天然生物材料在组织工程和再生医学中的应用

刘 鑫，齐 磊，左明星，夏中博，徐兰举

（河北柯瑞生物医药有限公司，石家庄 052165）

0 引言

天然生物材料通常指来源于动植物或人体内的、天然存在的大分子物质，能在机体生理环境下，通过水解、酶解等方法逐渐降解成机体内自身存在的小分子物质，然后通过新陈代谢完全吸收或排泄，对机体本身无毒副作用。天然生物材料由于其良好的生物相容性、生物降解性和重塑能力，而被广泛应用于修复或替换体内受损的组织和器官。此外，天然生物材料还具有支持细胞迁移、增殖、分化和黏附的能力，进而促进组织再生。这些特性对于组织工程至关重要[1-2]，目前已被广泛应用于各种生物医学领域。

组织工程是一门将细胞生物学和材料科学相结合进行体外或体内构建组织或器官的新兴学科。组织工程学提出了复制“组织”“器官”的思想，为再生医学的崛起开辟了道路。再生医学主要包括干细胞与克隆技术、组织工程、组织器官替代品、异种器官移植等，是利用人类自身治愈能力，使受到巨大创伤的机体组织或器官获得再生能力，而天然生物材料正是实现组织再生的关键载体。

只有充分了解各种天然生物材料的自身特性，才能设计出可以模拟机体组织学特性以及与生物机体完美结合的医疗产品。本文重点介绍几种天然生物材料的性质，回顾近年来其在组织工程和再生医学中的应用，为生物医学工作者在天然生物材料的选择、疾病的预防治疗以及患者愈后生存质量的改善提供改进意见。

1 天然生物材料性质及应用

天然生物材料可分为蛋白质类生物材料、多糖类生物材料和脱细胞组织衍生生物材料。蛋白质类生物材料包括胶原、明胶和丝素蛋白等，多糖类生物材料包括纤维素和壳聚糖等，脱细胞组织衍生生物材料包括动物皮、脱细胞血管、肝脏等。天然生物材料种类不同，性质也有很大差别，在生物医学领域的不同方面发挥各自的独特优势。下文分别具体介绍这三大类天然生物材料的特性和应用。

1.1 蛋白质类生物材料

1.1.1 胶原

胶原是人体内最丰富的天然聚合物，占人体蛋白质的三分之一，占皮肤干重的75%[3]，主要由甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸组成，形成三股螺旋结构，在组织、骨等细胞外基质中以胶原纤维状态存在（如图1所示）。胶原蛋白具有较高的抗拉强度，可以维持和稳定机体组织结构。胶原蛋白的力学性能、导电能力、生物相容性以及与其他聚合物良好的兼容性使其成为组织再生的理想材料。

图1 胶原纤维结构

胶原蛋白在引导组织再生方面发挥着巨大作用，目前已被广泛用于止血敷料和组织修复等产品的开发。胶原止血敷料在外科手术止血方面具有较高的可靠性和安全性，如胶原蛋白海绵、胶原止血纤维等（如图2所示）。胶原诱导血小板释放和聚集，启动内源性凝血机制迅速止血。动物实验结果表明，胶原止血纤维在SD大鼠肝脏以及家兔股动脉止血方面效果良好，与已上市多聚糖止血粉产品相比止血更迅速（见表1）[4]。该产品有望在外科手术中明显缩短止血时间，改善患者预后。目前，利用胶原蛋白研发受损器官或组织的高性能有效替代材料是组织工程的研究热点，如人工皮肤、人工骨、人工血管等。如日本Gunze公司生产的人工皮肤PELNACTM敷料，是将胶原蛋白海绵与硅胶膜复合制成双层人工皮肤（如图3所示）[5]，用于深度烧伤、慢性溃疡创面等全层皮肤缺损的修复，可有效诱导真皮组织再生。随着科学技术的不断进步，胶原生物工程膜也得到了显著发展，如韧带、心脏瓣膜以及血管膜等。另外，胶原蛋白还广泛应用于药物传输系统，制成注射型水凝胶和微胶囊等。我国在研究胶原膜释药和角膜上皮愈合等眼科疾病的治疗方面取得了显著成功[6]。

图2 胶原蛋白生物材料

表1 不同止血材料的止血时间比较[4]

胶原蛋白的导电性能使其成为神经组织工程中的理想材料，其电导率约为0.3 S/m，将该材料与其他聚合物结合，可改善其在组织工程上的实用性[7]。聚合物材料越导电，其支架上的细胞附着越好、增殖越快[8]。Cho 等[9]用嗜铬细胞瘤（PC12）细胞进行试验，研究碳纳米管/胶原复合支架材料的导电性能对神经细胞轴突再生的影响，试验组对植入的复合支架材料进行电刺激，同时设置对照组试验，结果显示，与未受电刺激支架相比，电刺激支架神经轴突生长更快、再生的神经细胞密度更高、细胞具有更大的活力，表明胶原蛋白通过碳纳米管的导电能力可以更好地促进神经生长[9]。

胶原蛋白可被机体内天然胶原酶降解，降解时间主要取决于胶原蛋白的分子量和交联度。胶原降解为小分子后，经过组织吸收和新陈代谢排出体外，对机体不会产生毒副作用，在组织工程和再生医学领域具有巨大的应用开发前景。

1.1.2 明胶

明胶是由动物皮肤、骨、肌膜等结缔组织中的胶原部分降解成为白色或淡黄色、半透明、微带光泽的薄片或粉粒，是胶原变性的产物，没有固定的结构和相对分子量。明胶作为一种天然高分子亲水胶体，被广泛应用于医疗领域。明胶的结构与生物体组织结构相似，具有良好的生物相容性和生物可降解性，其降解产物易被吸收且不产生炎症反应。美国强生公司生产的可吸收止血流体明胶SURGIFLO，适用于创面毛细血管、静脉和细小动脉等出血时的辅助止血，该产品黏附性好、快速有效、止血后可降解吸收、无毒副作用。

图3 人工皮肤PELNACTM[5]

明胶医用纤维机械强度较差，与其他生物材料共混纺丝制备膜材料可以明显改善其力学性能。国内外研究最多的明胶复合材料是壳聚糖-明胶共混膜、明胶-丝素共混膜以及聚乳酸-明胶共混膜等，明显改善了明胶的理化性能和功能性。明胶复合材料用作组织工程支架和信号分子载体，是目前生物材料的研究热点之一。除此之外，实际应用中常对明胶进行化学修饰，调控其降解速度以适应不同的需要。明胶溶液经过交联改性形成水凝胶，冻干制成多孔支架材料，可以根据不同组织修复要求，调控孔隙率和孔径，设计成理想的组织工程产品。由明胶膜和甲基丙烯酸2-羟基乙酯（HEMA）制备的双层膜有望作为人工皮肤，可用于烧烫伤患者的皮肤愈合[10]。

目前，药物局部传输也是再生医学研究的热点之一，如微球，在药物输送、骨组织工程和再生等方面显示出巨大的潜力。利用微球修饰技术调控物质的吸收和解吸以及所载药物组分释放的动力学，可使药物更好地发挥预期的功能[11]。在兔骨质疏松性骨缺损模型中，含有降钙素基因相关肽（CGRP）的明胶微球可以促进骨生长，骨生长速率与给药剂量呈正相关[12]。纳米粒子具有包裹亲水大分子的潜力，将聚乙二醇注入明胶纳米粒子，然后与乳腺癌或BT-20细胞孵育，随着纳米粒子被肿瘤细胞内化，缓慢释放包裹药物，在靶定细胞发挥药效，这一方式可作为体内长效循环给药系统。随着生物技术的发展，明胶材料在医疗方面的应用会越来越广泛。

1.1.3 丝素蛋白

天然丝素蛋白是由节肢动物如蚕、蜘蛛、苍蝇、螨或蝎子产生的，具有良好的机械性能、生物相容性，易于纯化，已被广泛应用于生物医学领域。桑蚕丝作为外科手术缝合线已经使用多年。

丝素纤维由外围的丝胶包裹丝素蛋白组成（如图4所示）。丝胶具有一定毒害作用，容易引起生物体自身的超敏反应。组织工程的丝素材料是经酶法或碱法脱丝胶处理的丝素蛋白，故具有良好的生物安全性、优良的生物学性能和力学性能。丝素蛋白为水溶性蛋白，可以溶解在一些盐溶液中，再生为其他形式，如薄膜、电纺纤维、多孔支架或水凝胶，反应条件温和，不需要引入苛刻的化学物质[13]。

图4 丝素蛋白化学结构和形态

近年来，丝素蛋白在生物医学方面的应用有了更广阔的前景。天然丝素韧性强、延展性好，为高强度材料，具有应变硬化倾向，是优选的组织工程承重支架材料。丝素已广泛应用于血管移植、骨、软骨、韧带、皮肤组织工程等多个领域。电纺纳米纤维应用于血管移植，显示出良好的细胞附着能力以及血液流动所需的力学性能。在骨组织工程中，电纺丝基质支持骨髓基质细胞的附着和细胞外基质的形成。多孔丝素蛋白支架植入机体前与细胞一起孵育，可明显增加再生骨组织的血管化[14]，是促骨组织再生的理想材料。丝素蛋白支架也可用于软骨组织修复和韧带组织工程，将丝素-胶原蛋白海绵与基质细胞衍生因子1（SDF-1）组合，可作为肌腱再生的良好支架，黏附成纤维细胞，减少炎症因子的积累[15]。此外，丝素蛋白还可与Ⅰ型胶原蛋白或壳聚糖结合组成复合支架，模拟皮肤的细胞外基质[13]，是人工皮肤的良好材料。另外，丝素蛋白支架还可作为药物载体，通过电纺和功能化来释放蛋白质、DNA、抗生素或银纳米颗粒等。

丝素的降解过程从几个月到几年不等，丝素的分子构象、结晶度、交联程度、材料的形态等对丝素的降解速率有明显影响[16]。实际应用中，要注重材料的加工工艺，从而获得预期性能的材料。

1.1.4 纤维蛋白

纤维蛋白是人体内天然产生的聚合物，具有高度的生物相容性，并且能抵御与人体不相容的物质。纤维蛋白被设计成多种形式的医疗产品应用于组织工程领域。如纤维蛋白胶用于眼科手术的组织黏合、肺切除后胸腔填充物和外科手术中的止血；纤微蛋白粉末用作止血剂，也可与抗菌素共用来填充慢性骨炎和骨髓炎手术后的骨缺损；纤微蛋白止血海绵用于肝脏止血及疝气修复、扁平瘢的治疗和唾液腺外科手术后的组织填充物等；纤维蛋白薄膜用于神经外科中替代硬脑膜和保护末梢神经缝线，也可用于烧伤治疗，消除颌面窦和口腔间的穿孔。另外，基于纤维蛋白凝胶的细胞载体可以保护细胞在输送过程中免受外力的破坏，提高细胞活力，促进组织生长。据报道，可注射纤维蛋白支架已用于治疗受损的心脏和软骨组织[17]。

纤维蛋白自身降解过快和力学强度不够限制了该材料更广泛的应用，近年来将纤维蛋白与其他材料复合制备仿生材料成为研究重点。

1.2 多糖类生物材料

1.2.1 纤维素

纤维素是自然界中极其丰富的天然生物材料，可再生，广泛应用于生物医学领域。相邻纤维素链的羟基之间存在分子间和分子内的氢键，虽具有亲水性，但不溶于水，很难用普通的有机溶剂溶解[18]，在生理条件下很稳定，因此成为一种理想的组织工程材料。

纤维素具有良好的生物相容性、足够的力学性能、抗炎和抗癌作用[19]，被应用在移植物设计、药物释放、离子交换以及伤口愈合等多个方面。纤维素作为生物材料所面临的最大问题之一就是降解问题，机体内缺乏能降解纤维素的酶。研究发现，通过高碘酸盐氧化可以在体外促进纤维素的降解[19]。

再生氧化纤维素是纤维素的衍生物，具有良好的生物相容性、生物可降解性并且无毒，目前已被广泛用于医疗领域。如美国强生公司生产的速即纱，由再生氧化纤维素制成，质地柔软，如薄纱状或棉布状，可以按出血部位修剪成任意形状，主要用于胆囊、宫颈等手术部位的快速止血以及主动脉移植物表皮损伤的修复等。未来对纤维素化学性能和降解性能的优化将进一步推进该材料在组织工程和再生医学领域的应用。

1.2.2 细菌纤维素（BC）

BC又称微生物纤维素（如图5所示），是由细菌合成的一种可生物降解的天然纤维素，纤维直径为20~100 nm，生产成本相对较低。BC可以由木质素杂化杆菌、醋酸杆菌、根瘤杆菌、假单胞菌等几种类型的细菌合成，形成独特的织态结构，具有高吸水性、高保水性、对液体和气体的高透过率、高湿态强度以及原位加工成型等特性。

图5 细菌纤维素化学结构

BC作为一种新型纳米材料，具有良好的生物相容性和生物可降解性[20]，已广泛应用于医疗领域。BC可作为人工皮肤用于伤口的临时包扎，如Biofill和Gengiflex产品，已广泛用作外科和齿科材料。Biofill敷料用于二级、三级烧烫伤，可充分渗透和吸收伤口渗出液、抑制皮肤感染，成功替代了人工皮肤；Gengiflex可用于齿根膜组织的修复。基于BC的原位可塑性设计出的一种新型生物材料BASYC，已在显微外科中用作人工血管。BC与Ⅰ型胶原复合制成了具有良好生物相容性和抗拉强度的创面敷料。此外，透明的BC伤口绷带可以吸热、减轻疼痛，对烧伤患者有很大帮助[21]。

1.2.3 壳聚糖

甲壳素，又名几丁质，化学名称为聚N-乙酰葡萄糖胺，主要存在于甲壳类动物如虾、蟹、昆虫的外壳及高等植物的细胞壁中，是仅次于纤维素的第二大天然多糖。壳聚糖是甲壳素的主要衍生物，是通过甲壳素部分脱乙酰化得到的，壳聚糖的结构由于C-2位脱乙酰度不同而有所不同（如图6所示）。通过改变甲壳素的脱乙酰度来改变其溶解度和溶液性质。壳聚糖典型乙酰度小于0.35，无细胞毒性[22]。

图6 壳聚糖化学结构

壳聚糖具有良好的生物相容性、生物可降解性，其作为一种组织工程支架材料，有着良好的应用前景，易被加工成多孔支架、薄膜和微球，在骨组织、中枢神经和关节软骨组织工程等方面均发挥重要作用。多孔壳聚糖支架作为机体植入物，在种植体的孔隙空间内形成结缔组织基质，且特异性细胞反应和血清学反应的发生率很低[23]，是理想的组织再生材料。

在伤口愈合方面，壳聚糖生物材料可明显改善与哺乳动物组织的相互作用，包括成骨细胞、成纤维细胞、巨噬细胞和角质形成细胞，有助于组织的再生和修复。此外，甲壳素及其衍生物还可增加细胞外溶菌酶活性，抑制纤维增生，并促进组织生长，使伤口更好地愈合[21]。研究证实，壳聚糖自身物理机械性能较差，因此常用作复合材料[24]。壳聚糖可与胶原、透明质酸、二氧化硅等复合制备成为薄膜、海绵、可注射型水凝胶形式，广泛应用于骨组织修复领域。如微孔壳聚糖/磷酸钙复合支架，既保持良好的生物相容性，又增强了支架的机械强度，还表现出良好的成骨细胞附着能力；壳聚糖-糖胺聚糖（GAG）复合材料已被成功应用于关节软骨修复[24]。

生物质能是可再生能源的重要组成部分。随着世界经济的快速发展，能源紧缺问题和环境污染问题日益严峻，研究生物质能源开发利用可以缓解环境压力，对解决能源、生态环境问题将起到十分积极有效的作用[1]。微藻是制备生物柴油的理想原料，具有生长迅速、能够实现大规模养殖的优点[2]。伴随着燃料乙醇和生物柴油等第一代生物质能被不断消耗利用，以及以麦秆等农林废弃物为主要原料的第二代生物燃料面临开发技术成本较高等问题，以微藻为原料的第三代生物质能将是更加有效的理性选择，也是生物燃料未来必然的发展方向[3]。

壳聚糖微球作为一种新型的药物载体也备受关注，在药物输送和缓控释方面发挥重要作用。壳聚糖的降解性能与聚合物乙酰化程度及分子量有关。在脊椎动物中，溶菌酶和细菌酶都会使该生物材料发生降解。Kean等[25]研究了以不同方式给药时壳聚糖的降解情况：口服时，降解主要发生在胃肠道；静脉给药则可能在肝、肾中降解。

1.2.4 海藻酸盐

海藻酸盐是一种天然聚合物，存在于褐藻中，常制成凝胶剂，类似细胞外基质的结构，用于伤口愈合、药物输送和组织工程[26]。高纯度的海藻酸盐具有很好的生物相容性，无免疫原性，可用于人体。海藻酸盐在人体内降解速度较慢，适用于需要长期使用的临床应用中，如被用作心肌修复的生物材料。通过离子交联、部分氧化交联等方法对海藻酸盐进行改性制备凝胶，可以改善海藻酸盐的降解性能。

利用海藻酸盐材料设计用于组织再生的细胞培养支架，模拟天然细胞外基质的网络结构是很重要的，细胞外基质为机体组织提供结构支持，并负责细胞间的信号传递，可以为原生细胞提供必要的结构支撑，产生最佳的细胞通讯作用[27]。海藻酸盐的结构类似于心脏组织的细胞外基质，使其成为心脏组织工程理想的生物材料。如何设计出仿生天然细胞外基质的藻酸盐支架，激发原生心脏组织的功能，将成为未来研究的焦点。

海藻酸盐还可与羟基磷灰石结合制备骨再生支架，双组分形成多孔微球支架，使细胞更紧密地整合，并且随着材料的降解骨再生结构更加稳定[28]。海藻酸盐也被广泛用作药物载体，控制药物的释放。例如，海藻酸盐支架可作为一种神经桥，富集2种促进脊髓修复的生长因子来治疗脊髓损伤，增加脊髓损伤中存活神经元的数量[29]。

1.3 脱细胞组织衍生生物材料

脱细胞组织基质（acellular tissue matrix，ACTM）是应用物理或化学方法将同种异体或异种异体组织进行脱细胞工艺处理，去除组织移植过程中引起排斥反应的相关抗原，以用于损伤组织修复和再生的一种新型生物材料。ACTM衍生材料生物相容性良好，并具有良好的机械强度，能够诱导并促进细胞的黏附、增殖、分化及组织形成，具有广泛的开发和应用价值。ACTM的应用开辟了组织与器官修复及重建的崭新途径，但仍有许多问题尚待研究。目前已开发的ACTM大都是结构和功能上比较简单的软组织，如真皮、黏膜、心血管和神经脱细胞基质等。

1.3.1 脱细胞真皮、黏膜基质材料

目前研究最为广泛的是脱细胞真皮基质，其独有的三维结构为组织细胞提供了一个生长代谢的立体框架，植入后胶原蛋白成分可主动诱导和促进周围细胞的迁入、黏附、增殖和分化，迁入的细胞进一步对材料进行改造、降解和塑形，实现组织的形成和结构重塑[30]。如AlloDerm，来源于人的皮肤，其质地、韧性接近于人的软组织，被烧伤、整形外科广泛应用。

1.3.2 脱细胞心血管、神经基质材料

脱细胞心血管基质材料主要包括一些小口径血管、心脏瓣膜、心包等[31]。脱细胞神经基质来源于天然的神经支架结构，采用适当方法去除同种异体（或异种）神经中的细胞及髓鞘成分，保留各层神经膜性结构支架。脱细胞基质构建的人工神经可接纳神经轴突长入，对轴突再生起机械引导作用，残留部分生物活性因子有效促进神经组织的再生[32]，有望成为神经修复的新型生物材料。

未来几年对于骨、软骨等硬组织，结构功能复杂的肝、肾组织ACTM的开发，以及与组织工程学方法相结合重建器官等，将成为进一步研究的热点问题。在重建填充软骨组织时，制造出类似于天然软骨组织的微环境仿生支架仍然是一个主要的挑战。

2 结语与展望

天然生物材料具有良好的生物学功能和生物适应性，在止血、加速创面愈合、药物输送、诱导组织和器官再生等方面具有强大的优势，已引起国内外医务界广泛的关注。在致力于合成和开发新型材料的同时，也要对现有天然生物材料的特性深入探讨和研究，使之能够最大限度地仿生天然组织的结构和功能，为细胞和组织再生提供最佳的生理环境。

天然生物材料同时也存在一些问题。首先，天然生物材料在植入机体后可能产生免疫反应。其次，一些天然聚合物不太稳定、易分解，难以维持特定的形状和尺寸。此外，还应关注动物来源的生物材料具有不可预见性以及批次间多变性[2]等问题。只有充分掌握这些生物材料在临床应用中的优缺点，才能设计出与人体组织相适应、与机体免疫系统关系友好的医疗设备，进而使生物医学工作者在疾病的预防、治疗以及患者愈后生存质量的改善中做出巨大的改进。

未来几年，开发具有主动诱导、激发人体组织和器官再生修复功能的活性生物材料，血液相容性人工脏器材料，多功能纳米级的生物材料将成为更大的研究热点。随着材料科学和高新技术的迅猛发展，对用于组织工程和再生医学的天然生物材料的研究会越来越深入，必将推进生物医药产业的发展，更好地为保障人类健康服务。