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组织工程技术修复骨缺损的研究现状及进展

为丰富。大量实验表明,BMSCs经成骨诱导后再复合适当的支架材料,能够异位成骨、修复骨缺损,是目前最具有应用前景的种子细胞[7]。但在骨髓中,BMSCs含量极少,作为种子细胞,必须达到一定的的密度才能保证其体内成骨,因而必须对其进行分离和大量扩增才能满足需要。

  1.5种子细胞的体外大规模扩增在体外短期内获得充足的种子细胞,是组织工程骨产品产业化的关键性制约因素,目前所应用的常规二维培养系统无法满足需要。研究人员已构建了多种能提供微载体大规模扩增的生物反应器系统,如:模拟微重力旋转生物反应器、固体转动旋转生物反应器、搅动混合旋转培养瓶、环绕混合培养皿和灌注培养系统等[8]。同时通过三维立体的培养方法,使细胞在材料孔隙的各个面上均能生长,更适合骨组织工程的要求。

  2支架材料(scaffold)

  目前,用于骨组织工程的细胞支架材料有两大类,一类为人工合成细胞支架材料,另一类为天然细胞支架材料。

  2.1人工合成细胞支架材料分无机材料与有机高分子材料两类,无机材料包括多孔羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)、磷酸三钙(tricalcium phosphate,TCP)、生物活性玻璃陶瓷(bioactive glass ceramic,BGC)等。它们虽有较好的生物相容性,但其塑形难、脆性大、降解时间长、表面活性较差,应用受到了很大限制。自固化磷酸骨水泥(calcium phosphate cement,CPC)可以注射入体内并自行硬化,对所需填充部位做到充分填充,不留空隙,是近年来新出现的合成材料,为骨组织工程学者所关注[9]。有机高分子材料中聚乳酸(polylactic acid,PLA)、聚羟基乙酸(polyglycolic acid,PGA)及其共聚物(PLGA)应用最为广泛。尽管它们有良好的生物相容性、可吸收性、材料的吸收率可以通过共聚单位的相关比例来控制等优点,但仍存在着费用昂贵、降解率低、机械强度较差、可塑性不强及降解后产物会改变周围环境pH值、导致纤维化甚至诱发免疫反应等缺点。

  2.2天然细胞支架材料天然细胞支架材料有4种:(1)珊瑚:Petite等[10]以珊瑚为支架材料,用自体骨髓基质干细胞为种子细胞,构建了组织工程化跎骨,成功修复了羊跎骨25mm的骨缺损。(2)胶原:骨组织中主要为Ⅰ型胶原。它虽然因含特定的细胞识别信号而利于成骨细胞增殖分化,但由于缺乏一定的机械强度,难以单独用作成骨细胞培养基质材料。(3)甲壳素:甲壳素是一种天然高分子多糖,由于其本身安全无毒、可降解、生物相容性好,作为组织工程中细胞培养的支架材料有着广阔的前景。(4)脱钙骨基质(decalcified bone matrix,DBM):同种异体DBM具有极低的免疫原性、良好的细胞及组织相容性及消毒后保持其骨诱导能力的特性,本身亦具有一定力学强度,通过改变脱钙率可以调节其力学强度,以适应临床不同植骨部位的需要[11,12]。通过采集前病原学检测和相应的加工处理,可以保证其具有较好的生物安全性。

  2.3复合支架材料为克服以上支架单独使用的不足,许多学者将几种材料按一定比例复合后用于骨修复,如HA与TCP、HA与胶原、HA与PLGA复合等,复合材料不但能保证足够的强度而且能有效地结合种子细胞和生长因子,有利于组织工程骨的构建[13]。另外,利用纳米技术制备有机/无机复合材料,并将生长因子、基因等特定分子识别信号固定在材料表面,对其进行分子设计和生物化处理,研制成新一代有特定结构和功能的仿生“智能”基质材料是当今组织工程学和生物材料学研究领域的前沿课题[14]。

  3生长因子(growth factor)

  生长因子可对细胞分裂、基质合成和组织分化等重要功能发挥调节作用。在骨创伤早期,生长因子主要通过自分泌和旁分泌作用刺激成骨细胞前体分化增殖,激活成骨细胞活性,促进成骨。后期作用逐渐减弱,但也参与骨的生长调节。

  3.1骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)目前已测出16种BMP的序列,其中重组人的BMP-2、BMP-8均具有高效的骨诱导能力,能够促进未分化的间充质细胞和成骨细胞的前体细胞分化为成骨细胞,引导成骨细胞表型的表达,增加骨胶原的合成,在骨形成中起着重要作用,因而成为研究和应用最为广泛的生长因子[15]。

  3.2胰岛素样生长因子(insulinlike growth factor,ILGF)ILGF是一类结构上类似于胰岛素原的多肽,它能促进成骨细胞的增殖和基质合成,具有刺激骨缺损修复的作用。

  3.3成纤维

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