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组织、器官的丧失以及功能障碍是人类健康所面临的主要危害之一，也是人类疾病和死亡的最主要原因。多年来，人们为提高器官移植技术做出了巨大的努力，但器官和组织短缺仍然是最主要的问题。

组织工程是将体外培养扩增的正常组织细胞吸附于一种生物相容性良好并可被机体吸收的生物材料上形成复合物，将细胞-生物材料复合物植入机体组织、器官病损部位，在生物材料逐渐被机体吸收降解的过程中，组织细胞则形成新的具有形态和功能的相应组织或器官，达到修复创伤和器官重建的目的。  因此，从形态、结构和功能上对具有功能障碍的组织、器官进行替换是组织工程的根本目标。

组织工程学的核心是建立由细胞和生物材料构成的三维空间复合体。

组织工程学的研究主要集中在生物可降解支架材料、种子细胞、体外培养条件等方面，其中理想的三维支架的构建是组织工程化人工器官研究成功的前提条件。

组织工程支架作为组织工程的平台，不仅提供了细胞生长的框架，使之形成特定的组织或器官形状;而且作为细胞外基质成分之一，是细胞间信号传导和相互作用的媒介，同时也是细胞生长所必需的生物活性剂。理想的组织工程支架应具备以下条件

①良好的生物相容性。在生物体内不会引起炎症或致畸反应。

②适当的生物可降解性。在细胞生长繁殖的同时支架材料同步降解。

③较高的孔隙率和比表面积，以适于细胞的黏附和生长，细胞间的信号传导，养分传送，以及降解产物和新陈代谢产物的排出。

④一定的机械强度

⑤作为细胞、生长因子和基因的生物载体，并能控制生长因子的释放。

⑥易于加工成所需要的形状。

根据可降解高分子材料的来源，可分为天然高分子材料和人工合成的可降解高分子材料。其中天然可降解高分子材料主要包括壳聚糖和胶原。

而目前用于组织工程支架的人工合成可降解聚合物主要包括脂肪族聚酯、聚偶磷氮、聚酸酐等。其中研究最多的是脂肪族聚酯，特别是聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)及其共聚物等。

纤维支架是组织工程研究中最早采用的细胞外基质替代物之一，主要由PGA或其共聚物等结晶性聚合物纤维构成。利用纺织技术将直径10~15μm的纤维制成织物或无纺物，其孔隙率高达97%，比表面积高达0.05μm-1，但存在力学强度较差、承压时会坍塌的缺点。将织物热处理或采用PLLA或PLGA溶液涂覆织物的方法，可使相邻纤维间形成物理连结，从而使纤维支架稳定、耐压。PGA纤维支架易于借助于阴模制成各种形状，已成功地用于软骨等多种组织工程领域。纤维支架的不足之处在于孔隙率和孔尺寸不易控制，亦不易独立调节。

相分离法是指将聚合物溶液、乳液或水凝胶在低温下冷冻，冷冻过程中发生相分离，形成富溶剂相和富聚合物相，然后经冷冻干燥除去溶剂而形成多孔结构的方法。因而，相分离法又往往称为冷冻干燥法。按体系形态的不同可简单地分为乳液冷冻干燥法、溶液冷冻干燥法和水凝胶冷冻干燥法。

亲水性水凝胶多孔支架在体液环境中强度下降是一个值得重视的问题，一般需要与其它材料复合。相分离/冷冻干燥法孔尺寸往往偏小，但该法避免了高温，因而得到了研究者的重视。

将可降解聚合物微球加入模具中，加热至玻璃化温度以上，保持一定时间后冷却、脱模可制得烧结微球支架。热处理时微球相互接触处由于链运动而连结在一起，冷却至室温后该结构被固定下来，因而得到多孔的烧结微球支架。微球紧密堆积产生的孔隙成为支架的孔，孔尺寸范围为37~150μm，与微球尺寸成正比，孔隙率则随微球尺寸增大略有增加，为31~39%，孔相连性很好。支架压缩模量为241~349 Mpa，随微球尺寸减小而增大。该支架的孔隙率与松质骨中组织分率(30%)相近，力学性能也与松质骨相当，因而可作为松质骨修复的“负”模板，修复完成后孔的部分成为组织，聚合物微球部分降解后成为松质骨的空隙。该法优点在于孔相连性好，孔尺寸易调控，力学强度大，缺点则在于孔尺寸偏小，孔隙率亦低。

粒子致孔法指首先将组织工程材料和致孔剂粒子制成均匀的混合物，然后利用二者不同的溶解性或挥发性，将致孔剂粒子除去，于是粒子所占有的空间变为孔隙。致孔剂粒子可采用氯化钠、酒石酸钠和柠檬酸钠等水溶性无机盐或糖粒子，也可用石蜡粒子或冰粒子。最常用的方法是，利用无机盐溶于水而不溶于有机溶剂、聚合物溶于有机溶剂而不溶于水的特性，用溶剂浇铸法将聚合物溶液/盐粒混合物浇铸成膜，然后浸出粒子得到多孔支架。该法通常称为溶剂浇铸/粒子浸出法(solution casting/particulate leaching)，已成功地用于软骨细胞的培养和软骨组织的生成。粒子浸出法制得的多孔支架的孔隙率可达91~93%，孔隙率由粒子含量决定，与粒子尺寸基本无关;孔尺寸50~500μm，由粒子尺寸决定，与粒子用量基本无关;孔的比表面积随粒子用量增大和粒径减小而增大，变化范围为0.064~0.119μm-1。三者均与盐的种类和溶剂的种类基本无关。溶剂浇铸/粒子浸出法制备多孔支架时易形成致密的皮层，若浇铸后不断地振动至大部分溶剂挥发，可防止粒子沉降，抑制表面皮层的形成。

粒子致孔法简单、适用性广，孔隙率和孔尺寸易独立调节，是一个通用的方法，得到了广泛的应用，但致孔时往往需用到有机溶剂。

超临界CO2制备三维多孔支架利用了不同压力下气体在固体中溶解度不同的原理，包括两个步骤。

首先将已压制成型的热塑性聚合物试样放入容器中，并给容器中通入高压气体，使容器内的高压气体达到饱和状态，该气体多为超临界状态的CO2气体。 通过一定时间与高压超临界状态CO2的相互作用，聚合物溶胀了足够的气体使其玻璃化转变温度降低到低于高压容器的操作温度，以便形成聚合物/气体溶液。

第二步是将容器内气体压力降至大气压，这一快速的放气过程使得CO2在聚合物中的溶解度降低，在聚合物试样中由于CO2过饱和形成气穴。随着气穴在聚合物中的形成和扩展，聚合物中的气体浓度迅速降低直到聚合物的有效玻璃化转变温度上升到容器内温度为止。同时，由于容器内压力骤降导致温度降低，也可能限制了气泡的生长。

这种方法的优点是不使用有机溶剂，因为残留在支架中的有机溶剂对细胞有害;但这种方法制得支架的孔隙率和孔径不可控，由气体在固体中溶解/释放过程的形态决定。

电纺丝(electrospinning)又称“静电纺丝(electrostatic spinning)”,是一种利用聚合物溶液或熔体在强电场作用下形成喷射流进行纺丝加工的工艺。近年来,电纺丝作为一种可制备超精细纤维的新型加工方法,引起了人们的广泛关注。理论上,任何可溶解或熔融的高分子材料均可进行电纺丝加工。目前世界上已成功进行电纺丝加工的聚合物超过30种,包括DNA、胶原、丝蛋白等天然高分子,以及聚氧乙烯、聚丙烯腈、聚乳酸、聚酰亚胺、尼龙、聚乙烯醇、聚己内酯、聚氨酯等合成高分子。

在电纺丝过程中,喷射装置中装满了充电的聚合物溶液或熔融液。在外加电场作用下,受表面张力作用而保持在喷嘴处的高分子液滴,在电场诱导下表面聚集电荷,受到一个与表面张力方向相反的电场力。当电场逐渐增强时,喷嘴处的液滴由球状被拉长为锥状,形成所谓的“泰勒锥”(Taylorcone)。而当电场强度增加至一个临界值时,电场力就会克服液体的表面张力,从“泰勒锥”中喷出。喷射流在高电场的作用下发生震荡而不稳,产生频率极高的不规则性螺旋运动。在高速震荡中,喷射流被迅速拉细,溶剂也迅速挥发,最终形成直径在nm级的纤维,并以随机的方式散落在收集装置上,形成无纺布。

静电纺丝是指聚合物溶液或熔体在外加电场作用下的纺丝工艺。在高压电场力作用下，处于纺丝喷头的聚合物溶液或熔体液滴，受静电排斥力、库仑力和本身表面张力的共同作用，形成带电细流，在喷射过程中细流拉伸分裂多次，经溶剂挥发或固化后形成纳米级至亚微米级(5~1 000 nm)的超细纤维，最终被收集在接收屏上，形成非织造超细纤维膜，或附加特殊装置，将超细纤维纺成纱线。由于静电纺丝所得到的纤维比常规方法得到的纤维细度小，所以其非织造膜具有超高的特异性比表面积和孔隙率，是制备具有表面活性的组织工程支架的理想方法。

图2是静电纺丝技术制备组织工程支架的示意图。

快速成型技术又称固体自由成型(solid free-form, SFF)技术,它采用离散/堆积成型原理, 用非侵人计算机断层扫描(CT)和核磁共振成像(MRT)扫描; 分割，用三角形或多角形描述、提取曲面; 模型用三维CAD软件预处理以产生一个STL文件格式的实体模型; 然后根据工艺要求,将其按一定厚度进行分层,把三维模型变为二维平面/截面信息,即离散的过程; 再将分层后的数据进行一定的处理,加入加工参数,产生数控代码,在微机控制下数控系统以平面加工方式有序、连续地加工出每一个薄层,并使它们自动粘结而成型,即材料堆积的过程。

三维打印(3-dimensional printing, 3-DP)和熔融堆积成型(fused deposition modeling, FDM)是目前用于多孔支架制备的两个主要的快速成型方法。

三维打印法制备多孔支架时,打印喷头依次“打印”出聚合物粉末和粘合剂(通常为溶剂),粘合剂将粉末粘合成一层,在计算机控制下,按预定程序逐层打印,即可形成三维支架。

三维打印在室温下进行,但所得支架的孔尺寸偏小,力学性能和成型精度尚有待于提高。有机黏结剂、残余聚合物粉末不能完全除去对细胞生长会产生不利的影响。

首先将待用的支架材料拉丝,再放入融化器中熔融,喷嘴沿x轴和y轴挤出聚合物束材,并通过沉积构建支架层模型,沿z轴方向降低该模型并重复x轴和y轴的运动即可层层构筑三维支架。通过改变束材沉积的方向可在支架中形成蜂巢状结构,并可调控孔的形态及内部贯通性。

但受到成型机中加热器功率的限制,所用材料丝的熔点不能太高,常采用的脂肪族聚酯为PCL以及PCL/HA复合材料,缩小了加工原料的范围。另外, FDM制备的支架存在三维方向孔的开放性不一致的缺陷。其中,在x轴和y轴方向,由于材料层的堆积形成了开放的孔,其大小受每层厚度的限制,孔形态的变化范围很小。但在z轴方向上,孔形态的变化范围较大。

众多的研究工作多围绕如何利用快速成型技术制备出初级体外支架模型,还未与构建器官原型支架、最终实现中级植入体、高级人体器官联系起来。分析原因在于两个方面:一是利用现有的CT、MRI等医学影像手段难以准确、快速、完备地获取实物的三维几何数据,进而与RP技术的高精度相匹配;另一方面,成型过程中制件的翘曲变形、成型后由于温度和内应力变化等不稳定因素会造成支架无法精确预计的变形。

只有通过开展多学科领域的交叉研究、相互协作,才能加快上述问题的解决,促进快速成型技术在组织工程领域中的广泛应用,推动组织工程学科的发展。

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