人工真皮支架研究現狀及其發展,醫學工程論文

人工真皮支架研究現在狀況及其發展,醫學工程論文人工真皮支架材料是運用生物化學方式方法將天然或人工合成的聚合物運用于臨床，以到達維持皮膚干細胞繁衍，且對人體無毒性作用的生物材料。良好的人工真皮支架材料，能夠讓皮膚組織工程盡可能地接近正常皮膚組織，以到達皮膚再生的目的。當前的研究重點是將人工合成類聚合物與天然材料通過一定的生物化學方式方法及比例進行組合，以構成具有良好的可塑性及適宜的力學特性、高度孔隙度的三維立體構造及生物相容性的復合型支架。支架材料作為再生模板和基材，其在創面修復的經過中，不僅起到支持細胞和組織的作用，還能影響細胞的發展形態，調控和誘導細胞與組織的分化，以此構成新的組織或器官。人工真皮支架材料需要在人體中構成具有良好生物相容性、可降解性及抗菌性，且以利于皮膚干細胞黏附，并在其外表上生長繁衍，為皮膚干細胞提供良好的微環境[1].適宜的支架材料在人工真皮創面的修復經過中起著極其重要的作用。按其來源分為人工合成類與天然類，且各有優缺點，現分別綜述人工真皮支架研究現在狀況及其發展，并列舉新的研究重點。1人工合成類真皮支架材料當前合成類支架材料以聚乙交酯、聚己內酯、聚羥基烷酸酯、聚碳酸酯類等聚酯類支架材料為主。作為支架材料，其降解速度具有可調控性，且具有出色的機械性能。因而，合成類支架在生物工程皮膚中占有一席之地。1.1聚乙交酯聚乙交酯又稱為聚羥基乙酸,其降解產物為對人體無毒性作用的H2O和CO2.因其可被制成具有良好的三維構造的材料，能夠為細胞提供適宜的黏附場所。其良好的生物相容性、可降解性及顯微構造使其成為支架材料的可選材料之一。Sekiya等[2]將電紡技術生產的聚乙交酯/膠原納米纖維應用于小鼠的皮膚缺損模型，并將其與市售的膠原基質在顯微鏡下進行比照。結果發現，在聚乙交酯/膠原組織學表現出較高的細胞密度和細的顯微組織構造。證明聚乙交酯/膠原納米纖維作為支架材料能夠有效地促進微血管生成。郭正等[3]結合聚乙交酯纖維和聚丙交酯纖維體外降解性及細胞在2種纖維上黏附情況的優勢，設計了一種新型纖維基組織工程肌腱支架，其具有適宜的降解速度，又能為細胞黏附提供場所，可作為一種理想的支架材料。1.2聚己內酯聚己內酯降解后的產物為CO2和H2O,不對人體產生任何毒性。Gholipour-Kanani等[4]運用人工合成類聚合物與天然材料根據一定的比例組合成聚己內酯-脫乙酰殼聚糖-聚〔乙烯醇〕納米纖維支架，并將其應用在小鼠的全層皮膚缺損及燒傷模型中，并與單獨運用人工合成類聚合物基天然支架進行比照。結果發現，該類支架在創面修復經過中更能表現出良好促進傷口愈合的能力。Duan等[5]通過在改性明膠和聚己內酯電紡膜上播種人角化細胞〔HaCaT〕并對HaCaT細胞附著和增殖進行測定，結果顯示，其具有良好的生物相容性；并將其應用到裸鼠的皮膚缺損中，結果顯示，其具有良好的修復能力。運用靜電紡絲技術將殼聚糖/聚己內酯制成的納米纖維支架材料能夠加強支架的生物活性，且促進蛋白質吸附于支架上，其與真皮類似的、良好的納米孔徑能夠更好地誘導肉芽生長[6].1.3聚氨酯聚氨酯全稱為聚氨基甲酸酯，其具有優良的生物體相容性，因而，其作為生物醫用材料具有良好的應用前景。Mi等[7]通過掃描電子顯微鏡〔SEM〕觀察聚乳酸〔PLA〕和熱塑性聚氨酯〔TPU〕發現，其微觀構造和外表粗糙具有作為人工支架的機械性能，并在材料上培養3T3成纖維細胞發現，該支架支持細胞增殖和遷移正常，以為其具有作為組織工程支架的可能性。Kim等[8]利用蜂膠與靜電紡絲化的聚氨酯復合納米纖維根據一定的比例合成一種新的聚合物〔靜電蜂膠/聚氨酯復合納米纖維〕，通過電場槍掃描電子顯微鏡、藥敏試驗、細胞吸附試驗、細胞生長及MTT試驗顯示，靜電蜂膠/聚氨酯復合納米纖維具有良好的氧通透性、抗菌性、細胞黏附性及生物相容性，展示其在傷口敷料及皮膚組織工程上具有的宏大潛力。Heo等[9]利用銀離子的抗菌性，將銀磺胺嘧啶與聚氨酯及明膠混合構成共聚物支架，該種支架在促進皮膚再生的同時，也能夠防止細菌的入侵，促進傷口愈合。2天然類支架材料膠原、殼聚糖、透明質酸、羧甲基殼聚糖及絲素蛋白等作為天然類支架材料，其容易獲得，制作工藝不復雜，制作成本較低，且在組織相容性、理化性能及生物降解性等方面，相比人工合成材料有良好的優勢。但存在抗原性能否完全消除、疾病傳播的可能及降解速度難以把握等缺點。當前的研究主要在于將天然支架的材料根據一定的生化技術與其進行組合，以改善其缺乏之處，并設計出愈加適宜的支架材料。2.1膠原膠原凝膠和膠原海綿作為支架材料具有較長的歷史，由于其來源廣泛，具有良好的細胞黏附性，還可誘導某些細胞生長因子的釋放，具有良好的可降解性，其產品被廣泛用于組織工程皮膚支架。Integra人工真皮以牛膠原為主要成分共價交聯而成，在大面積燒傷創面使用經過中，可促進肉芽組織的浸潤生長，且具有不易感染的效果，同時在增生性瘢痕的治療方面也具有顯著的效果[10-12].這種產品已經在Ⅲ度及以上的燒傷創面治療中得到廣泛的臨床試驗，發現其具有愈合時間短的優勢[13].日本開發出一種雙層人工皮膚皮耐克〔Pelanac〕，內層為豬皮膚Ⅰ型膠原海綿，外層為硅橡膠組成，厚約3mm,孔徑62~100m,臨床移植后3周揭去硅膠膜可見新合成的類真皮樣組織，再在其外表移植自體斷層皮片可獲得滿意的療效[14].當前很多研究表示清楚，膠原與其他高分子物質所構成的復合支架在臨床應用中具有更好的生物相容性及其他理化性質。Zulkifli等[15]發現，膠原羥乙基纖維素/聚〔乙烯醇〕醇納米纖維支架在細胞穩定性及生物相容性方面具有良好的表現。當前對于膠原類支架主要研究其外表改性以促進其在皮膚再生中的良好作用。Gautam等[16]通過外表改性的Ⅰ型膠原與納米纖維聚己內酯/明膠及成纖維細胞組合成支架，并發現該類支架能夠維持良好的成纖維細胞形態。Morimoto等[17]將緩釋堿性成纖維細胞生長因子組合于膠原蛋白/明膠支架，該支架利用了成纖維細胞生長因子能促進成纖維細胞生長的優點，且成纖維細胞在創面的愈合經過中起著極其重要的作用，能夠有效地促進創面愈合，Morimoto等[17]將其應用于臨床慢性潰瘍患者獲得了良好療效，外表生長因子能夠更好地誘導肉芽組織在支架中構成。2.2透明質酸透明質酸是天然細胞外基質中的重要多糖成分。其作為支架材料可與皮膚干細胞外表受體結合，進而影響其在支架中的黏附、增殖、分化和移動，進而使得皮膚干細胞在創面修復中起到有效作用，使得創面得到更好修復。其衍生物具有優良的生物相容性和可降解性，因而，現已將其廣泛應用于藥物媒介和組織工程材料[18].Monteiro等[19]提出使用噴霧型透明質酸支架，該支架的多孔性及聚電解質多層膜可促進細胞黏附，促進皮膚表皮屏障功能的恢復。Quan等[20]對接種有血管內皮細胞生長因子的明膠/軟骨素/6-硫酸鹽透明質酸支架進行研究發現，該類支架具有良好誘導新生血管構成的能力，在促進皮膚再生方面具有重要的作用。細胞外基質作為真皮的主要成分，在皮膚再生經過中，構成類細胞外基質也是創面修復的重要經過，因而，Wang等[21]通過對膠原蛋白/硫酸軟骨素/透明質酸不同比例與細胞外基質的類似性進行比照研究，發現9∶1∶1的膠原蛋白/硫酸軟骨素/透明質酸支架在構造和功能上均與細胞外基質類似，且在大鼠的全程皮膚缺損修復中表現良好。2.3殼聚糖殼聚糖是甲殼素的脫乙酰化產物,其在體內的降解產物為容易被人體吸收的氨基葡萄糖，不對人體產生毒性作用。近年來研究發現，殼聚糖具有廣譜抗菌性，可有效地抑制細菌在創面的生長，降低感染發生率。有研究表示清楚，殼聚糖及其衍生物由于具有與大分子物質良好相容性的多孔凝膠構造，使其成為一種很有發展前景的組織工程材料[22].Tsao等[23]開發了一種具有多孔殼聚糖/海藻酸鈉和殼聚糖/聚乙二醇構造〔C-PEG〕凝膠的雙層復合支架，其目的在于創造一個促進皮膚愈合的微環境。結果發現，該種支架可增加支架中的角質構成細胞及成纖維細胞，且可提高角質構成細胞的成熟細胞增殖速率。單一的天然支架或人工合成支架均已用于創面的修復，但均有各自的優缺點。因而，Gholipour-Kanani等[4]運用人工合成類聚合物與天然材料根據一定的比例組合成聚己內酯/脫乙酰殼聚糖/聚〔乙烯醇〕納米纖維支架，并將其應用在小鼠的全層皮膚缺損及燒傷模型中；與單獨運用人工合成類聚合物基天然支架進行比照發現，該類支架在創面修復經過中更能表現出良好的促進愈合的能力。皮膚創面由于缺乏角質層的保衛，創面出現感染的概率也較高，只要在控制創面感染的情況下，進行皮膚再生才具有意義，而葡萄球菌在感染創面中最常見。Szweda等[24]將溶葡萄球菌酶加載于殼聚糖蛋白支架發現，其具有較高的抗葡萄球菌活性，因而，該類支架可用于解決感染相關問題。2.4絲素蛋白絲素蛋白具有可被人體攝取的11種氨基酸，且具有良好的柔韌性和抗拉伸強度等機械性能。根據需求，將其與合成材料制備成復合材料，可同時獲得具有良好生物及理化性能的支架材料。Lee等[25]通過對納米纖維靜電絲素蛋白皮膚與人工脫細胞異體真皮〔Matriderm〕在全層皮膚缺損創面進行生物相容性及降解性比照證明，靜電絲素蛋白皮膚擁有更好的生物相容性及可降解性，且可抑制創面瘢痕構成，因而，絲素蛋白可作為支架材料的可選材料之一。多孔絲素蛋白支架在促進血管生成誘導細胞進入支架方面具有良好的作用，有良好的生物相容性[26].絲素蛋白可促進細胞增殖的可行性及其模擬細胞外基質的能力，使得其可稱為生物工程支架，但其細胞增殖的可控性尚待探究，過度增殖可導致創面恢復效果較差。Chung等[27]通過比照絲素蛋白/殼聚糖/透明質酸支架與普通絲素蛋白支架的細胞增殖能力發現，該種復合支架具有可抑制細胞增殖的能力，以避免過度增殖而影響最終效果。3展望人工真皮支架材料需要在人體中構成具有良好生物相容性、可降解性及抗菌性，且以利于皮膚干細胞黏附，并在其外表生長繁衍，為皮膚干細胞提供良好的微環境[1].人工合成類支架具有良好的機械性能,然而在生物相容性、可降解性及抗菌性方面遠不如天然類支架。當前已有復合類支架結合了2種支架的優勢并運用于動物的全層皮膚缺損及燙傷模型[25],并且獲得了良好的效果。應用生化方式方法將人工合成支架及天然支架材料根據特定的比例進行組配，構成復合類支架，是將來組織工程支架的發展方向。人體各個部位的皮膚在構造與厚度上具有一定差異，然而當前商業化皮膚的規格都較固定，移植到創面后，即便其誘導本身細胞及組織對缺損創面進行修復，但修復后與本身組織仍有很大差距。在臨床上，創面修復的目的是最大限度地使移植后的組織工程化皮膚具有正常皮膚的形態與功能。