孙艺 沈阳科技学院

组织工程与细胞生物力学的进展综述

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组织工程是目前发展最有潜力的学科之一，在再生修复医学和人体健康方面应用前景十分广泛。本文结合组织工程学与细胞生物力学，对细胞生物力学在软组织和血液组织修复工程中的应用进行简要的综述，介绍了国内外的研究进展，以期为今后的研究提供参考依据。

组织工程 细胞生物力学 组织修复

组织工程的研究范围十分广泛，涉及材料学、细胞生物力学以及生命科学等医学领域。细胞生物力学在组织工程中主要用于构建人工心肌、血管、神经、皮肤以及软骨组织和器官，涵盖了骨科、整形外科、五官科、再生与康复等医学研究领域。本文从软组织修复和血液组织工程两个方面对细胞生物力学的应用进行综述。

1 细胞生物力学在软组织修复工程中的应用

人体的韧带是一种连接骨骼的紧密结缔组织，在体内分布广泛，尤其是在接近关节处。韧带的功能是保护关节，防止关节过度屈伸，主要成分是较厚的坚实的胶原纤维和少量的氨基聚糖。在人参加运动时经常会发生韧带损伤，其中膝盖韧带损伤是运动相关损伤的主要类型，平均每年大约有150万韧带损伤病例，其中至少5万患者需要进行韧带修复。目前，治疗韧带损伤撕裂的方法主要是假体性植入物（人工及天然的）、同种异体移植物、异种移植物，单独或与加强物合用修复以及采用合成修补物等。但是，这些治疗方法都不能提供长期有效的作用。韧带的合成材料移植虽然十分普遍，但在移植后容易出现移植物变形甚至丧失功能的情况。现阶段异体移植仍然处于试验期，有可能会引起伤口自发的免疫反应。而自体移植的材料来源有一定限度，同样是矫形外科医师需要面临的困难。

美国率先采用自体移植物来取代受损前交叉韧带（ACL）进行韧带修复治疗，其自体移植组织来自患者髌骨的跟腱、髂胫带、股薄肌以及半腱肌。但是在这些部位取自体组织会引起供体相应部位功能及强度的丧失或降低，从而引发次级并发症。同时，进行髌骨肌腱的自体移植时可能会发生跟腱断裂情况。此外，ACL重建的外科手术复杂且价格昂贵，因此需要开发新型安全无排异现象的组织工程韧带修复材料。目前组织工程化肌腱领域的研究主要在肌腱细胞外基质替代物、肌腱细胞生物学性质及其与细胞外基质材料复合等问题上，研制了适合肌腱细胞生长和发挥功能的细胞外基质材料，建立可调控生长和增殖的肌腱细胞系，在模拟体内力学条件下，对肌腱细胞进行了三维培养。

2 细胞生物力学在血液组织工程中的应用

近年来，随着人口的激增，对于血液代用品的需求越来越大，仅靠医院血库和人员献血难以满足实际需要。而且，传统输血方式在血液贮存和运输方面有着较大的困难，艾滋病、肝炎等各种病毒侵染的危险性较大，缺乏特殊血型，人口老龄化导致的健康供血人群不足等各种问题，给临床医疗急救带来巨大的困难。因此，国内外关于血液代用品的开发和研究逐渐展开，据估计全球每年输血达三千万单位，血液供给不足将会导致未来20年每年缺少约四百万单位的血液，开发能够使用人类全部血型的代用品将解决这一难题。美国FDA日前批准了一种含氟化物高分子胶体溶液作为血液代用品，氟碳化合物是由氟和碳组成的分子，与血浆或者水混合输入人体，氟碳化合物会在全身循环，向组织输送氧气，起到与血红蛋白一样的功能。但是氟碳化合物虽然无毒性，却容易在体内堆积不能排出体外，长期会引发健康问题。

目前，研究学者通过将人体血红蛋白基因导入到细菌和植物中，进行人工制造血红蛋白，发现一种烟草植物能够合成人类血红蛋白，但研制过程昂贵且产量较小不能满足实际需要。研究学者还倾向于用脂质体包封血红蛋白来作为血液替代品的研究，但是通常脂质体的稳定性较差，与天然红细胞的形态不一致，并且没有可变形性，因此临床应用不多。血红蛋白作为血液代用品的最新进展是研究学者运用化学修饰，将多个血红蛋白分子聚缩成一个大分子，形成2-6个分子构成的聚合体，大大提高了输送氧的速率。我国学者通过改型和去免疫化等方法成功将动物血红蛋白转化为人体血液代用品，临床应用安全有效。在细胞生物力学和组织工程学理论的角度，深入认识细胞的形态结构及功能，在组织层面研究生物力学，以此为基础，进行红细胞重建工作，用磷脂和结构蛋白包封血红蛋白，体外重建的红细胞在变形性、脆性和弹力等生物力学特性上基本接近天然红细胞，同时具有相同的双凹蝶盘形态，稳定性和运送氧气能力都较强。

细胞生物力学与组织工程学的有机结合，在细胞与组织水平研究信息传递及转化规律，重点围绕组织修复工程的基础研究，在骨连接系统、心血管系统等方面发展相应的研究方法和技术，并将成果应用于人工血管、胆管、血液细胞、支架材料等方面，替代和修复人体病变损伤的组织器官，重建生理功能。

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