脊髓组织工程中纳米支架材料的研究进展【临床医学专业论文设计】.doc

临床医学论文•脊髓组织工程中纳米支架材料的硏究进展【摘要】随着纳米技术的迅速发展和广泛应用，也为脊髓组织工程生物材料的 发展开辟了一个全新的领域纳米材料因具有一些独特的效应，有利于细胞的黏 附、增殖和功能的增强，使其在脊髓损伤修复的硏究中将发挥越来越大的作用关键词】纳米材料；脊髓损伤；组织丁程；细胞支架Abstract : With the rapid development and wide application of nano・techonology,the development of spine t issue engineering materials has been ushered into a brand field.Because of iIs unique effects of promoting ccl1 adhesion,prolifcration and function,nano・mctcrial wi11 play more and more important role in the research on spine cord injury repair・Key words : nanometer material; spinal cord injury; t issue engineering; cel 1 scaffold纳米技术(nanotechnology)是指在0.1〜100 nm量度范围内对物质结构进 行硏究和制造的技术。

当粒子尺寸进人纳米量级时，其本身具有量子尺寸效应、 小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因此表现出的许多特有性质在催化、 光吸收、生物医约、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景在脊髓组织工程 支架材料的合成勻制备111，通过采用纳米技术对生物材料表面改建或者直接采用 纳米材料或纳米复合材料，不仅能捉高细胞与材料的黏附能力，也能捉高材料的 生物相容性，同时有利于细胞的分化和增殖，因此在脊髓组织工程有着良好的应 用前景现将纳米支架材料•在脊髓损伤修复组织工程中的应用作一综述1脊髓组织工程的槪念脊髓损伤后神经功能的恢复至今仍是困扰医学界的难题，近年来组织工程技 术的兴起为脊髓损伤的恢复带来了新的希望脊髓组织工程的基本思路是首先在 体外分离、培养种子细胞，然后将一定量的种子细胞种植到具有一定形状的三维 生物材料支架上，持续培养扩增，形成细胞■生物材料复合物，再种植体内，最 终形成具有一定结构和功能的组织或器官在这个体系中，细胞、支架或生物材 料的构建以及细胞和材料间的相互作用是三个主要因素［1］用于脊髓损伤修复 的种子细胞目前主耍冇神经干细胞、嗅鞘细胞、施旺细胞等，如果单纯移植细胞 治疗时移植而没有有效的支撑，周围组织易塌陷,对细胞形成挤压，使得细胞形 成杂乱的凹块，轴突无法充分延伸与周围正常组织形成突触。

生物支架材料为种 了细胞的生长提供适宜的环境和限定的空间，防止外界其它成分的干扰和胶质瘢 痕的形成，指引神经元轴突延伸，使新形成的组织接近于正常的解剖结构，有利 丁功能性连接的建立支架材料及其三维结构对治疗效果具有至关重要的作用 目前应用的组织工程支架材料在物理性能、生物性能及其形态结构与正常的在体 脊髓相比，都有较大的差距,尙无与脊髓三维结构高度相似口在理化性能也与脊 髓相似的支架材料［2］2传统的生物支架材料细胞移植支架种类较多，按材料可分为天然生物支架材料、人工合成支架材 料和复合型支架材料3大类2.1天然生物支架材料用于脊髓细胞移植支架的天然生物支架材料主要分为蛋白质和多糖2类该 类材料最大优点是生物相容性好,降解产物易于被吸收而不产生炎症反应，但存 在力学性能差，尤其是力学强度与降解性能间存在反对应关系，即高强度源于高 分子量,导致降解速度慢,难丁满足组织构建的速度耍求，也使构建多孔三维支架 存在困难，并受到分离、提取过程中不同批号之间质量难以控制的影响2.2人工合成支架材料包括不可降解的非生物材料如尼龙、硅胶管、聚氨酯，可降解聚合物主要有 聚疑基乙酸、聚乳酸、聚乳酸聚疑基乙酸共聚体等。

可降解性合成高分子材料是 目前组织工程用生物材S•的主耍硏究对象，这类材料降解速度和强度可调，容易 塑型和构建高孔隙度三维支架,其主要缺陷在于降解产物容易产生炎症反应,降 解单体集中释放，会使培养环境酸度过高，对宿主组织和种子细胞可能具有不良 影响，材料表面也容易残留对细胞有毒性作用的有机溶剂等另外，可降解性合 成高分子材料对细胞亲和力弱,需要进行表面修饰才能更好地黏附细胞和复合营 养因子2.3复合型支架材料复合型支架材料可以由天然可降解生物材料之间混合而成，如胶原■壳聚糖、 明胶■壳聚糖、胶原■硫酸软骨素等，也可以由人工合成的材^4混合如聚乙烯醇・ 壳聚糖、透明质酸■戊二醛等复合材料制成的支架在兼顾其它优良功能而改变 复合物比例时,其韧性和硬性等机械性能和同质性可能变低,不利于支架对负荷 的承受3纳米支架材料的生物学特征及其构建3.1纳米支架材料的生物学特征细胞在体内生存的微环境大多是由66 nm胶原纤维构成的纳米支架结构， 纳米级的支架结构界面可能是调节细胞生命活动的一个重要因素纳米材料有小 尺寸效应和表面或界面效应，使其一些物理性质因不连续的能级间歇而表现出异 常，而表面原子处于不饱和状态，表面能大大增加，具有很大的活性，易与其它 原子相结合而稳定下来。

支架材料的孔为细胞提供了生长空间，因此孔的性能（如 孔尺寸、孔隙率等）都对支架的，性能有重要影响纳米纤维，其连续性的构造更适合作为支架材料的组成结构纳米纤维材料 仿生化的微环境能影响细胞与细胞、细胞与基质之间的相互作用，调节细胞的生 物学行为［3］与传统的支架材料相比较，纳米支架的优点有：（1）无免疫原性， 生物相容性好;（2）高孔隙率，可调节的孔径分布，孔隙率迖90%以上，为细胞和 组织的生长提供足够的空间和营养代谢环境;（3）良好的生物降解性能、可塑性和 适宜的力学性能;（4）高表面积体积比‘良好的材料•细胞界面，利于细胞黏附、 生长和繁殖;(5)天然细胞外基质(extracellular matrix,ECM)相似的形态结构 ［4〜6］ 3.2纳米支架材料的制备方法目前制备纳米纤维支架的方法很多，如相分离、自组装、电子纺丝等由于 电子纺丝技术制备方法相对简单，并口随着纳米技术的兴起，这种技术逐渐成为 组织工程支架材料制备较为流行的方法大多数ECM都是由随机定向的纳米级胶 原组成的，电纺纤维的形态结构与天然ECM很相似经电子纺丝技术制备的纳 米纤维支架有高达90%的孔隙率，孔径范围高至100/zm，并且有可变的尺寸和形 状［3］。

Li等［4］在高压电场下制成一种直径500〜800血的乙交酯/丙交酯共聚物 (polylatic-glycolic acid copolymer,PLGA )超微纤维的高度多孔支架,其 孔隙率达90%以上，力学性能良好，形态类似于活组织的ECM，除了能显著提高 细胞的黏附性能和增殖能力，还能很好地保持细胞的形态并引导细胞按纤维方向 定向生长他认为制备的细胞支架与ECM结构类似，有利于细胞黏附和增殖，并 有好的生物相容性，达到了细胞支架的设计要求Yang［7］等曾经用液■液相分离的方法制备左旋聚乳酸(PLLA)纳米纤维，但 难以控制纤维直径和取向，因而不适用于神经细胞支架目前他们利用静电纺丝 法，调整聚合物分子量、纺丝液流速、电场等控制纤维直径，滚筒收集速度为1 000 r/min时可获得有序排列的纤维4纳米支架材料在脊髓组织工程中的实验硏究在组织工程材料的合成与制备中，越来越多的学者采用纳米技术对生物材料 表面改建或者直接采用纳米材料或纳米复合材料作为细胞移植的支架Yang［7］等利用静电纺丝法形成由纳米、微米级左旋聚乳酸纤维并以有序、 无序排列形成的4种支架，首次培养神经干细胞，探索其在神经修复中的应用。

应用激光扫描共聚焦显微镜观察，Yang等发现神经细胞和轴突沿纤维取向伸展 和生长，与微米级纤维支架相比，细胞在纳米级纤维上的分化率更高，在平行纤 维上冇助于轴突牛长，表明静电纺纳米纤维支架在神经修复中具冇重耍的应用价 値MIT小组［8］利用水凝胶开发了一种用于神经细胞培养的支架材料一纳米多 肽纤维支架溶液，溶液里的多肽如同微型的蜂巢，当注入动物的神经细胞时，溶 液在受伤的裂缝之间流动，然后这些分子在儿个神经元之间把裂缝连接在一起形 成支架，细胞在支架上面增殖这种支架为神经细胞提供了一个良好的坏境，不 仅可以使受伤的细胞准确地再生，而且还可以把脑神经组织联系起来，是一种很 好的神经组织工程的支架材料Tyssel ing Mat ti ace［9］等认为含有TKVAV多肽的TKVAV两亲性分子(IKVAV PA)纳米纤维可抑制体外培养神经干细胞的胶质细胞分化，并可以促进 体外培养神经元的轴突生长他们通过注入一种液体在脊髓细胞外空间内形成纳 米级的结构，因为这些分子的自组装是由活体环境中的离子强度而激发的实验 表明，脊髓损伤后活体用IKVAV PA治疗，在损伤区域减少了胶质化，减少了 细胞死亡，增加了少突胶质细胞的数量。

此外，这些纳米纤维还促进了通过损伤 区域的下行运动纤维和上行感觉纤维的再生，也可带来明显的动作能力提高这 些观察表明：脊髓损伤后使用生物活性三维纳米结构可以抑制胶质细胞瘢痕的形 成，也可以促进其再生ThidD［ll］等发现在不同的多肽浓度下(0〜10%)，细胞附着和IKVAV浓度之 间呈现出非常强的非线性关系当使用杂乱的多肽序列时，细胞附着减少了 10 倍，这些都证明了 IKVAV和神经前体细胞细胞表面受体之间特异性的相互作用邹枕玮［12］等认为含IKVAV活性位点的多肽自组装材料对神经细胞有良好 的细胞相容性，能诱导轴突的发生和延长，具有支架及生物活性双重作用，可作 为一种新型的组织工程材料该二维凝胶支架能诱导神经元轴突的发生和延长， 且能延长神经元在体外的存活时间，有神经营养作用，其作用机制可能是通过 IKVAV与神经细胞表面的LBP110结合后通过信号传导上调细胞内c fos基因 的表达，从而促进细胞的生长和轴突的延长［13］Silva GA［14］认为带有IKVAV 多肽片断的分子通过自组装可以形成一种具有高密度IKVAV表位的纳米纤维水 凝胶支架，在这种纳米纤维支架中生长的鼠神经前体细胞的神经元生长速度明显 快于对照材料。

Guo J［15］认为在外伤性脊髓损伤中，由于形成大的囊性空洞，损害轴突的 失能导致神经功能的丧失近来硏究证明自组装纳米纤维支架(SAPNS)能够修复 光学通路和视觉功能为了证明用它修复脊髓损伤的可能，在SAPNS中培养神经 前体细胞和雪旺氏细胞，然后移植到横断脊髓背侧束的大鼠体内，结果在支架内 有细胞的迁入、血管和轴突的增生，表明用SAPNS能够桥接损伤的大鼠脊髓，为 活体细胞的迁移提供了一个真正的三维坏境2007年4月23 S 美国西北大学纳米生物医学硏究所的Stupp等在华盛顿 召开的Project on Emerging Nanotechnologies会议上报告，脊髓损伤致瘫痪 的小鼠，在注射了含生物活性的纳米纤维后6周，开始恢复行走功能 Stupp认 为脊髓损伤时星形胶质细胞在损伤处聚集形成瘢痕，神经细胞轴突无法在损伤处 生长，从而使神经无法修复层粘连蛋白(laminin)是大脑发育中起重要作用的 蛋白质，分布在细胞外,含神经细胞突起抗原决定簇(neuritesprout ing/guiding epi tope) 硏究人员设计了有生物活性的纳米纤维，含层 粘连蛋白和神经干细胞，注射入小鼠体内后，神经细胞突起抗原决定簇可以与调 整细胞分化的整合素结合，启动信号转导通路。