第二方面,在体内调整细胞的生长和功能,例如植入聚合物导管促使损伤的神经细胞生长并连接。
1、 人工皮肤
人造皮肤
第一个用组织工程技术制作成功并用于临床的器官是人工皮肤,由于组织来源是别人的或自体的皮肤,在体外培养植入创伤面,故无异体排斥作用,具有人体皮肤的全部功能。
常规制皮的方法是,在培养皿中,用非转化的细胞制成二维薄层,这些单层细胞不具有三维立体的组织性能,所以没有分化功能。
组织工程技术,则是在体外制备三维的、具有生命活性的基质细胞,三维支架可以使细胞像在体内一样生长和组装。
人体皮肤细胞在体内的生长,借助结缔组织形成的三维基质作为骨架,骨架含有各种生长因子,供组织细胞分化和构建。
组织工程技术是这样模拟的:将人体成纤维细胞种植到尼龙网上,铺在薄的硅橡胶膜上,尼龙网起三维支架的作用,硅膜保持供给营养液;随着细胞的生长释放出蛋白和生长因子,最后长成三维的皮组织。因为成纤维细胞无免疫原件,所以不会产生异体排斥作用,细胞植到网状支架上很快就进行扩散和伸展。
组织工程皮肤除了能代替人体受损伤的皮肤外,还能作为化学药品毒性测定的模型。
2、人工肝支持装置
人工肝支持装置是利用组织工程原理设计的一种能够代替人体肝脏功能的体外装置。随着细胞生物学、组织工程学、生物材料学的发展,由单一地清除血中毒物,发展到全面替代肝功能。
组织工程人工肝的核心部分是细胞反应器。它的功能是在一个较小的体积内保持大量肝细胞的活性和生理功能。人们普遍认为,人工肝具有正常肝脏10%的解毒功能与合成蛋白的功能,就能够满足人体生理需要的最低要求。能够完成这一要求的细胞数约为1010数量级。这个指标通常是评价反应器能否用于临床试验的客观标限。在诸多的反应器或装置中,有四种研究得较多,下而简略介绍其中一种。 第四种细胞反应器
这是Dixit研究的两组中空纤维反应器。第一组由聚砜制成中空纤维,孔径为2微米;第二组由醋酸纤维素制成,分子量截留是(150---200)干道尔顿,肝细胞附在管外。为了调节细胞对材料的粘附能力,醋酸纤维素管需经荧光处理和纤连蛋白修饰。营养物通过管内提供给细胞,血液通过聚砜中空纤维,这样就构成一个与肝生理状态相似的循环。
3、人工血液
由于医疗中血液的需求日益增多,而且大量血液的来源困难,因此急救输血受到了限制。此外,输血易感染肝炎、艾滋病等,使输血疗法面临重大威胁。人工血液不存在免疫反应、感染疾病的问题,贮存时间长、产量大,因此具有巨大的应用前景。美国、加拿大、日本等国投入巨资研究开发人工血液,使这一领域的研究迅猛发展。
早期的血液代用品以氟碳化合物为主,实现了临床应用。但是氟碳化合物在体内的代谢对人体有毒副作用。随后发展起来的以血红蛋白(Hb)为基础的人工血液具有广阔前景。
直接使用天然血红蛋白,肾脏会产生严重毒性。这是因为在提取过程中,血红蛋白由原来的四聚体裂解为二聚体,分子量减小,所以必须对天然血红蛋白进行修饰,将天然血红蛋白交联成聚合体,同时进行修饰,才能成为血液代
用品。血红蛋白的分子修饰大体有三种方法: ① 血红蛋白分子间交联,成为聚合血红蛋白; ② 重组血红蛋白; ③ 结合血红蛋白。
修饰血红蛋白血液代用品的研究可分为第一代、第二代、第三代三个阶段。具体方法可以自查资料。
4、 人工神经
组织工程近年的研究表明,神经细胞不能分裂但可以修复。受损神经的两个断端能借助管状导管(通常称神经导管)的引导、促进和导向,使神经细胞生长和修复。早期的神经导管是用硅橡胶制成的。
众多的聚合物可用来做神经导管,但至今仍处于研究阶段。
微环境对神经的修复再生十分重要。具有一定通透性的导管(如聚丙烯腈—氯乙烯聚合物导管)可使新生神经的形态比无通透性的导管更规整。通透性分子量截留在5万道尔顿效果最佳。这可能因为分化的微环境对细胞生长更为有利。 营养或生长因子对神经的修复和细胞的生长起着重要作用。在导管中,由于释放生长因子,能将较长距离的神经断头(15mm间隙)慢慢吻合起来。神经营养因子可从缓释材料中获得。研灾发现,许旺细胞种植在导管中分泌出多种营养物质,而正还可分泌细胞粘连分子,促进细胞生长,因此目前神经导管中均种植许旺细胞。(许旺细胞(Schwann cells)由德国生理学家Theodor Schwann发现。许旺细胞出现在周边神经系统,形成髓鞘,将周边神经系统的神经元伸出的轴突进行绝缘包覆,使神经讯号的传导速度加快。)
电荷对神经细胞修复具有促进作用。研究发现,将电极放在硅橡胶管的两端,细胞生长速度加快;驻极体聚四氟乙烯导管,对细胞的修复有促进作用。 选择可降解导管的一个重要原则是使神经生长速度与导管降解速度匹配。
5、人工血管
A、国际上的研究主要集中在制作小口径血管(小于6mm)及心脏瓣膜。将细胞贴附在聚合物支架上植入体内,愈合成机体的一部分,发挥正常的生理功能。支架一般是多孔的,新生组织能够长入孔内。可选材料有涤纶、特氟隆等