曹成波，吴克安，王振芳，邹玉萍
(山东大学化学与化工学院，山东济南250061)
The present situation and development in scaffolds of skin tissue engineering
CAO Cheng-bo, WU Ke-an, WANG Zhen-fang, ZOU Yu-ping
(Chemistry and Chemical School, Shandong University, Ji’nan 250061, China)
Abstract：Scaffolds provide growth environment for cells and play an important role in skin tissue engineering, so they are one of the most important parts in artificial skin studies. The present situation and development in polymer scaffolds and biomaterial scaffolds are briefly summarized. In the former fields, a tri-layer membrane system for artificial skin was prepared by grafting N-isopropyl acrylamide onto the surface of the polyethylene. Grafting the glycin-arginine-aspartic amino acid sequence (RGD) to the surface of polymer scaffold would enhance the cell adhesions, such as PLLA, PGA, PLGA. In the latter fields, researchers put emphases on strengthening the tensile strength of collagen by chemical and composited method. Sang Bong Lee et al. has prepared porous scaffolds composed of gelatin and β-glucan by using the freeze-drying method. Constantia E, Kast et al. has prepared the chitosan-thioglycolic acid (chitosan-TGA) conjugate as scaffolds. Some researchers has explored new composite scaffolds. Semi-interpenetrating polymer networks (SIPNs) composed of silk fibroin(SF) and a poly(ethylene glycol) (PEG) diacrylate macromer were synthesized and characterized by H. Y. KWEON et al. According to the new development trends, we put forward to several research focus: to study the interactivity mechanism between the scaffolds and cells; to empolder bioactivity polyester scaffolds by surface bionics technique; to enhance the penetrability of acellular dermal matrix to promote the blood vessel growth, to empolder structure bionic scaffolds and composited scaffolds.
Key words：skin tissue engineering；scaffolds；polymer；chitosan；collagen
摘要：支架材料在人工皮肤的构建中起关键作用，按化学性质可分为合成类和生物类。前者主要研究通过表面仿生技术开发具有生物活性的聚酯类支架材料；后者主要研究用交联或与聚合物膜复合的方法来提高胶原的力学性能，用化学方法对壳聚糖进行改性，提高脱细胞真皮基质的渗透性和血管化速度。新的研究重点为：支架材料表面与细胞的相互作用机理、制备结构仿生支架材料及复合型支架材料。
关键词：皮肤组织工程；支架材料；聚酯；壳聚糖；胶原
中图分类号：Q81 文献标识码：A
文章编号：1001-9731（2004）增刊-2314-03
1 引言
随着组织工程二十几年的发展，第三代生物材料的设计已经逐渐成为研究主流，即从分子水平上控制材料与细胞间的相互作用，从而引发特异性细胞反应[1]。皮肤组织工程支架材料的研究及其优选是人工皮肤的重要研究内容之一，按化学性质可将其分为合成类与生物类，它们各有优缺点，现分别综述其研究现状及其发展并提出其新的研究重点。
2 合成类皮肤组织工程支架材料
目前，合成类支架材料中主要是聚交酯、聚内酯、聚羟基烷酸酯、聚碳酸酯类等聚酯类支架材料，其中聚乳酸（PLA）、聚L乳酸（PLLA）、聚羟基乙酸（PGA）、乳酸和乙醇酸的共聚物（PLGA）是研究的热点，并已被美国FDA批准用于人工皮肤中[2]。Nam等人以碳酸氢铵为致孔剂制备出了高孔隙率的PLLA多孔海绵支架，其内部的贯穿孔平均尺寸约为200μm左右。他们还以二噁烷/水溶剂体系调控热诱发相分离的各种参数制备出不同孔径的PLLA、PLGA、PDLLA等支架材料[3]。美国Advanced Tissue Science公司以聚乳酸为支架材料，在其中培养新生儿包皮分离的成纤维细胞形成活性人工真皮TransCyte,并已经FDA批准用于2~3度烧伤[4]。国内，王新文等人在多孔聚乳酸海绵中接种皮肤成纤维细胞构建组织工程真皮，观察细胞在材料上的生长、增殖及分泌情况，实验证明聚乳酸能支持皮肤成纤维细胞正常的生理代谢和分泌[5]。王身国等人通过分子设计，采用一定比例的乳酸（或丙交酯）与乙交酯、已内酯进行无规或嵌段共聚，合成了聚乙交酯－丙交酯（PLGA）、聚丙交酯－已内酯－聚乙二醇（PCLE）等聚酯类支架材料，经本体和表面改性后其细胞亲和性明显提高[6]。合成支架材料抗张强度高、降解速率和微结构容易在合成过程中控制，而且容易大规模生产，但其最大的缺点是缺乏细胞识别信号，不利于细胞粘附及特异基因的激活。随着人们对细胞与细胞外基质相互作用的认识，人们已经认识到整连蛋白在细胞与支架材料的粘附与迁移、细胞的生死和形貌等方面中起重要作用[7]。合成类支架材料新的研究方向是通过生物材料的表面仿生工程技术实现增强其细胞表面活性。如用一定的方法将细胞膜表面受体的特异识别位点(甘氨酸-精氨酸-天冬氨酸序列)即RGD序列接枝到合成材料表面，以增加合成支架材料表面的细胞生物活性[8]。
3 生物类皮肤组织工程支架材料
胶原凝胶和胶原海绵是经典的人工皮肤支架材料，但它们的缺点就是力学性能差。美国Integra Life Science公司开发的人工皮肤产品Integra 的下层是2mm厚的牛胶原和氨基多糖多孔膜，上层是0.22mm厚的有机硅橡胶膜。这种产品已经在3度或更重的烧伤治疗中得到广泛的临床试验，它能够明显缩短创面的愈合时间[9]。Organogenesis 公司研制的人工皮肤Apligraf是以牛肌腱胶原提取的胶原蛋白为支架材料，其中培养了成纤维细胞，它是具有双层结构的人工皮肤，但缺点是力学性能差，不易于手术操作[10]。国内，杨珺等人用新鲜猪皮提取的胶原与硫酸软骨素混合，经真空干燥方法制备胶原海绵膜片，并以此为支架材料进行了表皮细胞的体外培养实验，结果显示人表皮细胞可以在此种胶原海绵支架材料上生长、增殖和融合成片[11]。人们对胶原膜的研究重点主要在用交联或与聚合物膜复合的方法来提高它的力学性能，最近Sang Bong Lee等制备了含β-葡聚糖的胶原海绵，用1-乙基-3-（3-二甲氨基丙基）碳二亚胺交联，并研究了它对成纤维细胞与表皮细胞生长情况的影响[12]。S.Suzuki等人将一层硅胶附在一层胶原海绵上制备的人工皮肤，厚度只有0.2mm就能达到较高的机械强度，且手术后引起的皮肤收缩较小[13]。
壳聚糖具有活化巨噬细胞、诱导免疫调节因子的表达等功能，其结构中含有可衍生化的活性羟基氨基，正电荷密度高，有利于细胞的粘附，所以壳聚糖是一种良好的组织工程支架材料[14]。最近研究多是用化学方法对其改性，如Constantia E. Kast等人用巯基乙酸对壳聚糖进行改性提高其降解性，经过培养鼠成纤维细胞的对比试验发现，鼠成纤维细胞在改性后的支架材料表面更密集，说明了巯基对细胞生长没有不良影响[15]。海藻酸盐是阴离子型线性多糖，具有良好的生物相容性。Cho等人偶联制备了半乳糖化壳多糖（GC）的海藻酸钙多孔支架材料，并研究了GC的分子量对海藻酸钙孔隙结构的影响[16]。壳多糖和海藻酸钙等多糖类支架材料缺乏细胞识别位点，不具备细胞行为的引导能力，所以若在多糖类支架材料引入细胞识别位点或与胶原复合[17]，可增强其与特定细胞的相互作用，促进细胞发挥迁移、增殖和特定基因表达的功能。
脱细胞真皮基质是目前研究的热点，美国已用脱细胞尸体皮或猪皮为支架材料制备了人工皮肤，如Lifecell 公司开发了脱细胞尸体皮人工皮肤Alloderm,它的优点是力学性能好，抗原性低，缺点是材料来源非常有限且有传染某些疾病的危险，所以他们又试用猪皮代替尸体皮来制备脱细胞真皮基质[12]。我国的科研人员对无细胞真皮基质的制备、细胞培养及临床应用作了大量的研究，肖仕初等人研究表皮细胞在异种无细胞真皮基质的生长情况，认为异种无细胞真皮可用于含表皮细胞的活性复合皮体外构建[18]。提高脱细胞真皮基质的渗透性、促进血管化是目前研究的热点[19]。
还有研究者用其它生物材料制备皮肤组织工程支架材料，如H.Y. Keon等人用聚乙烯基乙二醇对蚕丝进行表面改性制备了一种新型的支架材料[20]，最近国内也有用丝蛋白成功研制人工皮肤的报道。Ching-Hua Sut等人试用真菌菌丝制备人工皮肤，并研究了这种新型人工皮肤对创面的愈合和成纤维细胞的增殖影响[21]。我们课题组已用新的方法开发了新型的天然三维网络结构胶原作为皮肤组织工程支架材料，它不但保留了胶原纤维的天然三维网络结构，而且具有良好的渗透性和力学性能，还复合壳聚糖以提高支架材料表面生物活性，增强细胞对胶原纤维的粘附性[22]。
4 结论
综上所述，皮肤组织工程支架材料作为细胞外基质，为细胞的粘附、生长、迁移、增殖和分化，为形成新的皮肤组织提供支架。应加强支架材料表面与细胞的相互作用机理的研究，对于合成支架材料应采用表面仿生技术在其表面接枝细胞粘附识别多肽序列，以提高其表面生物活性。胶原类支架材料应加强对脱细胞真皮基质的研究，进一步提高其渗透性，促使毛血管的长入，同时着重研究在其制备过程中如何保持和提高其生物活性，以制备结构仿生支架材料及复合型支架材料。
美国已经有多个人工皮肤产品，并占据了许多世界市场份额。日本也计划两年内实现人工皮肤技术国产化。我国虽然在皮肤组织工程方面也取得了许多成绩，但离人工皮肤的工业化还较远，我国的研究者们应该抓住新的发展机遇，加快我国人工皮肤的研究，以求早日实现我国人工皮肤的产业化。
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基金项目：山东省自然科学基金重点项目（Z2003C01）；山东大学高层次人才引进科技专项经费资助
作者简介：曹成波（1965－），男，山东招远人，教授，博导，主要从事精细化工新材料的研究。山东大学校聘关键（一级）岗位教授，国家“百千万人才工程”第一、二层次人选。（E-mail: cbcao@sdu.edu.cn），Tel: 0531-8393631.
论文来源：中国功能材料及其应用学术会议,2004年,9月12-16日
