两院院士教科书式Nature综述：发展100多年的组织工程材料该如何设计？

小奇

2020-06-12

尽管骨组织具有天然再生能力，足以修复小的损伤部位，如裂缝和某些类型的骨折，但超过临界尺寸阈值（通常大于2cm，取决于解剖部位）的骨缺损将无法单独愈合，则需要临床干预。使用生物惰性金属装置或自体骨和同种异体骨进行骨固定是目前针对大骨缺损的金标准治疗，并且每年进行数以百万计的此类手术。然而，金属骨固定装置通常需要随后的外科手术切除，同种异体骨的使用与从供体材料传播疾病的风险有关，并且自体骨的使用导致与供体部位愈合相关的额外发病率。骨组织工程领域已经见证了朝着促进缺陷部位骨再生过程而又不产生这些风险的材料的实质性发展。

最早的尝试使用实验室制造的材料修复丢失或受损的骨头的报道可追溯到19世纪初，当时外科医生开始研究使用磷酸钙作为骨移植物。此后，用于治疗骨缺损的植入物已从旨在通过仅用生物惰性物质填充缺损体积来替代丢失的骨头的植入物发展为使用生物活性（生物活性）材料再生功能性骨组织的策略。在随后的几年中引入了不同的材料类型，最终在1990年代出现了骨组织工程学作为一个独立的研究领域。如今，材料合成和加工技术的进步，以及对骨骼生物学和结构的加深理解，为设计用于骨组织工程的越来越复杂的材料提供了新的机遇。图1说明了骨组织工程生物材料设计取得进展的主要里程碑的时间表。

值得注意的是，离我们最近的（2010-2020年）骨组织工程的里程碑事件为3D打印在骨组织工程的拓展应用。

图编译自奇物论

骨的层次结构及其在胚胎发育和骨折愈合过程中的自然形成过程为骨组织工程的新方法提供了启示。与任何生物组织一样，骨骼由被细胞外基质（ECM）包围的特征性细胞类型组成，其中生物活性分子整合在ECM中或由细胞产生。骨组织是一种天然的纳米复合材料，具有有机蛋白质（主要是I型胶原）、无机矿物（主要是磷酸钙）和多种细胞类型。骨ECM类似于骨组织工程支架，由交联的胶原蛋白框架组成原纤维，它们会自组装成纤维，从而形成纤维片或束。由磷酸钙晶体组成的碳酸羟基磷灰石（也称为骨矿物质）位于胶原纤维的内部和之间。这种结构成分的组合及其层次结构赋予了骨的力学性能。

在更大的范围内，单个骨骼也表现出不同的密度：外部区域由致密的皮质骨或致密骨组成，而内部区域由松质骨或海绵骨组成，后者包括称为小梁的多孔骨针状网络。骨组织工程材料的设计者通常旨在重构骨的蛋白质、矿物质和细胞成分的物理结构和或功能，促进和支持新骨组织的生长并恢复其功能。此外，从植物到海洋动物，非人类生物体内组织的结构和组成特征也启发了具有改进功能的骨组织工程材料的设计。

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尽管在骨组织工程策略中包含生物成分（例如细胞和生长因子）具有潜在的价值，但在临床实践中，包含生物成分的生物材料系统受制于高成本和复杂的监管要求。研究工作、临床转化和商业化策略极大地受益于排除生物成分的纯材料方法，取而代之的是旨在招募人体自身的细胞来促进骨骼再生。

美国工程院、医学院两院院士、莱斯大学Antonios G. Mikos教授等人在本文综述了骨组织工程的材料设计策略。描述了在骨组织工程中使用生物材料（特别是聚合物、生物陶瓷、金属和复合材料）的目标和要求，重点介绍了它们在人类治疗和疾病建模中的应用。还讨论了材料设计过程中的关键考虑和决策，并概述了最有前景的制造技术，即3D打印和电场辅助技术。最后，作者强调在开发理想的骨组织再生材料方面未得到满足的需求和挑战。

一、骨组织工程学的目标

骨组织工程的研究领域旨在设计出比自体骨和同种异体骨更好的材料。总体目标是制备材料，将其引入骨缺损，然后由受者自身的细胞重塑。

1. 临床考虑

用于骨组织工程的材料设计过程首先要考虑目标骨组织的潜在状况，该状况受缺陷相关因素和患者相关因素的影响。需要干预的临界大小的骨缺损通常分为整形外科或颅面外科。整形外科缺陷发生在四肢的长骨或脊椎骨中，通常会受到扭转和压缩载荷。相比之下，颅面骨缺损一般不承重，除了涉及上下颚和颞下颌关节的骨缺损。骨科和颅面骨缺损可由损伤、疾病、感染、先天性疾病、药物治疗或手术切除肿瘤的不良影响引起。

用于老年人的骨组织工程学策略还需要考虑自然衰老对骨骼微结构的影响以及与年龄相关的再生潜力的下降。相反，用于儿科患者的骨组织工程材料需要动态结构特性或有利于其重塑的特性，以适应患者骨骼的持续生长。值得注意的是，性别相关的差异也存在于骨骼的区域微观结构和整体大小。鉴于这些细微差别，根据不同患者的需要对骨组织工程材料进行微调，鼓励材料科学家和多个专业的临床医生之间的合作。

骨组织工程系统也可用于开发与肿瘤、药物治疗的药物副作用或骨中发生的其他疾病相关的研究模型。骨原发性肿瘤（如骨肉瘤和尤因肉瘤）和其他部位肿瘤转移（如乳腺癌或前列腺癌）的影响，可以使用组织工程系统在具有代表性的3D骨结构中建模，以研究从病理生理学到耐药性的机制。与传统的2D癌症模型相比，这些3D模型能更紧密地反映真实肿瘤细胞的行为。

2. 设计与材料考虑

先植入还是先培养再植入，这些因素决定了生物材料所需的性能和结构，进而决定了材料类型和生物材料制备策略的选择。除了形态、物理化学和机械特性外，材料还需要进行广泛的体外评估和体内动物试验，从而进一步优化系统，最终进入临床试验并将产品投放市场。表1概述了骨组织工程材料设计的途径，并列出了与该过程每个阶段相关的主要考虑因素。

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任何骨组织工程生物材料的基本要求是生物相容性。物质与身体的有利相互作用可以通过促进所需蛋白质吸附的表面特性来促进。然后，细胞可以通过其膜上的受体与这些吸附的蛋白质结合。另外，考虑临床转化时，所选材料还必须与至少一种灭菌或消毒技术兼容，例如高压灭菌，环氧乙烷气体灭菌或紫外线灭菌。

生物活性物质既可以促进原位骨形成（即在骨骼的自然部位），也可以促进异位骨形成（即在原本不会存在骨组织的部位）。相比之下，骨传导材料是具有组成和结构的材料，能够使矿化的组织沉积在其表面上，从而直接粘结到骨上。

除了生物活性之外，用于骨组织工程的材料还需要特定的机械和降解特性，以促进骨组织的再生。此外，骨组织工程材料的机械性能应优选匹配（而不是大大超过）天然骨的机械性能，以避免传统的金属骨固定系统通常观察到的应力屏蔽现象。还有，理想地，支架的降解速率与矿化的组织沉积的速率同步，从而由降解的支架提供的机械支持的逐渐降低可以由新的组织提供的机械支持的逐渐提高来补偿。

二、骨组织工程材料

多种材料类型和组合已被证明是有希望用于骨组织工程应用的候选材料。通常，用于骨组织工程的材料的选择取决于多种因素，包括预期的制造和实施方法。尽管如此，鉴于天然骨组织的有机和无机组成，用于骨组织工程应用的最常见生物材料是聚合物，生物陶瓷和复合材料。表2概述了不同的材料类型以及材料选择的注意事项。

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三、制备工艺

根据预期的应用和策略，材料可以制成微粒或纳米粒子、纤维、涂层、薄膜和三维结构。基于乳液的技术（如水包油包水乳液）是最常见的颗粒形成方法，而涂料和薄膜通常使用浸涂、物理气相沉积、化学气相沉积和逐层沉积来制备。尽管常规技术（如溶剂浇铸和颗粒浸出、泡沫复制、气体发泡和热诱导相分离）仍广泛用于制造用于骨组织工程的3D构造，但这些技术具有众所周知的局限性，例如可伸缩性差，本文将不做进一步讨论。相反，以下各节提供了3D打印和电场辅助技术的概述，这些技术可提供出色的可扩展性和对支架微结构的改进控制，因此越来越成为骨组织工程材料设计的首选制造方法（如下图所示）。

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四、临床和监管考虑

用于骨组织工程的材料设计取决于对缺陷部位，最终用户的需求以及材料旨在解决的功能缺陷的清晰理解。在材料设计过程的开始，必须确定每种特定临床应用的要求。除了骨骼缺陷的位置和大小以外，患者的年龄和健康状况也会影响骨骼再生的成功，因此应在材料设计过程的早期就予以考虑。另外，还涉及在骨质疏松和肿瘤等疾病案例中添加的抗炎剂、抗微生物剂或抗肿瘤剂，可以提供治疗益处并促进系统与天然组织的卓越整合。但值得注意是，不应将刺激生长的生物分子（例如生长因子）引入以前的肿瘤部位。

用于骨组织工程的材料开发的最终目标是将设计的材料系统转换为患者护理。重要的是，这种过渡需要在体外和体内模型中进行测试，并需要政府监管机构的批准，这要求所设计的材料与这些机构的评估标准兼容。材料设计者需要了解不同材料成分和特性的包含如何影响监管机构评估的可行性和复杂性。与这些监管问题交织在一起的是解决商业化潜力的必要性，因为获得设计许可的企业的财务和人力资源通常对于实现监管批准所需的数据收集的广度和数量是必不可少的。相反，展示至少初步的监管利益可以极大地提高材料设计对潜在投资者的吸引力，这是大规模生产设计产品的必要前提。在设计过程的早期阶段考虑所有这些因素可以大大提高成功获得监管批准和设计材料商业化的可能性。

五、结论：

尽管在用于骨组织工程应用的生物材料的开发方面取得了长足的进步，但一些未满足的需求和挑战继续为进一步的科学进步和基于生物材料的方法的临床转化带来障碍。障碍之一是我们对大多数生物材料的作用机理及其产生的细胞反应的了解有限。解决这一需求需要系统的研究。此外还有，需要满足多个相互矛盾的要求，这通常要求使用新颖的材料。但处理条件多，变得复杂。但结合多种材料的能力对于克服界面组织工程学的障碍尤其重要。

人体组织通常是粘弹性的，因此，尽管主要在非承重条件下，具有可调应力松弛行为的水凝胶为指导骨组织再生过程提供了新的可能性。水凝胶的机械弱点限制了它们在骨骼再生中的应用。但是，可以通过掺入纳米材料（例如石墨烯）以形成纳米复合材料来改善其机械性能。创新的化学修饰还可以通过构建互穿聚合物网络来增强水凝胶的机械性能。组织再生还是一个动态过程，涉及细胞及其周围基质之间的双向相互作用。故可设计响应这些动态过程的材料。

此外，骨组织的形成在多个长度尺度上发生，并且所得到的骨组织的大部分功能和特性都归功于其层次结构。通常不能使用单一制造方法来实现对不同长度尺度的生物材料特征的高度控制。因此，骨组织工程系统的设计师被迫采用结合多种合成和制造技术的创新策略，以便在分子，纳米级，微米级和宏观尺度上指示生物材料的结构和特性。

骨组织工程学策略在临床和商业上取得成功的一个关键挑战是它们的可扩展性，无论是所用材料的合成还是对大型结构的潜在制造需求。生物材料的临床处理以及将其引入患者的选择方法也需要特别考虑。预制构件通常需要开放式外科手术植入，而可注射生物材料可以以微创方式应用（临床上越来越受欢迎）。然而，确保将可注射生物材料引入缺陷部位后保持其完整性是具有挑战性的，并且可注射系统通常缺乏预制构件中存在的机械性能和构建特征。

最后，个体患者之间的差异要求转向可以实现精确医学的模块化生物材料系统，而不是骨组织工程学中传统上寻求生物材料设计的“一刀切”的所有策略。

参考文献：

Koons, G.L., Diba, M. & Mikos, A.G.Materials design for bone-tissue engineering. Nat Rev Mater (2020).

https://doi.org/10.1038/s41578-020-0204-2

作者简介

  Antonios G. Mikos是美国莱斯大学（Rice University）生物工程与化学、生物分子工程Louis Calder教授，及该校生物医学工程J.W. Cox实验室和组织工程“卓越中心”主任。他于1983年获得希腊塞萨洛尼基亚里士多德大学（Aristotle Universityof Thessaloniki）工程学士学位，并于1988年获得普杜大学（Purdue University）化学工程博士学位。Mikos教授于2012年当选美国国家工程院及美国国家医学院两院院士。
 
  Mikos教授的主要研究领域包括组织工程支架、控制药物输送载体，和基因治疗非病毒载体的新型生物材料的合成、制备和评估。他的研究成果引领了新型整形外科、牙科、心血管、神经和眼科生物材料的发展。他发表过580多篇文章，拥有发明专利29项。他编辑了15本书，撰写了教科书《生物材料：生物学与材料科学的交叉》，该书2008年由皮尔森出版社出版。他的论文被引用了68,000余次，h值高达137。Mikos教授是期刊Tissue Engineering Part A, TissueEngineering Part B: Reviews, and Tissue Engineering Part C: Methods的创始编辑及主编。