基质构建工程材料论文

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1简述骨髓间充质干细胞（BMSCs）

1.1BMSCs概念及其特点

间充质干细胞（MSCs）是一类来源于中胚层的具有自我更新及多向分化潜能的干细胞，广泛分布于骨髓、脐血、外周血、胎盘、胎肝、胎肾、胎肺、软骨膜、骨膜、脂肪及肌肉等组织中。BMSCs具有长的突触，最易获取，因此是目前用于MSCs研究的主要来源。MSCs在特定的条件下可以诱导分化为跨系，甚至跨胚层的组织细胞，成为现代组织工程学中理想的种子细胞；同时，MSCs易于导入外源目的基因，易于外源基因的转染和表达，因此也成为基因治疗的首选细胞。

1.2BMSCs的体外分离和培养

目前分离纯化BMSCs的方法主要有4种：（1）贴壁筛选法；（2）密度梯度离心法；（3）免疫磁珠分离法，但后2种分离法价格昂贵、操作复杂，其应用受到了限制；（4）流式细胞仪分选法。二维培养技术已普遍采用，尽管逐步得到改善，但仍存在难以克服的缺点：（1）贴壁的表面积有限，细胞产量低；（2）无菌操作过程繁琐，容易污染；（3）代谢产物逐渐堆积，排除不及时易引起细胞生长不良甚至退化；（4）细胞离开了体内同细胞外基质共同构成的三维立体结构，生物学行为受到影响，容易变异。因此，有人提出三维培养的设想。1998年，Qiu等对鼠骨髓基质进行三维培养。Glowacki等用胶原海绵作为载体进行三维灌注培养，减少了代谢产物的聚集，结果发现细胞外基质含量提高，所培养的细胞活性和功能均加强。大载体生物反应器已成功用于某些植物和动物细胞的大规模离体培养，能否将其用于BMSCs的扩增培养，并形成产业化，从而满足细胞工程和基因工程对种子细胞量的需求，还有待于一些问题的顺利解决。

2简述脱细胞基质（ECM）

2.1ECM的特点

ECM是应用物理或化学方法将异体或异种组织进行脱细胞处理，从而去除组织移植过程中引起排斥反应的相关抗原，以用于修复损伤组织的一种新型生物材料。ECM在生物补片材料领域具有重要的研究价值。ECM在组织学方面，它较好地保留了细胞外基质的主要成分和结构，为其植入体内修复缺损组织提供了物质基础。从猪小肠（SIS）制备的具有显著的组织来源特性，经常作为ECM支架的原型参照物。在冻干状态下，SIS含有90%的胶原，其中最主要的是I型胶原蛋白，并含有少量的III、IV、V和VI型胶原成分。猪膀胱制备的脱细胞膀胱基质（UBM）和SIS含有的胶原类型相同，但III型胶原含量稍多一些，并且UBM含有基底层特殊成分：VII型胶原，该型胶原是UBM区别于其他ECM的显著特点。在免疫学角度，它清除了具有强抗原性的各种细胞，所以组织抗原性明显降低。同时它具有良好的组织相容性这一生物学特点。不同组织来源的ECM显然具有不同的特性。目前ECM的应用方式有以下三种：（1）直接替代；（2）做为组织工程的支架材料；（3）埋植充填。ECM作为支架材料近年来发展迅猛，展示出强大的生命力及临床应用前景。并且已有应用于临床试验的报道。

2.2ECM的制备方法

含水的组织薄片可以直接用于支架材料；数个含水的组织薄片可以经真空压缩成一个多层的支架材料；含水的组织薄片也可以冷冻；冻干的薄片可以经粉碎制成微粒形式的材料；这种经粉碎的材料可以经胰酶消化制成液态的材料，可以再聚合成凝胶或者可以与合成聚合物聚合成一种混合的支架。但常用的为酶消化法、渗透溶液法和去垢剂清洗法。去垢剂多采用聚氧乙烯辛基苯基醚（Triton-x100），胰酶多采用乙二胺四乙酸（EDTA）。

3BMSCs与ECM构建组织工程材料

3.1BMSCs与ECM构建组织工程材料的可能性

组织工程学是近年来新兴起的一门学科，受到了科学界的广泛关注。其核心是利用组织工程学技术与生命科学的成果，将活细胞与生物材料结合，修复、重建、维持、恢复或提高人体组织的功能。理想支架材料应具备以下要求：（1）有良好的组织相容性；（2）生物可降解性；（3）无免疫原性；（4）多孔性和高空隙率，利于细胞的黏附和生长，诱导组织再生；（5）可塑性；（6）有一定机械强度。ECM作为一种天然细胞外基质生物材料，几乎具备以上各种生物特性，ECM是种子细胞及再生相关分子复合良好支架，保留了细胞外基质的生理结构，为种子细胞的种植提供了良好的三维空间结构和生长环境。种子细胞可以进入脱细胞后，与ECM成分相互作用，产生新生组织。植入体内后，干细胞能在体内分化、增值，理论上能丰富组织细胞和组织结构，解决组织修复不足的矛盾，提高远期效果。因此作为种子细胞的BMSCs与ECM构建是较理想的组织工程材料，具有良好的应用前景。

3.2BMSCs与ECM构建组织材料的特性

3.2.1生物相容性生物相容性是基质

材料在应用前首先要解决的问题。细胞与材料的黏附是体外构建组织工程的前提和基础，细胞必须与材料发生适当的黏附，才能进行迁移、增殖、分化及生物学活性的表达。Zheng等通过体内植入法证实脱钙骨基质与BMSCs具有良好的生物相容性，且具有体内成骨及成软骨能力。Wang等将BMSCs与完全脱钙骨基质在体外诱导培养成纤维软骨组织，结果显示完全ECM为多孔结构，孔隙较高，可提供宽大的内表面和空间，利于细胞的黏附和生长，镜下观察可见细胞良好地黏附于支架上，显示出良好的生物相容性。

3.2.2诱导活性

Li等研究发现，脱钙骨基质具有良好的软骨诱导活性，软骨细胞共同培养后基质中有较多Ⅱ型胶原表达。Mauney等发现三维的部分脱钙骨较其他合成材料具有更强的骨诱导活性以及促进人的骨骼间充质干细胞分化的能力。

3.2.3ECM的生物力学特性

胶原纤维的构型因素对ECM支架的生物力学性能的影响非常关键，其排列和组合方式是由原组织器官的功能所需决定的。Sun等制备的脱细胞骨基质在力学性质方面，较新鲜未脱细胞骨基质稍减弱，但两组在弹性载荷、破坏载荷、弹性模量方面差异无统计学意义，说明脱细胞过程对骨松质力学性质无明显影响。也有以新鲜猪肋骨为原料制备脱细胞骨基质，该材料的载荷-变形曲线显示，得出材料的弹性模量显著增加，但其压缩破坏负荷、破坏极限、压缩极限及极限比率等均有减少和降低，但与新鲜骨组织差异无统计学意义。也有用NaOH消蚀法制备脱细胞真皮基质，进行抗张力试验，将ECM片与Marlex网（来自美国巴德公司）裁剪成2cm×3cm大小的平片，置于夹持器上，以50mm/min拉伸，记录拉至补片完全断裂时所用的力。将单独ECM片与Marlex网行抗张力试验发现：Marlex网的抗张力高于ECM。但植入体内5周后，ECM筋膜组织的抗张力高于Marlex筋膜组织。与文献报道相似。当对SIS进行双轴力学性能测试的时候，其纤维排列方式使SIS显示各向异性的力学特点，在纤维纵轴方向上具有很好的张力和切向力。加上外力后，ECM内的纤维排列会发生变化，不仅是胶原纤维从典型的弯曲状态变成直线状，而且纤维还可以向张力方向发生扭转，只要在支架可承受的范围内，这种扭转是可以回复的，而且可以通过简单的仿射模型对支架胶原排列变化进行预测。但是过强且不对称的张力会造成扭转的不可回复，从而造成支架的整个生物力学特性的改变。

3.2.4ECM植入体内后的力学性能变

化植入体内后，ECM的机械性能会发生变化，这种变化和材料降解率、植入部位组织微环境和机械微环境关系密切，另外还和新生细胞种植并生成新细胞外基质的速度和范围相关。一些研究表明：植入后短期内，由于ECM在体内的快速降解，会导致承受张力能力下降，这在大鼠膀胱和肌腱的替代实验中，进行ECM的体内降解定量测定，均得出了类似结果。降解同时发现新生组织的替代，在重建的早期，降解较快，但新生的ECM组织却未能完全替代，因此导致最初的力学性能下降。但是，一旦迁入的细胞定植后开始在ECM上扩增，则产生快速的ECM支架重构，从而支架强度和力学性能重新获得改善。

4盆底重建中的应用

盆底重建外科是一个新的亚学科，旨在研究由于盆底支持结构损伤、缺陷及功能障碍所致疾患的诊断与处理，其研究的主要问题是女性压力性尿失禁（SUI）和盆腔器官膨出（POP）。目前认为各种利用补片的术式是治疗POP的最佳手段，临床广泛使用的聚丙烯合成材料的补片虽然疗效确切的优点，但具有顺应性差、组织侵蚀性强及感染率高等缺点，并导致性交痛等相关并发症。而选择经过ECM是克服上述固有缺陷的方法之一。ECM材料植入人体后最终会降解，通过致胶原组织增生、周围组织移行而形成支撑结构，从而达到支撑盆底的作用。相对于传统的聚丙烯补片，其优点是组织侵蚀率低，术后性交痛、盆腔慢性疼痛及小便困难的发生率低，其顺应性也相对较好。因此ECM补片有可能成为未来最有希望的盆底补片。作为理想的盆底补片材料和理想的盆底组织工程支架，其标准其实并无差异：要求安全、相对持久、有一定抗菌性以适应盆底特殊环境；其次要有好的组织相容性，可降解的同时，能够做到有效的盆底组织替代，而非瘢痕增生；另外，盆底为腹腔最低处，要求材料具有一定的强度能经受腹压增加时的张力，而且还要有一定的顺应性，能缓解腹压增加的力学传导。如果能在ECM材料上选择干细胞作为种子细胞，构建组织工程补片应该是解决组织修复不足的关键，组织工程补片植入体内后，无异物排斥反应，具备良好的顺应性，补充盆底组织，增加盆底强度，从而达到支撑盆底的作用，与当前的合成材料补片相比，具有显著优点。在ECM上种植具有多项分化潜能的细胞，该细胞不仅能进一步提高ECM的顺应性，还能在体内分化，增殖，从而丰富盆底细胞和组织结构，解决组织修复不足的矛盾，提高远期效果。

作者：王颖楠 赵敏 徐惠成 单位：解放军第113医院 第三军医大学西南医院