1、 临床论文-纳米支架材料在脊髓组织工程中的研究进展【摘要】随着纳米技术的快速发展和广泛应用，也为脊髓组织工程生物材料的发展开辟了新的领域。 纳米材料具有一些独特的作用，有利于细胞粘附、增殖和功能增强，将在脊髓损伤修复的研究中发挥越来越重要的作用。 关键词纳米材料；脊髓损伤；组织工程；细胞支架摘要:随着纳米技术的迅速发展和广泛应用，脊柱组织工程材料的发展已进入一个崭新的领域。纳米材料因其独特的促进细胞粘附、增殖和功能的作用，将在脊髓损伤修复的研究中发挥越来越重要的作用。关键词:纳米材料；脊髓损伤；组织工程；细胞支架纳米技术是指在0.1100纳米的测量范围内研究和制造材料结构的技术。 当颗粒尺寸达
2、到纳米尺度时，具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧穿效应，因此许多独特的性质在催化、光吸收、生物医学、磁介质和新材料等领域具有广阔的应用前景。 在脊髓组织工程支架材料的合成和制备中，通过利用纳米技术对生物材料表面进行重构，或者直接利用纳米材料或纳米复合材料，不仅可以提高细胞与材料的粘附性，改善材料的生物相容性，同时有利于细胞的分化和增殖，因此在脊髓组织工程中具有良好的应用前景。 综述了纳米支架材料在脊髓损伤修复组织工程中的应用。 1脊髓组织工程的概念脊髓损伤后神经功能的恢复仍是医学领域的难题。近年来，组织工程技术的兴起为脊髓损伤的恢复带来了新的希望。 脊髓组织工程的基本思想是先在
3、体外分离培养种子细胞，然后将一定量的种子细胞种植在具有一定形状的三维生物材料支架上，不断培养扩增形成细胞-生物材料复合体，再植入体内，最终形成具有一定结构和功能的组织或器官。 在这个系统中，细胞、支架或生物材料的构建以及细胞和材料之间的相互作用是三个主要因素1 目前，用于修复脊髓损伤的种子细胞主要有神经干细胞、嗅鞘细胞、许旺细胞等。如果在没有有效支撑的情况下，单纯移植细胞进行治疗，周围组织容易塌陷，挤压细胞，使细胞形成杂乱的凹块，轴突不能充分延伸与周围正常组织形成突触。 生物支架材料为种子细胞的生长提供适宜的环境和有限的空间，防止其他外界成分的干扰和胶质瘢痕的形成，引导神经元的轴突延伸，使新形
4、成的组织接近正常解剖结构，有利于功能连接的建立。 材料及其三维结构对治疗效果起着重要作用。 目前使用的组织工程支架材料与体内正常脊髓相比，在物理性能、生物性能和形态结构上存在较大差距，没有一种支架材料与脊髓的三维结构高度相似，物理化学性能与脊髓相似2 细胞移植的传统生物支架有很多种，可分为天然生物支架、合成支架和复合支架。 2.1天然生物支架材料用于脊髓细胞移植支架的天然生物支架材料主要分为蛋白质和多糖。 这类材料最大的优点是生物相容性好，降解产物易吸收，无炎症反应，但存在力学性能差，尤其是力学强度与降解性能存在逆向关系，即高强度来源于高分子量，导致降解速度慢，难以满足组织构建的速度要求，也使
5、得多孔3D支架难以构建，且受分离提取过程中不同批次间质量控制的影响。 2.2人工支架材料包括尼龙、硅胶管、聚氨酯等不可降解的非生物材料，可降解聚合物主要有聚乙醇酸、聚乳酸、聚乳酸聚乙醇酸共聚物等。 可降解合成高分子材料是目前组织工程生物材料的主要研究对象。这类材料降解速度和强度可调，易于成型和构建高孔隙率三维支架。其主要缺陷在于降解产物易发生炎症反应，降解单体的集中释放会使培养环境酸度过高，可能对宿主组织和种子细胞产生不良影响，对细胞有毒性的有机溶剂容易残留在材料表面。 此外，可降解合成高分子材料对细胞的亲和力较弱，需要进行表面改性才能更好地粘附细胞和复合营养因子。 2.3复合支架材料复合支架
6、材料可由天然可生物降解的生物材料混合制成，如胶原-壳聚糖、明胶-壳聚糖、胶原-硫酸软骨素等。或通过混合人工材料如聚乙烯醇-壳聚糖、透明质酸-戊二醛等。 当考虑到其他优异的功能和改变复合材料的比例时，由复合材料制成的支架的机械性能和均匀性如韧性和硬度可能变低，这不利于支架承受载荷。 纳米支架材料的生物学特性及构建3.1纳米支架材料的生物学特性细胞在体内生存的微环境多为66 nm胶原纤维组成的纳米支架结构，纳米支架结构的界面可能是调节细胞生命活动的重要因素。 纳米材料具有小尺寸效应和表面或界面效应，使其部分物理性质因不连续的能级间歇性而异常，而表面原子不饱和，表面能大大增加，具有很大的活性，因此容
7、易与其他原子结合而稳定。 支架的孔隙为细胞提供生长空间，因此孔隙的性质(如孔径、孔隙率等。)对脚手架的性能有重要影响。 纳米纤维具有连续的结构，更适合作为支架材料的组分结构。 纳米纤维材料的仿生微环境可以影响细胞和基质之间的相互作用，调节细胞的生物学行为3 与传统支架材料相比，纳米支架具有以下优点:(1)无免疫原性，生物相容性好；(2)孔隙率高，孔径分布可调，孔隙率达90%以上，为细胞和组织的生长提供足够的空间和营养代谢环境；(3)良好的生物降解性、可塑性和合适的机械性能；(4)高的比表面积和良好的材料-细胞界面有利于细胞粘附、生长和繁殖；(5)类似天然细胞外基质的形态结构4 6 3.2纳米支
8、架材料的制备方法目前，纳米纤维支架的制备方法有很多，如相分离法、自组装法、电子纺丝法等。 由于静电纺丝技术的制备方法相对简单，且随着纳米技术的兴起，该技术逐渐成为制备组织工程支架材料的热门方法。 大多数细胞外基质由随机取向的纳米胶原组成，电纺纤维的形态和结构与天然细胞外基质非常相似。 通过静电纺丝技术制备的纳米纤维支架具有高达90%的孔隙率、高达100m的孔径以及可变的尺寸和形状3 李等4在高压电场下制备了直径为500 800 nm的聚乙醇酸共聚物微纤维多孔支架。其孔隙率在90%以上，力学性能良好，形状与活组织ECM相似。它不仅能显著提高细胞的粘附和增殖，而且能很好地保持细胞形态。 他认为制备
9、的细胞支架在结构上类似于ECM，有利于细胞黏附和增殖，具有良好的生物相容性，符合细胞支架的设计要求。 杨等7采用液-液相分离法制备纳米纤维，但纤维直径和取向难以控制，不适合作为神经细胞支架材料。 目前，他们采用静电纺丝法，通过调节聚合物分子量、纺丝液流速、电场等来控制纤维直径。当转鼓收集速度为1 000 r/min时，可以获得排列有序的纤维。 4纳米支架材料在脊髓组织工程中的实验研究在组织工程材料的合成和制备中，越来越多的学者利用纳米技术对生物材料表面进行重构或直接利用纳米材料或纳米复合材料作为细胞移植的支架。 杨7等人利用静电纺丝法，形成了四种由纳米和微米尺寸的L-聚乳酸纤维有序和无序排列而
10、成的支架，并首次培养神经干细胞，探索其在神经修复中的应用。 利用激光扫描共聚焦显微镜观察，杨等发现神经细胞和轴突沿纤维方向伸展生长。与微米级纤维支架相比，纳米纤维上的细胞分化率更高，有利于轴突在平行纤维上的生长，表明电纺纳米纤维支架在神经修复中具有重要的应用价值。 MIT团队8利用水凝胶开发了一种用于神经细胞培养的支架材料纳米多肽纤维支架溶液。溶液中的多肽就像一个微型蜂巢。当注射到动物神经细胞中时，溶液在受伤的裂缝之间流动，然后这些分子将几个神经元之间的裂缝连接起来，形成一个支架，细胞在支架上增殖。 这种支架为神经细胞提供了良好的环境，不仅可以准确再生受损细胞，还可以连接脑神经组织。是一种良好
11、的神经组织工程支架材料。 Tysseling Mattiace 9等人认为含有IKVAV多肽的IKVAV两亲性分子(ik VAV PA)纳米纤维可以抑制体外培养的神经干细胞的胶质细胞分化，促进体外培养的神经元轴突生长。 他们将一种液体注入脊髓的细胞外空间，形成纳米尺度的结构，因为这些分子的自组装受到生活环境中离子强度的刺激。 实验表明，ik VAV-PA在脊髓损伤后的体内治疗可以减少损伤区的胶质化、细胞死亡和增加少突胶质细胞的数量。 此外，这些纳米纤维还能促进穿过受损区域的下行纤维和上行纤维的再生，还能带来运动能力的明显提高。 这些观察表明，在脊髓损伤后使用具有生物活性的三维纳米结构可以抑制胶
12、质瘢痕的形成并促进其再生。 Thid 11等人发现，在不同的多肽浓度下(0 10%)，细胞粘附与IKVAV浓度之间存在非常强的非线性关系。 当使用凌乱的多肽序列时，细胞粘附减少了10倍，这证明了IKVAV与神经前体细胞的细胞表面受体之间的特异性相互作用。 邹伟12等人认为含IKVAV活性位点的多肽自组装材料对神经细胞具有良好的细胞相容性，能诱导轴突的发生和伸长，具有支架和生物活性的双重功能，可作为一种新型的组织工程材料。 该二维凝胶支架能够诱导神经元轴突的发生和伸长，延长神经元在体外的存活时间，具有神经营养作用。其机制可能是IKVAV与神经细胞表面的LBP110结合，通过信号转导上调细胞内c-
13、fos基因的表达，从而促进细胞的生长和轴突的伸长13 Silva GA14认为含有IKVAV多肽片段的分子可以通过自组装形成具有高密度IKVAV表位的纳米纤维水凝胶支架，在这种纳米纤维支架中生长的小鼠神经前体细胞的神经元比对照材料生长得更快。 吉谷15认为，在创伤性脊髓损伤中，由于受损轴突的残疾，大囊腔的形成导致神经功能的丧失。 最近的研究证明，自组装纳米纤维支架可以修复光路和视觉功能。 为了证明SAPNS修复脊髓损伤的可能性，在SAPNS中培养神经前体细胞和许旺细胞，然后移植到横断脊髓背侧束的大鼠中。结果发现支架内存在血管和轴突的细胞迁移和增殖，表明SAP NS可以桥接大鼠损伤脊髓，为活细胞
14、迁移提供真实的三维环境。 2007年4月23日，美国西北大学纳米生物医学研究所的斯图普在华盛顿举行的新兴纳米技术会议项目上报告说，脊髓损伤瘫痪的小鼠在注射生物活性纳米纤维6周后开始恢复行走功能。 Stupp认为，脊髓损伤时，星形胶质细胞聚集在损伤部位形成瘢痕，神经轴突无法在损伤部位生长，导致神经无法修复。 层粘连蛋白是一种在大脑发育中起重要作用的蛋白质。它分布在细胞外并含有神经突扩散/导向表位。 研究人员设计了含有层粘连蛋白和神经干细胞的生物活性纳米纤维。注射到小鼠体内后，轴突生长的抗原决定簇可以与调节细胞分化的整合素结合，启动信号转导途径并刺激轴突伸长。 24小时后，神经干细胞在损伤后开始分
15、化为新的神经元，可以抑制胶质细胞形成瘢痕，帮助神经修复。8周后，纳米纤维通过生物途径降解。 斯图普教授介绍，在实验中，小鼠脊髓损伤的程度相当于人体内非常严重的损伤，比如滑雪、车祸。 他们已经开始向FDA申请I期临床试验(关于毒性和安全性)，在脊髓损伤后一天内注射纳米纤维。 纳米支架材料的应用前景研究纳米支架材料的优异特性使其在组织工程领域备受关注。 随着纳米技术的成熟，制备工艺的优化、基因工程的引入以及纳米材料安全性能的科学评价将是纳米组织工程支架材料未来临床应用的挑战。 参考文献 1 Desiata。用于组织工程构建的微纳米结构J.梅登物理学，2002年，2: 595-606。2郭，等.脱细
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