可降解高聚物的宏观结构设计和性能表现

　　组织工程其基本原理和方法是将体外培养扩增的正常组织细胞吸附于生物相容性良好并可被机体吸收的具有一定三维结构的生物材料上形成复合物，细胞在生物材料逐渐被机体降解吸收的过程中形成新的具有形态和功能的相应组织、器官，达到修复组织和重建器官的目的[1]. 其中，为细胞再生提供生长和发育的三维空间复合体就是组织工程支架，它为细胞提供了获取营养、气体交换、排泄废物和生长代谢的场所，也是形成新的具有形态和功能的组织、器官的物质基础[2]. 因此设计制备综合性能优良的组织工程支架对组织和器官的修复和再生有着重要的意义。

　　聚合物纤维集合体构成的纺织结构具有良好的三维结构和力学性能，恰好能够满足组织工程支架的多孔结构和支撑性能，因此适宜用作设计组织工程支架。 大量细长柔软材料的聚集体拥有其他结构所不可替代的优良特征，它具备“刚柔并济”的黏弹特性[3],这点恰与柔韧的人体组织特性相似。 因此，高分子材料在医疗领域中有着广泛的应用，特别是伴随着再生医学领域的发展和进步，纺织结构聚合物集合体的应用得到了逐步的推广和加深。 以纺织成型手段分类，织物结构可以分为机织、编织和针织 3 大类，且各具特色。 这3 种结构可以辅助组织工程支架的设计，用以模仿不同的组织性能，从而制造出不同性能的人工组织、器官或假体[4,5]. 近几年的研究同样也显示了织物增强的结构在软骨、韧带、血管、神经导管等方面具有良好的应用潜力和前景[6,7]. 本综述主要针对目前在组织工程研究中，涉及应用到的一些高聚物时的宏观结构设计思路和性能表现进行讨论，为组织工程支架的研发设计者们提供一些参考。

　　1 材料的选择

　　支架材料是构建组织工程支架的本体，其选择是决定支架性能最直接的因素，因而原料应当具备以下性质。 首先，原料应该具有良好的生物相容性和无免疫原性，这点直接决定了细胞在上面黏附、分化、生长的难易程度[8]. 其次，应当考虑原料的基本力学性能和可塑性，因为材料需加工成一定三维形态才能够支持活细胞生长[9]. 除此之外，原料的降解行为也是必须考虑的因素。 适当的降解时间能够恰当的配合组织的发育，有时支架材料还要担负局部给药的任务，材料的降解产物也会对不同的组织细胞产生影响[10]. 最后，材料的成本、易处理性也是设计时需要考虑的因素[1].

　　目前，组织工程支架材料可以分为无机材料和有机高分子材料以及它们的复合体，有机材料包含人工高分子材料、天然大分子材料、脱细胞基质[11,12]. 其中脱细胞基质在使用时需考虑其来源不足、免疫原性等问题。 天然大分子材料由于机械性能不足，在设计组织工程支架中常作为改善支架的生物相容性涂层或者覆膜存在[4,5]. 通过纺织手段加工的主要是人工高分子材料。 人工可降解高分子材料以其良好的机械性能和安全性高的优势，成为组织工程支架设计中主要考虑的一类材料。 这类人工合成材料不仅易成型，且能够通过原料合成和后处理工艺的控制原料的降解行为，能够对降解速率、时间进行调控和设计[13]. FDA目前已批准的可用于体内可降解高分子聚合物有聚乳酸（ PLA）[14]、聚羟基乙酸酯（ PGA）[15]、聚（ ε-己内酯） （ PCL）[16,17]、聚羟基丁酸酯（ PHB）[18]及它们的嵌段共聚物[19]. 表 1 列出常用于组织工程支架构建的一些原料的基本性能和参数。
　　
　　2 纺织结构与特点及其应用

　　2. 1 机织

　　传统机织结构的纺织品是由 2 组相互垂直的纱线系统（ 经纱、纬纱） 按照一定规律上下相互交叠而形成的柔软片状体。 在织造过程中可以通过对纱线系统的交叠规律、纱线的张力进行控制，从而达到调控织物的孔隙率、表观形貌、几何特征的目的（ 图 1（ a） ,1（ b） ,1（ c） ） . Liu 等[26]使用蚕丝机织物为增强结构，复合多孔丝素蛋白制备血管支架并负载了抗凝血药物，得到了兼具生物力学和生物相容性的血管支架。

　　传统机织物的优势在于其轻质、强韧，但织物的结构稳定性较差。 为了解决这一问题，可以在传统机织物的中引入更多系统不同角度交叠的纱线。 现在的工艺可以进行多层织物的三维编织，即在交叠的单层织物中引入一组垂直于织物平面的纱线，在交叠的各层中形成联系，形成具有一定厚度和结构稳定性的三维机织物（ 图 1（ d） ,1（ e） ,1（ f） ） . 这样的三维结构通常具有较高的支撑力和压缩模量，为细胞的培养和组织的生长提供一定的支撑作用，在骨组织工程支架的研究中有一定的应用。 Moutos 等[16,17]将这种结构用于软骨组织的培养中以治疗骨缺损或骨关节炎损伤。 研究发现，在整个培养期间，复合结构的支架表现出对于脂肪干细胞向软骨细胞分化具有良好的促进作用，同时支持富含胶原蛋白的细胞外基质的合成，保持类似于天然软骨的性能。 经过 PCL 三维机织织物增强的组织工程支架表现出良好尺寸稳定，不易收缩，在培养的整个过程中具有较高的压缩和剪切模量。 Abrahamsson 等[16]同样将 PCL 三维机织结构的支架用于骨组织工程中，45 天培养后组织工程产物的机械性能（ 压缩模量、杨氏模量、剪切模量） 具有和天然关节软骨相同的数量级。

　　Valonen 等[17]在同一时间也进行了相似的研究，所不同的是，他们比较了 2 种不同机织密度的三维支架在进行组织培养后的性能，实验结果显示，高密度的织物具有更高的力学强度，在振荡生物反应器中培养 21 天之后，可以获得结构接近正常的关节软骨的组织。 使用两种密度的织物进行组织培养，经检测，DNA、胶原蛋白、葡萄糖胺聚糖（ GAG） 等生物组分的含量基本一致。在设计组织工程支架时，在需要较强支撑力和耐磨性能的部位，如骨组织工程，考虑使用三维机织结构，因为该结构稳定不易变形，具备较高的冲击模量和杨氏模量。 但同时，此结构弹性较差，刚性大，所以目前仅用于骨的修复。

　　2. 2 编织

　　典型的二维编织是由携纱器在相互蜿蜒交叉的轨道盘上运动，其中一组携纱器沿轨道盘顺时针方向运动，另一组携纱器沿轨道盘逆时针方向运动，这就使得携纱器上的纱线产生相互交错交叉，在卷绕机构竖直提取作用下，最终就形成了纱线交织角小于 90°的连续管状编织物（ 图 2（ a） ,2（ b） ） . 这样的结构特别适宜结缔组织和血管的生长。 与针织物相比较，编织结构制备的管状支架具有较高的径向支撑能力，且编织物的孔隙率要低于针织结构的试样。 多步编织法制备出来的结构是唯一一种可以抵抗沿平面和垂直于平面的弯曲、剪切力，同时它也可以承受扭转和来自内部的压力[27]. 平面的编织结构可以提供类似于天然韧带的分层结构，同时还具备较高的抗张强度，使得这种结构非常适宜做肌腱和韧带的修复 （ 图2（ d） ,2（ e） ） .Cruz 等[28]使用聚酰胺 6. 6 纤维为原料，使用多根复丝编织纱作为芯纱，外部使用编织结构将这些芯纱固定，形成如图 2（ d） 所示的结构，作为人工韧带支架。 这样的多级结构与天然韧带的结构极为相似。 力学性能方面同样可以很好的模仿天然肌腱。 Cooper 等[29]将编织结构用于肌腱的再生中，他们的研究是以 10∶ 90 PLGA 的共聚物为原料，在三维编织机上通过控制编织角，以及每股纱线的根数，制备出多孔的（ 孔径 175 ~ 233 μm）支架。 值得一提的是，在进行骨关节的设计时关节内采用较为松散的编织结构，而骨组织连接处采用紧密的编织结构（ 图 2（ c） ） . 实验表明该结构有利于韧带组织的黏附生长，且这种复合构建体的初始机械性能与天然韧带的非常相似。 随后，该团队又进行了以兔为模型的动物实验，组织学和力学评价证明了此结构的组织工程韧带具有优良的愈合和再生性，可作为受损韧带的替换品[30].

　　Freeman 等[31]使用 PLLA 纤维进行加捻编织加工，比普通的编织方法能够得到更高的孔隙率和更大的孔，结合聚乙二醇二丙烯酸酯水凝胶涂层，制备出特殊编织结构的人工前交叉韧带。 该复合结构具有黏弹性，在 8 N 与 18 N 的载荷下应力松弛现象均不明显，具有较好的力学保持性能。 同一时期，Walters 等[32]也使用相似的结构，获得了与天然前交叉韧带较为相近的机械性能的支架。 Lou等[33]使用不锈钢和聚乳酸制成股线，在 16 锭的编织机上编织成三维支架，利用不锈钢丝的导电率，在支架成型后用电化学的方法诱导羟基磷灰石沉积在编织结构的外侧，形成一个具有三维复合结构的骨组织工程支架。相比于其他织物结构，编织结构能够提供最高的轴向强度。 因此，编织结构非常适合用于韧性的结缔组织。 编织结构如果用于其它的支架，需要提高其径向的支撑性能。 编织结构在制备成管状支架时，为了获得足够的支撑力，通常选用模量、刚度较大的纱线[34]. 由于编织点容易移位，对其径向进行压缩会使得支架向轴向伸长，使用编织结构设计管状支架时要考虑到这一点。

　　2. 3 针织

　　针织结构是由纱线弯曲成圈，然后将线圈相互串套和连接而成为针织物，与机织和编织结构相比，其结构特点是存在相互嵌套的线圈。 其中，横跨织物宽度方向的线圈被称行，沿织物长度方向的线圈成为列。 由于横行纵列的相互交织结构存在，针织物的顶破性能优于机织物和编织物，整片织物的弹性和疲劳性能较好，但织物平面内的抗张强度比其他结构要弱很多。 与机织物相比针织物有较高的孔隙率，非常适宜为细胞提供足够的生长空间。 根据工艺特点的不同针织可分为纬编和经编两大类，如图 3 所示。 通常，纬编结构包括 3 个主要的类别： 纬平结构和它的衍生物、罗纹织物及其衍生物和双反面织物及其衍生物。 整块织物可由 1 根纱线嵌套而成。 然而，在经编结构中，1 根纱线只能串套成一纵列线圈，1 块织物由众多根纱线嵌套形成。 因此，纬编结构更容易扭转和拉伸，而经编结构更加稳定不易发生变形。 为了获得特殊的性能和结构，有时也在织物中添加额外的纱线系统，形成浮线和集圈的结构。 总之可以通过改变线圈嵌套的规律制备出结构性能各异的结构，这些结构可以为组织的生长提供足够的孔隙和内部连接力[35]. 所以，目前纺织结构在组织工程应用的研究中，针织结构占了很大部分[36].

　　单层的针织结构由于其薄、轻、弹性好、较高的顶破强力等特点，非常适宜做疝气修补、盆腔器官脱垂、盆底功能障碍、体壁缺损等人体补片材料[37]. 其主要使用聚丙烯，聚（ 对苯二甲酸乙二醇酯） 和 PLA 等高聚物，经过经编工艺成型，复合以生物性能良好的生物涂层得到强韧的补片材料。

　　Urita 等[38]采用了 PLGA 针织物复合胶原支架作为替代假体材料修复膈疝，并指出，混合支架促进原位组织再生的功能优于简单的 PLGA 织物。 Pu等[39]开发了一种 PLLA 针织物和多孔海绵状胶原复合的组织工程支架，在血流灌注生物反应器中进行 7 天的纤维母细胞的培养，进行腹壁修补。

　　针织物的性能和结构同样适用于作为韧带和肌腱类的修复材料[40 ~43]. Chen 等[44]设计了一种蚕丝针织物复合胶原材料的肌腱修复的支架，此支架的力学性能良好，并且等够诱导韧带的再生和胶原的沉积。 他们得到结论，针织物不仅能够提供力学支撑，同时对目标组织的再生有一定的促进作用。 Liu 等[45]也设计出了一种蚕丝织物复合丝素涂层的多孔复合支架。 并随后接种成人骨髓间充质干细胞（ MSCs） ,与单纯的蚕丝织物作为人工韧带相比较具有更高的细胞活性。 随后，Fan 等[46]以蚕丝编织纱作为芯纱，在其周围卷起了一片针织物，用作前交叉韧带，实验结果显示了骨间韧带的成功再生。 Ouyang 等[47]用针织 PGLA 支架修复了兔子跟腱中 10 mm 的间隙，实验显示针织物诱导跟腱再生作用良好。 针织结构经过一定的三维折叠或者结构设计，同样能够提供足够的支撑力，应用于软骨组织的再生[48,49]. Chen 等[24]致力于PGLA 针织物和胶原复合结构的软骨组织工程支架的研究。 这类支架利用了天然材料良好的生物相容性和合成材料良好的机械性能的优势互补，且支架厚度可调节。 聚合物针织结构不仅作为一种骨 架 结 构，而 且 有 利 于 细 胞 的 接 种 和 分化[50,51]. 人造皮肤是最早且使用较广泛的组织工程产品，一般使用海绵状多孔胶原-壳聚糖制备。

　　但是这样的结构力学性能达不到要求，因此通常也在胶原中加入增强的织物层来制备人造皮肤[52,53]. 增强层的材料多选用降解速率较快的PGLA 或 PLACL[54 ~56]. 由于人造皮肤需要较大弹性这一特点，也多考虑使用纬编针织结构作为增强层[55]. 针织管状结构，用于人工输尿管、气管，食道管均有报道和研究，这主要归功于针织结构良好的弹性，即具备一定的顺应性，适合用于体内的软管状结构[57 ~59].

　　用作组织工程支架设计时，针织织物多与其他材料或结构进行一定的复合。 针织织物在其中不仅仅是提供了增强力学性能的作用，而且也作为移植物中保证一定的微孔结构的骨架支撑[60].

　　这样的结构可以促进细胞的粘附，诱导组织的再生。 在进行支架设计时，用到了蚕丝、PGLA 和PLACL 等生物材料进行针织物的制备，赋予了针织物良好的生物物理特性。

　　3 纺织复合支架材料的成型技术

　　3. 1 一次成型法

　　一次成型法指的是在制备复合结构的支架时，织物部分和其他部分同时结合成型。 由于其制备程序简洁，是目前设计制备纺织基组织工程支1最常用的方法之一。 这种支架的数量、形状和位置可以根据需要来调节，也可通过层压或者卷起单张的网状片层来获得一定厚度的网状三维结构的支架。

　　Dai 等[55]系统地研究了 PGLA 针织物复合胶原的复合结构软骨组织工程支架。 他们使用冷冻干燥法设计了 3 种复合结构的支架，有薄型、厚型，及三明治式 3 种结构之分，其中厚型的织物增强层在胶原层底部，而三明治型的增强层在胶原的中间层。 他们的结果显示后 2 种较厚结构的性能要优于薄的结构。 同样，在 Chen 等[18]和 Fan等[28]和 Liu 等[26]的研究中，都使用了蚕丝为原料，制备织物，以冷冻干燥法复合以胶原来制备人工韧带。 Liu 等使用脱胶的蚕丝机织物作为增强层，利用冷冻干燥法复合多孔丝素膜制备双层血管支架。

　　使用这种成型方法的原理是直接在织物上涂覆或浸渍可以形成多孔结构的一些生物相容性材料，如凝胶、胶原、丝素等，然后使用交联、冷冻干燥、或溶剂析出等方法，使得织物外的溶液固化，形成复合结构的组织工程支架。 制备的样品工艺比较简单，一般不需要设计其他的成型设备来完成支架的制备。 织物和复合膜间靠物理机械力结合，织物与复合膜之间的结合力影响支架的使用性能，但对这种结合力或者衡量这种力的方法尚鲜见报道。

　　3. 2 组装法

　　组装法是指通过多个单元部分的组装来制备支架，这些复合工艺不仅包括织物材料本身，还包括一些有助于支架不同部分连接的辅助元件。

　　Ananta 等[54]设计了一种快捷便利的装置，如图 4所示，将经编的 PLACL 织物置于 2 块胶原之间，通过一定时间和压力的挤压来制备复合结构的组织工程支架。

　　Ng 等[55,56]用组装的方法来制备多层结构的人工皮肤，其工艺是将淀粉二醛交联的胶原-透明质酸海绵状物以铺在 PGLA 针织物上，形成类似于皮肤性能的三维结构，用于种植角质细胞来形成人工皮肤。

　　3. 3 组合法

　　一些研究人员试图通过结合一次成型、组装法，将多种织物组合起来，以制造更复杂的支架。如图 5 所示，Torikai 等[25]制备了 1 种血管膜支架，采用机织结构，选取降解速率最慢的 PLA 材料作为血管膜的外壁，为血管膜提供了良好的机械支撑。 选取针织结构 PGA 复合多孔胶原的结构作为血管的内壁，其降解速率快生物相容性好易于血管的内皮化。 内膜与外膜之间使用 PCL 作为涂层粘结，形成三层复合的结构，提升了血管支架的性能。 Tatekawa 等[24]结合多种工艺制备出一个结构复杂的人工气管支架。 支架的主要支撑部分是 P（ CL/LA） 编织的管状支架。 支架管内壁衬垫一层 PGLA 针织物-胶原复合结构的海绵状三维多孔内衬。 支架管的外部附一层可生物降解的明胶凝胶片材料，为了成纤维细胞生长因子（ bFGF）的控制释放。 这种复合结构的支架各层的降解周期不同。 虽然这种复合结构支架并没有完全诱导气管软骨的再生，但是它的设计代表了纺织基复合组织工程支架可以朝向性能全面的复杂结构设计思路的迈进。
　　
　　4 结论

　　综上，纺织增强型结构对细胞活性及组织再生具有促进的作用： 第一、织物由柔软的纱线集合体组成，因此具有优良的张力的变化和压力的分布，并能够保持支架在体外和体内的三维形态。 第二、织物可以作为骨架结构保持多孔结构良好形状，促进营养物质的扩散和代谢废物的排出，它们提供足够的空间用于细胞迁移和血管向内生长。

　　第三、因为细胞是黏附在多孔材料的孔中的，良好的机械性能有助于维持支架的多孔结构，因此可以调节细胞的生长行为和组织的形成。 因此具有三维微孔结构和力学性能的纺织基支架，在调控细胞活性和组织再生方面有至关重要的作用。

　　支架的三维微孔结构和支架的机械性能在支架诱导组织再生方面有至关重要的协同作用。 因此，应该逐渐完善该类材料的评价体系，使得材料更好的发挥其在组织工程的作用。 尽管织物增强型组织工程支架已有一定的研究，但是整体水平还是处于初级实验室研制阶段。 目前，材料特点与活性体的作用机理并不清楚，许多问题仍需要有进一步的研究。 例如，原料形态对细胞行为的影响，包括纤维的尺度、纤维的集合方式等； 材料聚集形态对降解行为的影响； 以及材料降解行为对细胞/组织的作用。 该类研究涉及材料学、生物学、医学等交叉学科等学科，因此，共同努力才能使材料的加工更符合组织再生的要求。