組織工程與細胞生物力學的進展綜述

孫藝 沈陽科技學院

組織工程與細胞生物力學的進展綜述

孫藝 沈陽科技學院

組織工程是目前發展最有潛力的學科之一，在再生修復醫學和人體健康方面應用前景十分廣泛。本文結合組織工程學與細胞生物力學，對細胞生物力學在軟組織和血液組織修復工程中的應用進行簡要的綜述，介紹了國內外的研究進展，以期為今后的研究提供參考依據。

組織工程 細胞生物力學 組織修復

組織工程的研究范圍十分廣泛，涉及材料學、細胞生物力學以及生命科學等醫學領域。細胞生物力學在組織工程中主要用于構建人工心肌、血管、神經、皮膚以及軟骨組織和器官，涵蓋了骨科、整形外科、五官科、再生與康復等醫學研究領域。本文從軟組織修復和血液組織工程兩個方面對細胞生物力學的應用進行綜述。

1 細胞生物力學在軟組織修復工程中的應用

人體的韌帶是一種連接骨骼的緊密結締組織，在體內分布廣泛，尤其是在接近關節處。韌帶的功能是保護關節，防止關節過度屈伸，主要成分是較厚的堅實的膠原纖維和少量的氨基聚糖。在人參加運動時經常會發生韌帶損傷，其中膝蓋韌帶損傷是運動相關損傷的主要類型，平均每年大約有150萬韌帶損傷病例，其中至少5萬患者需要進行韌帶修復。目前，治療韌帶損傷撕裂的方法主要是假體性植入物（人工及天然的）、同種異體移植物、異種移植物，單獨或與加強物合用修復以及采用合成修補物等。但是，這些治療方法都不能提供長期有效的作用。韌帶的合成材料移植雖然十分普遍，但在移植后容易出現移植物變形甚至喪失功能的情況。現階段異體移植仍然處于試驗期，有可能會引起傷口自發的免疫反應。而自體移植的材料來源有一定限度，同樣是矯形外科醫師需要面臨的困難。

美國率先采用自體移植物來取代受損前交叉韌帶（ACL）進行韌帶修復治療，其自體移植組織來自患者髕骨的跟腱、髂脛帶、股薄肌以及半腱肌。但是在這些部位取自體組織會引起供體相應部位功能及強度的喪失或降低，從而引發次級并發癥。同時，進行髕骨肌腱的自體移植時可能會發生跟腱斷裂情況。此外，ACL重建的外科手術復雜且價格昂貴，因此需要開發新型安全無排異現象的組織工程韌帶修復材料。目前組織工程化肌腱領域的研究主要在肌腱細胞外基質替代物、肌腱細胞生物學性質及其與細胞外基質材料復合等問題上，研制了適合肌腱細胞生長和發揮功能的細胞外基質材料，建立可調控生長和增殖的肌腱細胞系，在模擬體內力學條件下，對肌腱細胞進行了三維培養。

2 細胞生物力學在血液組織工程中的應用

近年來，隨著人口的激增，對于血液代用品的需求越來越大，僅靠醫院血庫和人員獻血難以滿足實際需要。而且，傳統輸血方式在血液貯存和運輸方面有著較大的困難，艾滋病、肝炎等各種病毒侵染的危險性較大，缺乏特殊血型，人口老齡化導致的健康供血人群不足等各種問題，給臨床醫療急救帶來巨大的困難。因此，國內外關于血液代用品的開發和研究逐漸展開，據估計全球每年輸血達三千萬單位，血液供給不足將會導致未來20年每年缺少約四百萬單位的血液，開發能夠使用人類全部血型的代用品將解決這一難題。美國FDA日前批準了一種含氟化物高分子膠體溶液作為血液代用品，氟碳化合物是由氟和碳組成的分子，與血漿或者水混合輸入人體，氟碳化合物會在全身循環，向組織輸送氧氣，起到與血紅蛋白一樣的功能。但是氟碳化合物雖然無毒性，卻容易在體內堆積不能排出體外，長期會引發健康問題。

目前，研究學者通過將人體血紅蛋白基因導入到細菌和植物中，進行人工制造血紅蛋白，發現一種煙草植物能夠合成人類血紅蛋白，但研制過程昂貴且產量較小不能滿足實際需要。研究學者還傾向于用脂質體包封血紅蛋白來作為血液替代品的研究，但是通常脂質體的穩定性較差，與天然紅細胞的形態不一致，并且沒有可變形性，因此臨床應用不多。血紅蛋白作為血液代用品的最新進展是研究學者運用化學修飾，將多個血紅蛋白分子聚縮成一個大分子，形成2-6個分子構成的聚合體，大大提高了輸送氧的速率。我國學者通過改型和去免疫化等方法成功將動物血紅蛋白轉化為人體血液代用品，臨床應用安全有效。在細胞生物力學和組織工程學理論的角度，深入認識細胞的形態結構及功能，在組織層面研究生物力學，以此為基礎，進行紅細胞重建工作，用磷脂和結構蛋白包封血紅蛋白，體外重建的紅細胞在變形性、脆性和彈力等生物力學特性上基本接近天然紅細胞，同時具有相同的雙凹蝶盤形態，穩定性和運送氧氣能力都較強。

細胞生物力學與組織工程學的有機結合，在細胞與組織水平研究信息傳遞及轉化規律，重點圍繞組織修復工程的基礎研究，在骨連接系統、心血管系統等方面發展相應的研究方法和技術，并將成果應用于人工血管、膽管、血液細胞、支架材料等方面，替代和修復人體病變損傷的組織器官，重建生理功能。

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