西安培训基地第一届常委、西安医学会针法微型外科副主任委员、西安医学会显微外科学分会副主任委员、西安医学会医疗技术鉴定专家库委员、西安医学院教授、《中华显微外科杂志》特邀编委等。对四肢各类创伤、畸形及病变等治疗经验丰富，擅长周围血管、神经损伤，尤其是臂丛神经损伤及周围神经损伤的修复与重建及应用显微外科技术治疗骨感染、骨髓炎。主持参与省、市级课题5项。在国家级杂志发表论文20余篇。发表《足踝部创伤与矫形》专著1部。 田力、宁， 副主任医师，硕士研究生。1991年毕业于第四军医大学。毕业后分配到新疆南疆军区解放军第18医院，先后在广州军区广州总医院、第一军医大学、北京军区 总医院骨科等进修学习，2008年从部队转业到西安市红会医院。擅长四肢骨与软组织损 伤的诊断与治疗，其是开放伤、严重创伤的保肢与重建治疗，各种周围血管神经损伤的 诊治，骨与关节常见疾患、骨髓炎、骨结核的治疗。发表专业论文20余篇。 张文韬，副主任医师，在职博士。现任中国医师协会显微外科医师分会骨修复专业委员会第一届委员、中国健康管理协会健康科普专业委员会第一届委员、陕西省保健 协会手外显微外科专业委员会常务委员等。在核心期刊发表文章10余篇。参与省、市级 科研数项，主持院级科研项目1项。擅长四肢组织缺损的显微修复、皮瓣转移修复皮肤软 组织损伤、四肢骨不连的显微修复、周围血管损伤、周围神经损伤的显微外科修复、手 部损伤治疗及功能重建等。 江仁奇，副主任医师，中华医学会会员，中国医师协会骨科医师分会会员。曾在 台湾花莲、大林慈济医院、北京积水潭医院及第四军医大学西京医院进修学习，主编专 著1部，发表SCI论文2篇，中文核心期刊论文20余篇，多次在COA大会发言。擅长四肢骨 不连、骨缺损、骨感染、四肢组织缺损、周围血管、神经损伤的显微外科修复及重建； 膝、髓人工关节初次置换及翻修术，对复杂关节内及其周围骨折的治疗有丰富的临床经 验。 ■■■刘洋，副主任医师，硕士研究生。连续多年在COA大会、SICOT、亚太显微等大会发言。发表中文及SCI论文10余篇，国家发明专利2项，实用新型专利1项，担任国家及 省市及专业委员以上学术职务7项。2016年《中华显微外科杂志》朱家恺全国显微外科■1青年医师病例英文竞赛（广州）全国三等奖。擅长骨科及显微修复重建外科的常见病和多发病的诊治如开放性骨折、感染、创面修复、复杂骨折等，多次参加骨科的疑难病I“例、危重病例的分析、诊治、讨论和抢救工作。 从飞,在职博士，副主任医师。现为中国显微外科医师协会青年委员、中国医药教育协会骨科分会西安委员会常委、陕西保健协会手显微外科协会委员、骨微创专业委 员、陕西省医师协会骨质疏松委员会委员等。在SCI及中文核心期刊、统计源期刊发表专 业论文20余篇。擅长四肢复杂开放骨折的同期修复重建及保肢治疗、肢体感染及慢性创 面的治疗、创伤后肢体功能障碍的晚期功能重建等。
关节软骨损伤组织工程修复进展 关节软骨的损伤和病变是临床常见疾病，可以发生于任何年龄和性别。由于关节软骨没有血管、神经及淋巴组织，本身不含祖细胞，所以自身修复能力十分有限，一旦发生损伤，会导致关节肿胀和疼痛，加速骨关节炎的进展，必须进行修复或置换，如何有效地修复关节软骨损伤始终是医学界尚待解决的难题之一1。1987 年, 美国国家科学基金会(NSF)在加福利亚举行的专家讨论会上提出了“组织工程”的概念：运用工程科学和生命科学的原理和方法, 从根本上了解正常和病理的哺乳动物的组织结构与功能的关系, 并研究生物学替代物以恢复、维持和改进组织功能。Hunziker将其描述为是一种从结构和功能上重建哺乳动物组织的艺术。内容主要包括：(1) 细胞外基质替代物开发；(2) 种子细胞性质研究；(3) 组织工程化组织对各种病损组织的替代。软骨组织工程技术是在体外培养、扩增软骨种子细胞，并且以较高浓度将其种植于具有良好的生物相容性和降解性的支架材料上构建组织工程软骨，然后植入到组织缺损部位，完成组织的修复和重建。软骨组织工程的最终目的就是得到高质量的修复组织和长期有效的功能，为病人最终解决痛苦。从这种意义上看，组织工程方法是目前治疗关节软骨损伤最有希望的方法，是目前软骨损伤修复研究的主要方面。组织工程软骨的发展大致经历了三个阶段： 1.第一代组织工程软骨技术：骨膜覆盖自体软骨细胞移植。首先通过软骨活检取材后体外分离培养受体自己的软骨细胞，单层培养扩增，将扩增后的细胞再植回到软骨缺损部位。通常取胫骨内侧近端的骨膜，切成与缺损吻合的片状，缝合在缺损边缘，将骨膜移植覆盖缺损处表面以防止软骨细胞露出，自从瑞典的
技术市场 一、下颌骨修复重建方法的重要性及方法选择 下颌骨的重要作用在于它对面形、语言、咀嚼、呼吸等的支持，它的缺损会造成患者在生理、心理的影响，直接看到的是导致面部变形和严重的功能障碍。 下颌骨缺损修复重建的手术效果已经比较稳定可靠。近年来，坚强内固定技术发展很快，它首先应用于骨折的治疗，并显示出了独特的优点。有利于骨断段形成直接的骨愈合，对于骨折断端的愈合具有明显的促进作用，有利于缩短术后病人的恢复时间。对于移植骨愈合过程，移植骨的外形重塑及其术后功能效果都具有较明显的促进作用。 下颌骨修复重建的手术相对复杂，手术后存在着各种影响因素，导致术后并发症也相对复杂。因此，要进行恰当的临床处理，可以避免手术后并发症，提高手术成功率。 手术技术及手术设备的发展，使下颌骨缺损可以进行同期修复。下颌骨修复重建方法很多，如自体游离骨移植，骨替代物植入等。这些方法有利有弊，同时影响下颌骨缺损修复重建的效果还有很多其他相关因素。 医生在手术前应与病人进行充分的交流，通过交流了解患者各方面情况，尽量让病人了解哪种手术方式更适应病人治疗。移植骨的外形与下颌骨缺损类型是否匹配也是非常重要的影响因素。临床上经常采用的自体骨中肋骨及胖骨较细长，骼骨则较为宽厚。对于良性肿瘤切除后造成的较大范围的颌骨缺损的修复是非常好的选择。 恶性肿瘤手术后的缺损修复重建不适于选用游离骨移植，因为放疗及化疗能导致手术部位骨愈合受到影响，影响手术方式选择的重要因素还有恶性肿瘤切除后的软组织缺损。最经常采用的手术方法是钛功能重建板复合软组织瓣，并可以在术前或术后配合进行放疗。其他一些替代物由于排异性较大现在已很少采用，近年来许多新方法新材料也被引入了下颌骨缺损修复重建领域，但还没有作为常规方法用于临床选择。 二、在自体骨移植下颌骨重建中坚强内固定技术的应用 自体骨移植是下颌骨肿瘤切除后最经常采用的修复方法。影响骨移植手术成功的因素很多，重要的影响因素之一是移植骨的固定方法。传统的方法是使用钢丝进行固定，该技术移植骨固定不够牢固，影响移植骨的愈合，还会引起感染。随着技术的发展，坚强内固定技术被广泛应用于骨折的治疗，并显示出了独特的优点。 由于下颌骨特殊的解剖形态和功能运动方式，使自体骨移植下颌骨重建难度加大，为了保证在手术后下颌骨具有一定的功能活动度，促进骨愈合就必须保证移植骨的牢固固定及植骨部位与下颌骨之间的配合性。与骨折的愈合方式不同的是，移植骨部位是以一种“爬行替代”的方式愈合，对移植骨的愈合产生重要影响的是移植骨再血管化的时间及其再血管化的程度，移植骨的再血管化跟骨断端与移植骨之间必须牢固固定且必须符合不同部位下颌骨应力负载特点有关，对于骸状突无法保留的下颌骨游离缺损的修复必须在手术中依据健侧下颌升支高度决定患侧下颌升支高度，以保证下颌关节重建的精确性。移植骨的牢固固定对于下颌支及其解状突无法保留的病人非常重要。它可以创造更加有利于移植骨愈合的条件，保证骨接合部位的牢固固定，保证了移植骨愈合过程中的血供，及正常的咬合关系。 坚强内固定夹板类型及其固定部位的选择非常重要。必须依据下颌骨咀嚼时的应力线放置夹板的位置。在靠近牙槽部选用微型夹板，在下颌骨体部下缘采用小型夹板。夹板还必须放置在骨质坚实的部位，移植骨固定不牢导致手术失败。依据下颌骨外形，对于较大范围的下颇骨缺损可以选择较长多孔的固定夹板。 三、分析下颌骨重建术后的并发症 下颌骨术后缺损修复重建的并发症有多种，如果选择发不当的处理时机或者选择了错误的处理方法会降低下颌骨重建的手术效果，导致患者不同程度的痛苦，直至下颇骨重建失败。 并发症依据严重程度分为五级：重度、较重度、中度、较轻度、轻度。 异体骨移植最主要的问题是排斥反应。医生术后要对患者注意观察，要及时提醒病人手术不要马上咀嚼硬物，要注意延迟咀嚼。下颌骨手术后1个月内，手术部位的薪膜及其皮肤组织尚未长好，骨结合部位正处于再血管化阶段，同时手术后病人全身抵抗力较弱。咀嚼功能减弱，经常需采用鼻饲管进食流食，使患者抵抗力更差，极可能造成病人手术部位感染，所以手术后1个月内是患者出现并发症的高危时期，降低术后并发症的发生首先必须要保证手术方法选择得当，而且要贯彻到术前、术中和术后。只有这样才能获得较好的手术效果。作为医生必须要引起足够的重视，以便及时处理不良情况。 四、在下颌骨缺损修复重建中体内预成血管化骨的应用 体内预成血管化骨属于内源性组织工程化骨。将骨形成蛋白复合特定的载体植入体内的特定部位进行培养是目前最常采用的方法，经过一段时间的培养之后生成具有血管网并可携带一知名血管蒂的骨组织。然后将该骨组织取出，通过血管吻合技术修复骨组织缺损。这种方法解决了下颌骨术后低血管化区域骨组织重建的难题。 体内预成血管化移植骨适合重建的特点是可获得较多的新骨，能较大范围修复下颌骨缺损；可以控制体内预成血管化骨的形状，使种植物与周围的肌肉组织中的多能间充质有最大范围的接触；适合坚强内固定螺钉的锚入；预成血管化骨的移植成活率更高，它表现为由外部从方向随机进入新骨，决定了预成血管化骨的血供更好，提高了移植的成活率；另外，可以携带部分肌肉组织用于相应下颌骨区软组织缺损的修复，不会造成供骨区软组织的缺损。 浅论下颌骨缺损修复及重建 范大伟 （伊通满族自治县第一人民医院） 摘要：本文主要分析和探讨有关下颌骨缺损修复重建中修复方法选择、固定方法以及术后并发症的相关问题。为临床提供十分重要的依据。 关键词:下颌骨重建并发症 225 现代营销
《功能材料概论》期末小论文 浅谈仿生功能材料 摘要：随着人民生活质量的进一步改善和提高 ,人们的生活对各种科学技术的要求也不断提高，而许多科技产品的发展都需要新型材料的支持，而新型功能材料正好能为科技提供发展基础。什么是功能材料？功能材料具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，有特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。功能材料市场将很快转化为充满勃勃生机的现实市场,从而创造出巨大的社会经济效益，成为国民经济的一个支柱产业。下面我想谈谈功能材料的一个分支-----仿生功能材料 一、什么是仿生功能材料？ 仿生功能材料指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。自然界中存在的天然生物材料有着人工材料无可比拟的优越性能。我们通过研究他们的特点特性，制造我们能使用的材料，例如研究萤火虫发明人工冷光、研究电鱼发明伏特电池；研究苍耳属植物发明尼龙搭扣、研究鲨鱼发明特质泳衣…… 二、仿生功能材料的基本原理 现实生活中我们接触过许多动物与植物，例如屹立几百年而不倒的大树；几乎不发热量的冷血昆虫，而地球上所有生物都是由一些简单且廉价的无机和有机材料通过组装而形成，他们仅仅利用极少的几种元素，主要是碳、氢、氧、氮等组合而成，便能发挥出多种多样的功能，这实在令人叹服！在高分子化学世界里,我们已经制造出了聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸脂、聚酰胺等人工材料,具有多种多样的功能。但是,人类所创造的材料与自然界生物体的构成材料还有很大的不同，迄今为止，再高明的材料科学家也做不出具有高强度和高韧性的动物牙釉质；海洋中长出的色彩斑斓、坚固又不被海水腐蚀的贝壳。如果我们眼光投向生物体的材料构造与形成过程，在充分的理解生物现象之后，用生物材料的观点来思考人工材料,从生物功能的角度来设计与制作适合人类生活所需的材料。 三、仿生功能材料的运用举例及原理 1、自清洁玻璃
关键词：骨组织工程进展人体由于疾病（中毒、感染及先天畸形）和外伤、肿瘤等原因所造成的组织、器官的缺损及功能的丧失，可通过移植各种替代物加以修复。替代物包括自体组织、同种异体组织、异种组织和人工合成物质。虽然这些替代物均已应用于临床治疗，但不可避免地存在着种种问题及局限性，这就迫使整形外科及相关学科的工作者寻求更为合适、有效的替代物。近二十年来，由于组织类型培养技术的普及，细胞生物学、分子生物学、生物化学等学科的发展和生物医学材料的开发及利用，产生了一门新的学科——组织工程学（tissueenigeering）. 1组织工程学概况组织工程学是应用生物学和工程学的原理，研究开发能够修复、维持和改善损伤组织功能的生物替代物的一门学科[1]。其基本方法是将体外培养的高浓度的功能相关的活组织细胞扩增，并种植于一种生物性能良好、生物可降解性（或称生物可吸收性）的天然与人工合成的细胞外基质（extracelluarmatrix.ecm）上。然后将它们共同移植到所需部位，在机体内细胞继续增殖，而生物支架结构则逐渐被降解、吸收，结果形成新的有功能的组织器官，而达到修复结构、恢复功能目的[1～5]。目前，组织工程学包括以下几个方面的研究：①ecm开发；②种子细胞生物学性质；③组织工程化组织对病损组织的替代。组织工程学涉及各种组织和器官。各方面的研究均取得了一定的进展[1，2，4]。 2 骨组织工程的研究1995年cranegm系统提出了骨组织工程的概念、研究方法、研究现状及发展前景，引起了广大学者的关注[4]。近年来骨组织工程在以下几方面的研究取得了令人瞩目的进展。 2.1 ecm 替代物的开发ecm是稳定组织结构的一种相对惰性的支架结构，但它在调节与其相联系的细胞行为方面却起着十分积极和复杂的作用。ecm的成分包括不同类型的胶原蛋白、各种蛋白多糖、弹性蛋白及一些粘连蛋白。骨组织工程研究重点是寻求能够作为细胞移植与引导新骨生长的人工合成与天然的支架结构，作为ecm的替代物。这种支架结构需具有以下特点：①良好的生物相容性、生物可降解性；②良好的骨诱导性和骨传导性；③具有负荷最大量细胞的高渗透性；④支持骨细胞生长和功能分化的表面化学性质与微结构；⑤可与其它活性分子如骨形态发生蛋白（bmp）、转移生长因子-β（tgf-β）复合共同诱导骨的发生；⑥易消毒性[1，4]。ecm包括人工合成的ecm和天然ecm （natureextracellularmatrix,necm）. 2.1.1人工合成的ecm 目前使用的人工合成的ecm大多为聚合物（polymer）。聚乳酸（polyletic,pla）和聚羟基乙酸（polyglycolicacid,pga），是最常用的两种ecm替代物。近来聚乳酸与聚羟基乙酸共聚物（polylactic-co-glycolicacidplga）得到了深入的研究。其它聚合物还有多聚羟基酸、聚酣、聚亚胺、聚偶磷氮、胶原等。具生物活性的玻璃陶瓷（bioactiveglassceramics.bgc）、羟基磷灰石（hydroxyapatite,ha）、钙磷陶瓷（calciumphosphateceramic）即羟基磷灰石和磷酸三钙（ha/tcp）也可用于骨组织工程。它们具有良好的组织相容性、生物降解性、骨传导性[6～8]。羟基磷灰石骨水泥（hydroxyapatitecement,hac）或称磷酸钙骨水泥（calciumphosphatecement,cpc）由于具有易于塑形、自固化能力、与成骨相协调的降解活性等独特优点而日益受到重视。1991年美国食品与药物管理局批准进行hac人造骨临床试用，修复颅面部非负重区骨缺损，结果满意的恢复了结构的完整性[9]。珊瑚是一种海生无脊椎动物的骨骼，其化学成分99%为碳酸钙，还有少量其它元素和有机成分，类似无机骨。采用经特殊理化处理的珊瑚人工骨，其微孔道结构有利于骨组织长入和替代，是一种良好的骨替代品[10～11]。但珊瑚人工骨质地脆，吸收快，植入后有一定体积丧失，而限制了它的使用。金属、胶原、明胶、脂质体等作为ecm替代物也有报道。人工合成的ecm对人体来说仍是异物。植入体内，可引起不同程度的炎性反应，也存在免疫原性问题，致癌性问题。 2.1.2necm的研究为了解决人工合成的ecm所带来的问题许多单位已着手进行necm的研究工作。天然无机骨采用动物骨，经物理、化学及高温处理，除去其有机成分，保留无机成分的三维结构外型。其主要成分为羟基磷灰石，具有新生骨出现早、生长快、成骨量多的特点。
组织工程修复肩袖损伤促进腱骨愈合的研究进展 ——医多多 肩关节已成为继腰背、膝关节之后运动系统疼痛的第三大好发部位，特别是在60岁以上的老年人群中，肩袖损伤是引起肩关节疼痛的最主要原因，并且常伴有功能减退及睡眠障碍等。普通人群调查显示，肩袖全层撕裂的患病率为22.1%(147/664)，其中无症状患者约为有症状的两倍，并随年龄的增长而增加。 肩袖损伤的处理是复杂的，对于非手术治疗失败的患者可行手术一期修补。关节镜下肩袖修补术已成为肩袖损伤修复的“金标准”，具有创伤小、并发症少等优点，可以使绝大多数患者肩关节功能恢复以及长期的疼痛缓解。随着对疾病认识的不断加深和外科技术的发展，肩袖修补术在临床中取得令人满意的效果，但术后影像学随访发现解剖结构的生物学修复成功率较低，肩袖再撕裂的发生率文献报道也不尽相同，但仍然较高，尤其是长期的退变性大面积破裂的修复更容易失败，可高达94%。失败的原因是多方面的，可能与患者的年龄及身体状况、撕裂的大小部位及持续性、肌腱的质量、肌肉萎缩及退变、肌腹脂肪浸润、修复的技术和术后康复等因素有关。最主要的原因是很难重建正常的腱骨界面且过程缓慢。 肩袖是包绕在肱骨头维持肱盂关节运动和稳定性的一组肌肉，肩袖损伤常涉及到一个或多个肌腱逐渐退变而导致与肱骨相结合的部位撕裂。正常的腱骨结合结构由四层细胞类型、组织成分、机械性能及功能各不相同的过渡区域构成：致密纤维结缔组织、未钙化的纤维软骨、钙化的纤维软骨和骨组织。尽管进行适当的手术干预以及经历正常的愈合过程，肩袖残端与其肱骨插入点重新愈合的能力却是有限的，无法再生成损伤前正常组织学腱骨结合结构。为了使愈合的肌腱成功的重新整合到骨组织，需要提供一个理想的条件，提高肌腱细胞的活性增强新陈代谢，重建组织的生物力学特性，进而加速腱骨愈合，最终形成正常的腱骨插入点。 因此，寻找有效促进肩袖腱骨愈合的最佳策略成为目前临床及实验室研究的热点，新颖的生物学方法及材料应运而生：生长因子、修补支架以及干细胞的应用等。现就组织工程技术治疗肩袖损伤促进腱骨愈合问题综述如下。 生长因子
生物材料——骨组织工程讨论组织工程（Tissue Engineering）是近年来正在兴起的一门新兴学科，组织工程一词最早是由美国国家科学基金会1987年正式提出和确定的。它是应用生命科学和工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下结构与功能关系的基础上。研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态生物替代物的科学。 组织工程的核心就是建立细胞与生物材料的三维空间复合体，即具有生命力的活体组织，用以对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。共基本原理和方法是将体外培养扩增的正常组织细胞，吸附于一种生物相容性良好并可被机体吸收的生物材料上形成复合物，将细胞-生物材料复合物植入机体组织、器官的病损病分，细胞在生物材料逐渐被机体降解吸收的过程中形成新的在形态和功能方面与相应器官、组织相一致的组织，而达到修复创伤和重建功能的目的。 骨组织构建 构建组织工程骨的方式有几种：①支架材料与成骨细胞；②支架材料与生长因子；③支架材料与成骨细胞加生长因子。 生长因子通过调节细胞增殖、分化过程并改变细胞产物的合成而作用于成骨过程，因此，在骨组织工程中有广泛的应用前景。常用的生长因子有：成纤维细胞生长因子（FGF）、转化生长因子（TGF-ρ）、胰岛素样生长因子（IGF）、血小板衍化生长因子（PDGF）、
骨形态发生蛋白（BMP）等。它们不仅可单独作用，相互之间也存在着密切的关系，可复合使用。目前国外重点研究的项目之一，就是计算机辅助设计并复合生长因子的组织工程生物仿真下颌骨支架。有人采用rhBMP-胶原和珊瑚羟基磷灰石（CHA）复骨诱导性的骨移植、修复大鼠颅骨缺损，证实了复合人工骨具有良好的骨诱导性和骨传导性，可早期与宿主骨结合，并促进宿主骨长大及新骨形成。用rhBMP-胶原和珊瑚复合人工骨修复兔下颌骨缺损，结果显示： 2个月时，复合人工骨修复缺捐赠的交果优于单纯珊瑚3个月时，与自体骨移植的修复交果无明显差异。 目前，用组织工程骨修复骨缺损的研究，已从取材、体外培养、细胞到支架材料复合体形成等都得到了成功。有人用自体骨髓、珊瑚和rhBMP-2复合物修复兔下颌骨缺损，结果表明：术后3个月，单独珊瑚组及空白对照组缺损未完全修复；珊瑚-骨髓组和珊瑚-rhBMP-2组及单独骨髓组已基本修复了缺损；而骨髓、珊瑚和rhBMP-2复合物组在2个月时缺损即可得到修复。我们用骨基质成骨细胞与松质骨基质复合物自体移植修理工复颅骨缺损的动物实验，也取得了满意的治疗效果。 带血管蒂的骨组织工程是将骨细胞种植于预制带管蒂的生物支架材料上，将它作为一种细胞传送装置。我们将一定形状的thBMP-2、胶原、珊瑚复合物植入狗髂骨区预制骨组织瓣，3个月时，复合物已转变成血管化骨组织。