李志義 丁兆紅 劉志軍

新一代組織工程細(xì)胞支架的研究進(jìn)展

李志義 丁兆紅 劉志軍

細(xì)胞支架是構(gòu)建組織工程器官或組織的重要基礎(chǔ)。在短短幾十年內(nèi)，細(xì)胞支架的研究與開發(fā)已取得了重大進(jìn)展，促進(jìn)了細(xì)胞支架從第一、二代向第三代發(fā)展。本文概述了第三代細(xì)胞支架的主要特征；介紹了細(xì)胞支架制備技術(shù)的最新進(jìn)展，特別介紹了用超臨界反溶劑（SAS）工藝制備第三代細(xì)胞支架的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)及技術(shù)關(guān)鍵；指出了開發(fā)第三代細(xì)胞支架的重要途徑之一：利用SAS工藝將天然、合成高分子材料與生物活性材料這三類材料進(jìn)行復(fù)合，制備性能可調(diào)、綜合性能優(yōu)良的細(xì)胞支架；并提出了按此途徑尚需開展的主要研究?jī)?nèi)容和要達(dá)到的主要目標(biāo)。

組織工程細(xì)胞支架超臨界反溶劑工藝

1987年，組織工程的先驅(qū)，哈佛醫(yī)學(xué)院外科醫(yī)師Joseph Vacanti和MIT生物醫(yī)學(xué)工程師Robert Langer在華盛頓召開的美國(guó)自然科學(xué)安全會(huì)議上首次系統(tǒng)地描述了組織工程的概念[1-2]，并將組織工程定義為：應(yīng)用工程和生命科學(xué)原理來開發(fā)生物替代品，用以修復(fù)、維持和改進(jìn)組織或器官功能[3]。隨著生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展以及細(xì)胞治療的出現(xiàn)，組織工程得到了迅速發(fā)展，已成為再生醫(yī)學(xué)的一個(gè)分支。

盡管組織工程在臨床應(yīng)用上還面臨諸多挑戰(zhàn)[4]，但在骨、軟骨、血管、皮膚等方面的研究已取得了重大進(jìn)展，而且骨和皮膚組織工程已開始臨床應(yīng)用研究[5]。隨著組織工程產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)和臨床試驗(yàn)，所用生物材料的銷售額已超過了2.4億美元/年[6]。

細(xì)胞支架、種子細(xì)胞和生長(zhǎng)因子（或生物反應(yīng)器）是組織工程的三大要素[7]。其中，細(xì)胞支架是基礎(chǔ)。它為種子細(xì)胞和生長(zhǎng)因子提供了適宜的微環(huán)境，完成組織或器官的再生過程。因此，細(xì)胞支架，特別是三維細(xì)胞支架的研究一直是組織工程的熱點(diǎn)[5]。本文對(duì)組織工程細(xì)胞支架的研究開發(fā)新趨勢(shì)及新途徑作一簡(jiǎn)介。

1 新一代組織工程細(xì)胞支架的特征

細(xì)胞支架用生物材料經(jīng)歷了第一代與第二代發(fā)展[8-9]。第一代是生物“惰性”材料。其特征是具有良好的物理性能（強(qiáng)度和耐腐蝕性等），植入體內(nèi)后排異反應(yīng)較小[10]。可供臨床使用的典型生物惰性材料是金屬（貴金屬和合金等），但其主要缺點(diǎn)是，因其剛性與強(qiáng)度與被替代組織差異很大，植入體內(nèi)后會(huì)因應(yīng)力遮擋導(dǎo)致界面附近組織萎縮[11]。

第二代細(xì)胞支架用生物材料是生物“活性”或生物可吸收材料[12]。其特征是，能在生理環(huán)境中產(chǎn)生一系列表面反應(yīng)和生物響應(yīng)[13]，故具有骨傳導(dǎo)、骨誘導(dǎo)和骨生成作用[7]。典型的生物活性材料是生物活性玻璃和玻璃陶瓷[11]。它們都能與骨骼形成骨鍵結(jié)合，主要由Na2O-CaO-MgO-P2O5-SiO2體系組成，與骨骼形成骨鍵結(jié)合的速度主要取決于各個(gè)組分[14]。羥基磷灰石（HA）是人體骨的礦物相，具有良好的生物活性和骨傳導(dǎo)性，因而在骨細(xì)胞支架制備中得到了廣泛關(guān)注[15]。然而，近來的研究表明，生物活性玻璃（代號(hào)為45S5）作為骨細(xì)胞支架在促進(jìn)新骨和血管形成等方面更為優(yōu)越[16-17]。

生物活性玻璃植入人體內(nèi)后會(huì)發(fā)生如下表面反應(yīng)和細(xì)胞活動(dòng)[18]：第1、2步，形成SiOH鍵并釋放Si(OH)4；第3步，形成水合二氧化硅層；第4步，形成無定形Ca+PO2+CO3層；第5步，形成羥基磷灰石（HA）層；第6步，生長(zhǎng)因子在HA層吸附；第7步，巨噬細(xì)胞作用；第8步，成骨細(xì)胞附著；第9步，成骨細(xì)胞繁殖與分化；第10步，細(xì)胞間質(zhì)基質(zhì)產(chǎn)生；第11步，細(xì)胞間質(zhì)基質(zhì)礦化生成新骨。前5步表面反應(yīng)進(jìn)行得非常迅速，在24 h內(nèi)就能完成[13]。表面反應(yīng)大大強(qiáng)化了骨的鍵合與形成作用。研究表明，這種強(qiáng)化作用與調(diào)節(jié)誘發(fā)細(xì)胞周期開始和進(jìn)程的基因直接相關(guān)[11]。骨前細(xì)胞周期調(diào)控的結(jié)果，使成骨細(xì)胞快速繁殖和分裂，從而導(dǎo)致骨的迅速再生[19-20]。生物活性玻璃已在臨床得到應(yīng)用，對(duì)其應(yīng)用前景，Hench等[8]認(rèn)為，如果能用玻璃激活基因，可以肯定，將來就能用它控制基因，使組織始終保持健康狀態(tài)。

典型的生物可吸收材料是生物可降解的高分子聚合物，分天然的和合成的兩大類?？捎糜诩?xì)胞支架的天然高分子材料有3類[21]：多聚糖類、蛋白類和微生物來源聚脂類。多聚糖類包括殼聚糖、透明膠質(zhì)酸、藻酸鹽類、淀粉、細(xì)胞膜質(zhì)、右旋糖酐等；蛋白類包括膠原蛋白、絲素蛋白、纖維蛋白凝膠等；微生物來源聚脂類包括聚羥基脂肪酸脂、聚3-羥基丁酸脂和聚4-羥基丁酸脂等。天然高聚物具有可降解性，且毒性低、來源豐富。但也存在一些缺點(diǎn)：溶解或降解太快、生物性能不穩(wěn)定、免疫排斥及傳染疾病等。

殼聚糖是自然界中唯一的陽性線性多糖，無毒、無刺激性。由于是弱堿性，與人體相容性良好，且具有較好的生物降解性和滅菌作用。殼聚糖具有親水性表面，有利于細(xì)胞的附著、繁殖與分化。但其力學(xué)性能和穩(wěn)定性差，不容易保持預(yù)定形態(tài)[22]。

淀粉是一種可再生的天然高分子材料，其分子式為(C6H10O5)n，具有獨(dú)特的化學(xué)和物理性能以及營(yíng)養(yǎng)功能。淀粉及其水解產(chǎn)品是人類膳食中可消化的碳水化合物。由于它可生物降解、穩(wěn)定性和生物相容性好、安全、無毒，并具有獨(dú)特的生物功能性等，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[23]，在骨細(xì)胞支架制備中也受到廣泛重視[5]。

可用于細(xì)胞支架材料的合成生物可降解聚合物有聚乳酸（PLA）、聚己內(nèi)酯（PCL）、聚乙醇乙酸（PGA）、PLA與PGA的聚合物（PLGA）、聚羥基丁酸戊酸脂（PHBV）、聚胺基甲酸脂（PU）等。PLA有聚左旋乳酸（PLLA）、聚右旋乳酸（PDLA）和聚消旋乳酸（PDLLA）3種構(gòu)型。PDLA為非晶態(tài)，機(jī)械強(qiáng)度較差，一般不用作細(xì)胞支架材料。除它之外的上述合成生物可降解聚合物都具有較好的機(jī)械強(qiáng)度、生物降解性和生物相容性，但它們親水性較差，細(xì)胞黏附力弱，不利于細(xì)胞的附著與生長(zhǎng)[5]。

為改善天然和合成高分子聚合物單獨(dú)用于細(xì)胞支架時(shí)的親水性、降解性、穩(wěn)定性、力學(xué)性能以及細(xì)胞相容性等，將兩種材料復(fù)合使用可以達(dá)到良好效果。例如，將淀粉與PCL復(fù)合[24-25]、與PLA復(fù)合[26-27]、與聚乙烯醇復(fù)合[28-29]等，將殼聚糖與PLA復(fù)合[30-32]、與PCL復(fù)合[33-35]、與PLGA復(fù)合[36]等。這些復(fù)合材料，不僅可以改善細(xì)胞支架性能，而且還可以通過調(diào)節(jié)復(fù)合材料的比例，有目的地調(diào)控細(xì)胞支架性能。

第二代細(xì)胞支架用生物材料的缺點(diǎn)是，具有生物活性的材料，缺乏生物可吸收性；而具有生物可吸收性的材料，則不具備生物活性[8]。

新一代（第三代）細(xì)胞支架用生物材料是既具有生物活性又具有生物可吸收性的材料[8]。其特征是，具有與新組織生成速度相匹配的被吸收速度，同時(shí)能在分子生物學(xué)水平上對(duì)細(xì)胞或基團(tuán)的作用進(jìn)行調(diào)控。開發(fā)新一代細(xì)胞支架用生物材料的基本途徑是，在第二代生物材料的基礎(chǔ)上，使生物可吸收的材料具有生物活性，或者使具有生物活性的材料具有生物可吸收性。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，人們將研究重點(diǎn)移至開發(fā)新一代細(xì)胞支架等材料上，基本途徑是以生物可吸收的材料為基體，通過復(fù)合或表面修飾的方式對(duì)生物活性材料進(jìn)行改性。例如，You等[37]、Salerna等[38]和Raussi等[39]分別用溶膠—凝膠、超臨界流體發(fā)泡和濕化學(xué)法制得了PCL/HA復(fù)合支架，Jack等[40]用熱誘導(dǎo)相分離法制得了PHBV/HA復(fù)合支架，EI-Kady等[41]和Hong等[42]分別用冷凍萃取法和熱誘導(dǎo)相分離法制得了PLLA/45S5復(fù)合支架，Yun等[43]用溶膠—凝膠與氣化誘導(dǎo)自組裝相結(jié)合的方法制得了PCL/45S5復(fù)合支架，Chen等[44]用鹽粒子瀝濾法制得了PDLLA/HA復(fù)合支架，Helen等[45]用熱誘導(dǎo)相分離法制得了PDLLA/45S5復(fù)合支架，Rszkowska等[46]用鹽粒子瀝濾法制得了PV/45S5復(fù)合支架。Rezwan等[47]對(duì)復(fù)合支架研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，討論的生物可降解材料主要有PDLLA、PLLA、PCL、PGL和PHBV等，涉及的生物活性材料主要有生物活性玻璃、玻璃陶瓷以及羥基磷灰石等，涉及的制備方法主要有熱誘導(dǎo)相分離法、鹽粒子瀝濾法、微球燒結(jié)法和固體自由成型技術(shù)等。

2 組織工程細(xì)胞支架制備新技術(shù)

除了上述的溶膠—凝膠法、氣體發(fā)泡法、濕化學(xué)法、熱誘導(dǎo)相分離法、冷凍萃取法、氣化誘導(dǎo)自組裝法、鹽粒子瀝濾法、微球燒結(jié)法和固體自由成型法等外，目前用來制備細(xì)胞支架的方法還有熔融成型法、纖維黏結(jié)法、電紡絲法等，以及在這些方法的基礎(chǔ)上發(fā)展的一些復(fù)合技術(shù)（例如相分離/粒子瀝濾、粒子瀝濾/冷凍干燥、電紡絲/粒子瀝濾/氣體發(fā)泡工藝等）和新型快速成型工藝等[5，47]。

盡管這些方法各有特點(diǎn)和優(yōu)越性，但有些問題仍然是制約其應(yīng)用的關(guān)鍵。例如，這些方法大都涉及有機(jī)溶劑，再對(duì)其進(jìn)行脫除，而殘留有機(jī)溶劑達(dá)到臨床應(yīng)用可接受的范圍就成為一個(gè)難題；有些方法涉及高溫，不利于制備過程中生物活性物質(zhì)的引入；有些方法形成的孔隙率低，孔與孔之間相互貫通差；有些方法無法實(shí)現(xiàn)對(duì)孔徑的控制，孔結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)度較差；有些方法工藝復(fù)雜，在實(shí)驗(yàn)室完成一個(gè)制備過程需很長(zhǎng)時(shí)間（例如澆鑄/粒子瀝濾工藝需要7 d）等。

將超臨界流體引入組織工程細(xì)胞支架的制備，已經(jīng)引起了較多關(guān)注[48]。目前已在兩個(gè)方面取得了可喜進(jìn)展，一是將超臨界二氧化碳（ScCO2）引入現(xiàn)有的細(xì)胞支架制備工藝，利用ScCO2對(duì)有機(jī)溶劑超強(qiáng)的溶解力，將制備過程中殘留的有機(jī)溶劑萃取掉[49-50]；二是在超臨界流體技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展形成的ScCO2發(fā)泡工藝[51-53]。將ScCO2引入現(xiàn)有的制備工藝，能夠有效地除掉殘留的有機(jī)溶劑，但增加了原工藝的復(fù)雜性。ScCO2發(fā)泡工藝形成的孔徑大小不一，孔隙率較小，易形成閉合孔[48]。研究表明，這與聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg直接相關(guān)[54-55]。滲入了ScCO2的聚合物在迅速降壓過程中，如果其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg升高（例如結(jié)晶性聚合物），所形成的空泡就會(huì)閉合，無法形成相連通的孔。或者出現(xiàn)并泡現(xiàn)象，形成一些大泡孔，導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)破壞。因此，ScCO2發(fā)泡工藝尚不適用于結(jié)晶性聚合物。

超臨界反溶劑（Supercritical Anti-Solvent，簡(jiǎn)稱SAS）工藝本來是為制備納米/微米超細(xì)微粒而開發(fā)的一種先進(jìn)的超臨界流體工藝，但用它來制備多孔結(jié)構(gòu)也十分有效。在制備醋酸纖維素超細(xì)微粒研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)醋酸纖維素溶液（溶劑為丙酮）濃度為8%時(shí)，得到的是平均粒徑為2.8μm的醋酸纖維素球形微粒。如果將溶液濃度提高到20%（W/W）時(shí)，會(huì)形成平均孔徑為25μm的多孔結(jié)構(gòu)。

后續(xù)的研究表明，用SAS工藝制備組織工程細(xì)胞支架優(yōu)勢(shì)突出[57]。對(duì)該工藝過程中的相平衡熱力學(xué)和擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)進(jìn)行深入研究后揭示了多孔結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。用SAS工藝制備高分子聚合物多孔結(jié)構(gòu)具如下特點(diǎn)[57]：①由于ScCO2具有超強(qiáng)的溶解能力和滲透性，它不僅可將溶液中的有機(jī)溶劑“萃取”出來（促使發(fā)生液―液相分離后，將有機(jī)溶劑完全溶解），而且可滲透到高分子聚合物相，將殘留在聚合物中的有機(jī)溶劑萃取出來，從而得到純度很高的細(xì)胞支架。②ScCO2不僅具有“萃取”作用，而且會(huì)對(duì)所形成的多孔結(jié)構(gòu)起到“干燥”作用。由于超臨界流體的特殊性能（可連續(xù)地進(jìn)入氣相或液相狀態(tài)，不發(fā)生相變），ScCO2對(duì)所形成的多孔結(jié)構(gòu)的“干燥”過程不產(chǎn)生氣—液界面，因而不會(huì)產(chǎn)生過大的表面張力，這就徹底解決了現(xiàn)有工藝干燥過程的結(jié)構(gòu)塌陷問題。③因ScCO2價(jià)廉、無毒、不燃燒、不污染環(huán)境，而且能使SAS過程在接近常溫（其臨界點(diǎn)只有31℃）下進(jìn)行，這為熱敏性（如生物活性材料）引入細(xì)胞支架提供了一條有效途徑。④通過簡(jiǎn)單的減壓就可以使有機(jī)溶劑和反溶劑分離，且溶劑與反溶劑均可循環(huán)使用；工藝流程簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)“一步法”操作。⑤控制操作條件（壓力、溫度、濃度等），可以控制所形成細(xì)胞支架孔的結(jié)構(gòu)與形態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的預(yù)設(shè)計(jì)與制造控制。

研究已經(jīng)揭示了SAS工藝形成多孔結(jié)構(gòu)的機(jī)理[58]，這可借助于三元相平衡圖（圖1）來說明。圖中雙結(jié)點(diǎn)線代表著液—液分層的邊界，在雙結(jié)點(diǎn)線以外（靠近聚合物和溶劑頂點(diǎn)側(cè)）為均相區(qū)，在雙結(jié)點(diǎn)線以內(nèi)，為非均相區(qū)。由雙結(jié)點(diǎn)線與旋節(jié)線將非均相區(qū)劃分為三個(gè)區(qū)，在臨界點(diǎn)（雙結(jié)點(diǎn)線與旋節(jié)線的交點(diǎn)）以上和以下由雙結(jié)點(diǎn)線與旋節(jié)線組成的兩個(gè)亞穩(wěn)定區(qū)和以旋節(jié)線為邊界的非穩(wěn)定區(qū)。圖1表示的是“PMMA/DMSD/ScCO2”三元體系，圖中3條帶箭頭的線代表了三種傳質(zhì)路徑，1、2、3三條路徑在某一點(diǎn)初始濃度分別為25%（W/W）、10%（W/W）和5%（W/W）。多孔結(jié)構(gòu)形成過程在壓力為20MPa、溫度為35℃下進(jìn)行。第1條傳質(zhì)路徑是在臨界點(diǎn)以上跨越雙結(jié)點(diǎn)線進(jìn)入液—液分層的亞穩(wěn)定區(qū)，此時(shí)液滴的成核與長(zhǎng)大是在PMMA貧含相進(jìn)行的，因此PMMA固化后成為連續(xù)相，而微孔成為分散相，即形成了多孔結(jié)構(gòu)。第3條傳質(zhì)路徑是在臨界點(diǎn)以下跨越雙結(jié)點(diǎn)線進(jìn)入液—液分層的亞穩(wěn)定區(qū)，此時(shí)液滴的成核與長(zhǎng)大是在PMMA富含相進(jìn)行，因此PMMA固化后成為分散相，微孔成為連續(xù)相，即形成了分散微粒。第2條傳質(zhì)路徑是在臨界點(diǎn)附近，同時(shí)跨越雙結(jié)點(diǎn)線和旋節(jié)線進(jìn)入非穩(wěn)定液－液分層的亞穩(wěn)定區(qū)，此時(shí)液滴的成核與長(zhǎng)大同時(shí)在PMMA貧含區(qū)和富含區(qū)進(jìn)行，因此可得到微孔和微粒共存的過渡結(jié)構(gòu)。

圖1 聚合物/溶劑/超臨界CO2三元體系相圖Fig.1 Polymer/solvent/supercritical CO2ternary system diagram

3 組織工程細(xì)胞支架的研究開發(fā)新途徑

從研究?jī)?nèi)容上看，第二代細(xì)胞支架的研究重點(diǎn)是探索發(fā)展生物活性和生物可吸收細(xì)胞支架的各種途徑，從而開發(fā)了許多支架材料和制備方法。進(jìn)入21世紀(jì)后，新一代（第三代）細(xì)胞支架的開發(fā)研究受到關(guān)注，研究?jī)?nèi)容基本上集中在探索將生物活性和生物可吸收兩種材料進(jìn)行復(fù)合的方式和效果?？傮w上講，屬于可行性研究。所有這些研究結(jié)果，還不能對(duì)細(xì)胞支架進(jìn)行“設(shè)計(jì)”。也就是說，目前的研究只限于在某種條件下會(huì)產(chǎn)生什么結(jié)果，但未涉及某種結(jié)果是由什么條件產(chǎn)生這樣的問題。解決了這一問題，就可以對(duì)細(xì)胞支架進(jìn)行設(shè)計(jì)。

要解決細(xì)胞支架的設(shè)計(jì)問題，就要建立細(xì)胞支架制備條件與其性能之間的關(guān)系。要確定這樣的關(guān)系，就要開展細(xì)胞支架的綜合性能研究。

就三維多孔骨細(xì)胞支架而言，其綜合性能主要包括3方面：結(jié)構(gòu)性能、力學(xué)性能和生物性能。結(jié)構(gòu)性能主要包括細(xì)胞支架的幾何特性（支架的孔徑及其孔隙率）和復(fù)合材料在支架中的結(jié)構(gòu)形態(tài)，力學(xué)性能主要包括細(xì)胞支架的強(qiáng)度和剛性，生物性能主要包括細(xì)胞支架的降解性和生物活性。

研究開發(fā)新一代復(fù)合骨細(xì)胞支架的途徑之一是：利用三類材料進(jìn)行復(fù)合，第一類是合成生物可降解高分子材料，第二類是天然生物可降解高分子材料，第三類是生物活性材料。第一類材料如聚乳酸（PLA）和聚己內(nèi)脂（PCL），第二類材料如淀粉和殼聚糖，第三類材料如生物活性玻璃（45S5）和羥基磷灰石（HA）等。第一類材料是細(xì)胞支架的主體材料。復(fù)合第二類材料的目的是改善復(fù)合支架的親水性，調(diào)節(jié)復(fù)合支架的降解速率和強(qiáng)度、剛性，使其滿足特定需要。例如，支架的降解速率要與新骨的生成速率相匹配，支架的強(qiáng)度和剛度要與原骨的強(qiáng)度和剛度相近。復(fù)合第三類材料的目的是使細(xì)胞支架具有生物活性。

利用超臨界CO2反溶劑（SAS）工藝制備上述復(fù)合細(xì)胞支架。SAS工藝除了具備前述的5方面的特點(diǎn)外，還能使復(fù)合過程一次完成，更主要的是能夠控制三類復(fù)合材料在形成的復(fù)合細(xì)胞支架中的結(jié)構(gòu)形態(tài)。為了使復(fù)合細(xì)胞支架具備更強(qiáng)的力學(xué)性能和生物性能，希望在形成的復(fù)合細(xì)胞支架中，第一類和第二類材料均勻混合形成細(xì)胞支架主體，第三類材料以微粒（納米或微米級(jí)）的形態(tài)黏附在支架主體內(nèi)孔的內(nèi)壁上。研究表明，當(dāng)生物活性成分以納米或微米微粒的形態(tài)分布在支架內(nèi)孔的內(nèi)壁面時(shí)，相對(duì)被包覆在支架主體結(jié)構(gòu)內(nèi)而言，其可溶性離子的釋放速率、生長(zhǎng)因子的吸附、成骨細(xì)胞的附著以及基質(zhì)體的礦化程度等都會(huì)大幅提高。這是因?yàn)?，納米或微米微粒具有更大的表面積，它黏附在支架內(nèi)孔的內(nèi)壁面時(shí)，更加有利于表面反應(yīng)的快速進(jìn)行[13]。

三類材料在用SAS工藝制備的復(fù)合材料細(xì)胞支架中的結(jié)構(gòu)形態(tài)是由體系的相平衡和傳質(zhì)規(guī)律決定的[59]。ScCO2與每一類材料以及所選用的溶劑都存在如圖1所示的三元相平衡圖[60]。盡管每一體系由于其他兩個(gè)體系的存在，使其相平衡及傳質(zhì)行為變得更加復(fù)雜，但仍然可以借此三元相平衡圖來定性地說明每一類材料在復(fù)合支架中的結(jié)構(gòu)形態(tài)。也就是說，要保證第一類和第二類材料在復(fù)合支架中以連續(xù)相的形態(tài)形成支架主體，它們?cè)诟髯缘娜鄨D中的傳質(zhì)路徑是，在臨界點(diǎn)以上跨越雙結(jié)點(diǎn)線進(jìn)入液—液分層的亞穩(wěn)定區(qū)。要保證第三類材料在復(fù)合支架中以分散相的形態(tài)（微粒）黏附在支架主體內(nèi)孔內(nèi)壁，其三元相圖上的傳質(zhì)路徑是，在臨界點(diǎn)以下跨越雙結(jié)點(diǎn)線進(jìn)入液—液分層的亞穩(wěn)定區(qū)。顯然，只要控制好體系的相平衡和傳質(zhì)行為，就能控制三類材料在復(fù)合支架中的結(jié)構(gòu)形態(tài)。也就是說，復(fù)合體系的相平衡和傳質(zhì)規(guī)律，是復(fù)合支架結(jié)構(gòu)形態(tài)的理論基礎(chǔ)。

因此，要開發(fā)上述復(fù)合細(xì)胞支架，需要開展幾方面的研究：①細(xì)胞支架制備條件與其結(jié)構(gòu)性能的關(guān)系。制備條件主要包括材料成分、工藝參數(shù)和溶劑特性。材料成份包括第一類、第二類及第三類材料及所占比例，工藝參數(shù)包括體系的壓力和溫度，溶劑特性包括體系溶劑及溶液濃度等；結(jié)構(gòu)性能主要包括支架的幾何特性及三類材料在支架中的結(jié)構(gòu)形態(tài)等；支架的幾何特性包括支架的孔徑及孔隙率等。②細(xì)胞支架制備條件與其力學(xué)性能的關(guān)系。力學(xué)性能主要包括支架的強(qiáng)度和剛性等。③細(xì)胞支架制備條件與其生物性能的關(guān)系。生物性能包括支架的降解速率和生物活性等。④制造細(xì)胞支架的SAS工藝中多元體系相行為與傳質(zhì)行為。主要針對(duì)“第一類材料/第二類材料/第三類材料/溶劑/ScCO2”等組成的復(fù)雜多元體系的相平衡關(guān)系和質(zhì)量傳遞規(guī)律進(jìn)行研究。

通過開展上述4方面研究可達(dá)到如下目標(biāo)：形成一種制備新一代細(xì)胞支架的先進(jìn)工藝—超臨界CO2反溶劑工藝，發(fā)展一種結(jié)構(gòu)性能、力學(xué)性能和生物性能等綜合性能優(yōu)良的新一代骨細(xì)胞支架。確定支架制備條件與支架結(jié)構(gòu)性能和力學(xué)性能，以及支架降解速率之間的定量關(guān)系，為支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及根據(jù)使用環(huán)境需要對(duì)支架的力學(xué)強(qiáng)度、剛性及降解特性進(jìn)行設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。確定支架制備條件與支架生物活性間的關(guān)系，為支架生物活性最佳設(shè)計(jì)提供依據(jù)。掌握制備支架SAS工藝中復(fù)雜體系的相平衡和質(zhì)量傳遞規(guī)律，為三類材料在支架中的結(jié)構(gòu)形態(tài)的最優(yōu)化提供理論依據(jù)。

作為組織工程基本要素的細(xì)胞支架，在短短的幾十年內(nèi)取得了重大研究進(jìn)展。開發(fā)新一代細(xì)胞支架，使其在結(jié)構(gòu)、力學(xué)和生物等方面具有良好的綜合性能，是組織工程細(xì)胞支架的發(fā)展方向。采用先進(jìn)的SAS工藝，將成生物可降解高分子材料、天然生物可降解高分子材料和生物活性材料等三類材料進(jìn)行復(fù)合，制備性能可調(diào)控、綜合性能優(yōu)良細(xì)胞支架，是細(xì)胞支架研究開發(fā)的新途徑。SAS工藝涉及的多元復(fù)雜體系的相行為和傳質(zhì)行為，是開發(fā)SAS工藝的理論基礎(chǔ)。

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Research Progress of the New Generation of Scaffolds

LIZhiyi，DING Zhaohong，LIU Zhijun.
Dalian University of Technology,Dalian 116024,China.Corresponding author:LIZhiyi(E-mail：lizy@dlut.edu.cn).

Tissue engineering;Scaffold;Supercritical anti-solvent process

Q813.1+2

B

1673－0364（2012）03－0167－05

2012年3月16日；

2012年4月20日）

10.3969/j.issn.1673-0364.2012.03.013

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（30870646）。

116024遼寧省大連市大連理工大學(xué)。

李志義（E-mail：lizy@dlut.edu.cn）。

【Summary】Scaffold is critical in building a tissue-engineered organ or tissue.After a short period of fruitful development, the scaffold has been on its way from the first and second generations to the third generation.In this paper,the main characteristics of the third generation scaffold are discussed.The latest developments of the preparative technologies of scaffolds are introduced with the emphasis on the supercritical anti-solvent(SAS)process and its distinguishing features, outstanding advantages and key techniques.It is pointed out that an important way of developing the third generation scaffoldswith excellentand adjustable structural,mechanical and biological characteristics is to prepare the scaffolds by SAS process with the composite materials of three categories:synthetic biodegradable polymers,natural biodegradable polymers and bioactivematerials.By thisway,what is studied and which is achieved are also proposed.