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2008-01-11 22:00
一、 组织工程学的发展历史
组织工程学的研究历史 始于２０世纪８０年代初，１９８７年被美国科学基金会正式命名。
中国组织工程学的研究始于２０世纪９０年代中后期。１９９９年国家科技部正式成立了“九七三”组织工程基本科学问题研究项目，推动了国内组织工程研究的发展。２００２年国家科技部成立了“八六三”组织工程项目，以替代、修复或改善人体各种组织器官损伤的再生医学为主线，以组织工程技术、干细胞技术、人血代用品和异种器官移植为重点，形成组织（器官）工程研究开发的技术体系，为组织工程的应用研究和未来的产业化发展奠定了基础。
二、组织工程学的定义及其应用意义
组织工程是指应用生命科学与工程的原理和方法，构建一个生物装置，来维护和增进人体细胞和组织的生长，以恢复受损组织或器官的功能，主要任务是实现受损组织或器官的修复和再建，延长寿命和提高健康水平。这种具有生命力的活体组织或器官能对病损组织或器宫进行结构、形态和功能的重建，并达到永久替代。组织（器官）工程是研究和开发用于替代、修复或改善人体各种组织或器官损伤（包括功能和形态）的新兴技术领域，已成为生命科学研究领域的国际性前沿课题，并蕴含着巨大的科学价值。
三、 组织工程中的生物材料研究
１ 、促使生物材料发展的因素 使生物材料迅猛发展的主要动力来自人口老龄化、中青年创伤的增多以及疑难疾病患者的增加和高新技术的发展。生活节奏的加快、活动空间的扩展和饮食结构的变化等因素，使损伤成为一个严重的社会问题。国内因损伤而住院的患者年增长率达７．２％，高居住院人数第２位。美国１９９８年用于骨骼－肌肉系统损伤患者的治疗费高达１ ２８０亿美元，仅骨缺损患者就达１２３万，其中８０％需要用生物医学材料治疗。在全球，心脑血管疾病、各种癌症、艾滋病、糖尿病、老年痴呆症等发病率逐年增加，急需用于诊断、治疗和修复的生物材料。随着生物技术的发展，人体组织和器宫的修复，也将从简单的利用器械机械固定发展到再生和重建有生命的人体组织和器官；从短寿命的组织和器官的修复发展至永久性的修复和替换。
２、 生物材料的定义及其应用意义 生物材料是一类人工或天然的材料?可以单独或与药物一起制成部件、器件用于组织或器官的治疗以及增强或替代，并在有效使用期内不会对宿主引起急性或慢性危害。有人认为它是一类特殊的功能材料?熏利用它可以对有机体进行修复、替代与再生。生物医学材料研究的最终目的是用其代替或修复人体器官和组织?熏并实现其生理功能。生物材料是种子细胞在形成组织之前赖以生存和依附的三维支架，为细胞的增殖、分化、营养交换、新陈代谢以及细胞外基质分泌等生理活动所提供的空间场所。
３ 、组织工程支架材料 为构建组织的细胞提供的三维支架，有利于细胞的黏附、增殖乃至分化，为细胞生长提供合适的外环境。在组织工程中，支架材料起到细胞外基质的作用，是对细胞外基质的结构和功能的仿生。它不仅起支撑作用，保持原有组织的形状，而且还起到模板作用，为细胞提供赖以寄宿、生长、分化和增殖的场所，从而引导受损组织的再生和控制再生组织的结构。
支架材料在组织工程中具有重要的地位：①支架材料的结构和形貌控制再生组织的结构、尺寸和形貌，作为连接细胞和组织的框架，引导组织生长成特定形态。②作为信号分子的载体，将其运送到缺损部位，并作为缓释体使骨诱导因子缓慢发挥作用，为工程化的组织提供一个赖以存在的空间，可引导组织的再生和成长。③作为骨组织繁殖分化和新陈代谢的场所，为细胞生长输送营养，排除废物。④支架表面特殊位点与组织起特异性反应，对不同类型细胞起身份鉴别及选择黏附的作用。⑤起到机械支撑作用，可以抵抗外来的压力，并维持组织原有的形状和组织的完整性。⑥支架材料可以作为活性因子的载体，用来承载一些生物活性物质，如生长因子，为细胞的生长、分化和增殖提供养分。组织工程支架材料包括人工骨支架材料、神经组织工程支架材料、血管组织工程支架材料、肌腱组织工程支架材料、皮肤组织工程支架材料、角膜组织工程支架材料和肝、胰、肾、泌尿系统组织工程支架材料。支架材料是组织工程的关键因素，其材料来源涵盖了天然生物材料及人工合成高分子材料两大类。目前研究应用较多的组织工程支架基质材料有天然材料、合成高分子可降解材料和生物陶瓷材料以及它们相互之间复合形成的复合材料，已经成为研究热点的有纳米组织工程材料以及新发现的蚕丝材料等，正待更多的实验观察去考证。但是由于人体组织结构的特殊性，尚难确定哪几类材料为最佳支架材料。组织工程生物材料除要求具有一般生物材料的特性，无毒，无不良反应，来源充足，性质稳定，易贮存易消毒等；同时还必须具有良好的生物相容性及组织相容性，具有生物可降解性，可塑性及一定机械强度，一定的孔隙率及孔径等。理想的组织工程材料应具备：①支架应为三维、多孔网络结构，孔的尺寸应能允许细胞的生存，且孔间应相互贯通，以利于营养物质和细胞代谢产物传送。②良好的生物性能和生物降解性，降解速率应能与新组织的生长相匹配。③表面应有利于细胞粘附和正常的分化和增殖。④具有一定的生物力学性能，与所修复组织相匹配。⑤可以携带生长因子等生物活性物质。 总体上讲，理想的组织工程支架材料尚未发现，国内外相关研究都在关注对现有材料的改性与复合，各种材料表面处理与修饰技术、材料加工技术等方面的问题。
四、 组织工程中的人工器官研究 “人工心脏”、“人工肺”、“人工肝”、“人工肾”四类重要的人工脏器在挽救危重患者、为脏器移植争取时间方面起到了越来越重要的作用。
１ 人工心脏： 就是一个“人工血泵”。一般分为两类：①全心人工心脏，替代患者的心脏。②部分人工心脏，帮助患者的心脏“泵”血，常被称为人工心室辅助装置。其治疗的对象主要是因各种原因引起的终末期心力衰竭患者，目的是帮助准备移植心脏的患者渡过等待期，抢救生命，帮助严重心衰的患者度过危险期至心脏功能恢复；完全或部分替代患者心脏的泵血功能，达到终生治疗。
２ 体外膜肺（俗称人工肺）： 是通过一根手指粗的引流管将静脉血引流到人工肺内进行氧合，再将含氧的血泵入体内，从而改善全身组织氧供应。这种设备用于患有严重心肺功能不全的患者，以暂时替代肺的气体交换功能和心脏的泵功能，改善循环灌注，抢救患者的生命，为危重的心肺病变患者提供治疗机会，为心肺功能的恢复争取时间
３ 人工肝： 又称人工肝支持系统，它借助体外机械、化学或生物性装置，暂时及部分替代肝脏功能。其作用原理是利用血液净化技术置换出肝衰竭患者的血浆，补充正常人的血浆，清除患者体内的胆红素等有毒物质，减轻肝脏的炎症。与此同时，作为置换的新鲜同型血浆补充了血浆蛋白、各种凝血因子、调理素等生物活性物质，既可减轻患者水肿、出血等症状，又可减少机体感染，有利于肝细胞的修复和再生。急性重症肝炎患者肝功能丧失可用其暂时顶替。如果效果不佳，也可为肝移植争取时间。
４ 人工肾即透析： 包括血液透析和腹膜透析。血透液析是通过透析机净化血液。透析机有个特殊装置即滤过膜，其作用是清除因肾衰在体内蓄积的毒素和多余的水分。腹膜透析是用人体的腹腔和包围腹腔的腹膜进行的透析。
５ 人工器官材料学特征与人体生物相容性的关系 在组织工程与人工器官、软硬组织修复方面?熏要求具有全面生理功能的人工器官材料不仅是惰性植入体而且要具有生物活性?熏能引导和诱导组织、器官的修复和再生，在完成任务后能自动降解并排出体外。
生物相容性是指在所需时间内，材料在体内或体外持续完成要求它完成的功能的一种能力。生物相容性包括组织相容性和血液相容性，即要求材料与人体组织接触时，在起到对其所要求的功能作用时，不引起人体组织的不良反应，如毒性反应、过敏反应、排斥反应乃至长时间发生癌变等。生物相容性涉及材料的表面性质，如有无细菌污染、材料形状及软硬、粗糙程度和内在性质，如化学成分、稳定性、带电荷情况等。
五、 组织工程中的医学植入体研究
１ 医用植入体分类 ①骨外科植入体（骨板、接骨螺钉、矫形用棒、矫形用钉、骨关节假体、髓内针、脊柱内固定器材、骨缺损充填剂等）。②心血管系统植入体（支架、心脏瓣膜等）。③牙种植体。④医学假体。⑤不断产出的各种复合植入物。如骨结合式种植体系统，作为缺损修复的固定装置，可植入颧骨、颅骨、乳突、眶周，完成义颌、义耳、义眼等颌面赝复假体（假面）以及助听器的固位。
２ 医用植入体的应用意义 人体的组织器官对医用植入体的要求是需要其具有生物相容性以及材料本身的生物力学特点，能够符合人体植入部位功能的需要。这些植入体在人体内能够解决因创伤、肿瘤造成的组织器官缺损以及难于修复的问题，并在修复外形的同时恢复患者的功能。
六、 组织工程中的组织器官构建研究
１ 、组织构建的意义 组织（器官）工程是研究和开发用于替代、修复或改善人体各种组织或器官损伤（包括功能和形态）的新兴技术领域，主要研究方向即是替代、修复或改善人体各种组织器官损伤，最终目标为实现组织工程化组织的临床应用。要实现组织、器官的构建，必然涉及种子细胞、生物材料以及组织构建这三大要素，也是组织工程学研究的核心内容。只有获得足够量的、具有特定生物学活性的种子细胞，配以合适的生物支架材料，通过特定的构建技术，才有可能在体外制造出具有正常生理结构与功能的器官、组织。
２ 、组织工程技术的具体方法 将特定组织细胞“种植”于一种生物相容性良好、可被人体逐步降解吸收的生物材料（组织工程材料）上，形成细胞－生物材料复合物；生物材料为细胞的增长繁殖提供三维空间和营养代谢环境；随着材料的降解和细胞的繁殖，形成新的具有与自身功能和形态相应的组织或器官。
结合生物材料和干细胞诱导分化技术，组织工程技术已先后构建出软骨、骨、皮肤、肌腱、血管等多种组织或器官。
七、 组织工程中的器官移植研究
１ 器官移植的分类 可分为各种内脏器官移植、组织移植和细胞移植。①内脏器官移植有肾移植、肝移植、心脏移植、胰腺移植以及胰肾联合移植。细胞移植有骨髓移植、胰岛素细胞、肝细胞移植、脾细胞移植。②组织移植多数属于支架移植，有的还是自体移植为主，少数是有活力的混杂在一起的细胞和组织移植。如黏膜移植、脂肪移植、筋膜移植、肌腱移植、肌移植、血管移植、软骨移植、骨移植、神经移植、大网膜移植、脑组织移植和胸腺移植。
２ 异种移植 异种移植是组织工程学研究中重建组织器官的主要内容、器官移植的主要方向、解决当前器官短缺的主要途径。异种移植是用手术的方法将某一种属个体的器官或组织移植到另一种属个体的某一部位。异种移植有潜力补充用于移植的人体材料的有限供应并且可能成为一种替代选择。异种移殖包括使用活体异种细胞、组织或器官以及已与活体异种材料发生体外接触的人体体液、细胞、组织或器官。采用动物器官移植治疗人类疾病一直是器官移植学努力的方向，但令人担忧的是免疫排斥和动物疫病等安全性方面。异种器官移植存在免疫排斥和病毒传染两个主要的障碍。异种移植除了技术上的难题外，还存在伦理学和法学的问题。
八、 组织工程中的种子细胞研究
１ 干细胞的定义 干细胞是一种具有复制能力、可以分化成各种功能细胞的早期未分化细胞。干细胞是具有自我更新、高度增殖和多向分化潜能的细胞群体，即这些细胞可以通过细胞分裂维持自身细胞群的数量，同时又可以进一步分化成为各种不同的细胞组织，从而构成机体各种复杂的组织器官。
２ 采用干细胞移植可直接再生组织和器官 ①用干细胞携带治疗基因，经过诱导分化为成体细胞，可用于治疗遗传性疾病。②利用细胞间的相互转化的特性，可用干细胞进行自体组织和器官的修复，能够避免同种异体移植造成的免疫排斥反应。③干细胞作为种子细胞，还可与降解支架材料联合培养，在体外构建有生命的种植体，用以治疗一些难治性疾病。
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