组织工程学是近年来发展起来的一门新学科。它是应用生物学和工程学的原理研究开发能够修复、维持或改善病损组织功能的生物替代物的一门学科。方法是体外分离、培养细胞，将一定量的细胞种植到具有一定空间结构的三维支架上，然后将此细胞-支架复合物植入体内或体外继续培养，通过细胞间的相互粘附、增殖和分化，分泌细胞外基质，从而形成具有一定结构和功能的组织或器官。目前，应用组织工程方法研究制备出人工骨、软骨、皮肤、肌腱、血管甚至人工胰、人工肝等，其中骨组织工程研究进展较快，已经利用组织工程化骨修复骨缺损取得成功^［1］。但是，在骨组织工程研究中还存在许多困难，其中理想的细胞外基质材料的选择和制备是骨组织工程中十分重要而迫切的任务，也是组织工程化骨组织能否应用于临床的重要影响因素之一。

1骨组织工程细胞外基质材料应具备的条件

理想的骨组织工程细胞外基质材料的要求有^［2，3］：1.良好的生物相容性：除满足生物材料的一般要求，如无毒、不致畸之外，还要有利于种子细胞的粘附、增殖和降解产物对细胞无毒害作用，不引起炎症反应，甚至利于细胞的生长和分化。2.良好的生物降解性：基质材料在完成支架作用后应能降解，降解率应与组织细胞生长率相适应，降解时间应能根据组织生长特性作人为调控。3.具有三维立体多孔结构：基质材料可加工成三维立体结构，孔隙率最好达90%以上，具有高的面积体积比。这种结构可提供宽大的表面积和空间，利于细胞粘附生长，细胞外基质沉积，营养和氧气进入，代谢产物排出，也有利于血管和神经长入。4.可塑性和一定的机械强度：基质材料具有良好的可塑性，可预先制作成一定形状，并具有一定的机械强度，为新生组织提供支撑，并保持一定时间直至新生组织具有自身生物力学特性。5.良好的材料-细胞界面：材料应能提供良好的材料细胞作用界面，利于细胞粘附、生长，更重要的是能激活细胞特异基因表达，维持正常细胞的表型表达。

2人工合成可降解聚合物在骨组织工程中的应用

目前可用作成骨细胞种植基质材料的生物可降解聚合物主要有：聚乳酸(polylactic acid,PLA)、聚乙醇酸(polygiycolic acid, PGA)、聚偶磷氮(polyphophazenes)、聚原酸酯(polyorthoester,POE)、聚己内酯(polycaprolactone,PCL)、聚酯氨酯(polyesterurethane)、聚酸酐亚胺共聚物(polyanhydride-co-imides)、聚羟丁脂(polyhydroxyrate,PHB)及其共聚物等。这些聚合物作为细胞外基质材料各有其优缺点，下面介绍几种生物可降解聚合物在骨组织工程中的应用情况。

2.1聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)及其共聚物

PLA、PGA均属α-聚酯类。PLA有三种异构体，PDLA、PLLA、PDLLA，在体内降解生成乳酸，是糖的代谢产物；PGA在体内降解为羟基乙酸，易于参加体内代谢。聚合物中酯键易于水解，属非酶性水解。共聚物的降解时间可通过改变两者的比例来调控，约为几周到几年。这类聚合物属热塑性塑料，可通过模塑(moulding)、挤压(extrusion)、溶剂浇铸(solvent casting)等技术加工成各种结构形状。因其降解产物无毒及良好的生物相容性，PLA、PGA已被美国FDA批准广泛用于临床，用作医用缝线、暂时性支架和药物控释载体。Vacanti^［4］首先将PGA、PLA用作软骨细胞体外培养基质材料，通过组织工程方法获得新生软骨成功，此后，PLA、PGA及其共聚物被广泛用于组织工程各类组织细胞种植的基质材料，如软骨、骨、肌腱、小肠、气管、心脏瓣膜等，取得了初步成功。

2.1.1PLA、PGA及其共聚物在骨组织工程中应用的主要结构形式。

PLA、PGA及其共聚物在骨组织工程中应用的主要结构形式有纤维支架、多孔泡沫以及管状结构等^［3］。

纤维支架是由PGA或其他结晶态材料组成。PGA通过挤压制成10～15μm的纤维，再通过编织加工技术形成编织状或无纺状结构，孔隙率可高达97%，面积体积比高达0.05μm^-1。但是这样形成的支架不能承担压力，要将无纺PGA纤维支架中邻近纤维通过物理键合方式连接才能提高其机械强度。一般有两种方法：一是用另一种聚合物包埋，多用PLLA或PLGA；第二种方法是热处理，以PGA纤维为基础的支架容易塑形成多种形状，用作软骨细胞、成骨细胞、肝细胞、平滑肌细胞、内皮细胞、小肠表皮细胞、皮肤成纤维细胞、尿道上皮细胞等的外基质材料。

Breitbart^［5］等将PGA无纺纤维支架制成直径15mm、厚2mm的圆盘状，复合体外培养的兔骨膜成骨细胞，植入修复兔颅骨直径为15mm的全层骨缺损。4周后缺损区有骨岛形成，12周后缺损区大量骨生成，完全修复骨缺损。

高度多孔PLLA或PLGA泡沫为组织细胞提供三维立体生长空间，是一种理想的结构形式。目前制作多孔泡沫的主要技术包括溶剂浇铸(solvent casting)、微粒滤除(particulateleaching)、相分离(phase separation)和气体发泡(gas foaming)。这些技术制成的泡沫孔隙率高达94%，且由于连续的固相结构，其抗压强度达10⁴Pa左右，远高于未链接的纤维支架的强度(约10²Pa)。尤其是Mooney^［6］采用气体发泡技术，即将PLGA固体室温暴露于5.5MPa高压CO₂气体72h达溶解饱和，然后将气压降至大气压水平，聚合物中CO₂溶解度迅速下降，产生大量的CO₂气腔，最终形成多孔泡沫样结构，孔径约100μm，孔隙率达93%。这种利用CO₂热不稳定性制成的PLGA泡沫，避免了有机溶剂的细胞毒作用和高温处理的影响，是一种较理想的细胞种植载体，尤其有利于负载生长因子作用于种植细胞。

Ishaug^［7］等将大鼠骨髓基质细胞种植于PLGA泡沫，再将复合物移植于大鼠肠系膜观察其成骨能力。组织学检查发现7天后复合物中即可见矿化骨组织，7周后，孔径为150～300μm的泡沫复合物中矿化骨组织厚度达370±160μm。可见，此泡沫复合物显示出良好的成骨效应。

2.1.2PLA、PGA及其共聚物用作骨组织工程细胞外基质材料的不足之处和改善方法

虽然PLA、PGA及其共聚物在组织工程中应用较为广泛，但仍然存在一些问题，学者们也探讨了相应的改进方法。(1)亲水性不足，细胞粘附力较弱：以PLA包埋的PGA无纺纤维支架亲水性差、细胞粘附力弱的问题一直困扰着组织工程学家，人们一直在寻找解决这一问题的方法。Mikos通过乙醇和水两步预湿的方法，有效地对支架进行预湿，增强了亲水性，促进了细胞在支架表面均匀分布，并将有利于体内移植后纤维血管的长入。刘彦春^［8］等选择卵磷脂和多聚赖氨酸共同包埋PGA+PLA，也显著提高了支架的亲水性和细胞吸附力。(2)引起无菌性炎症：临床上PLA、PGA的应用过程中发现患者出现非特异性无菌性炎症反应率较高，约为8%^［9］。Spenel^［10］的实验中提出中分子量降解产物可增加非感染炎性反应，PLA平均分子量低于20000时，无菌性炎症发生率较高，使用高分子量PLA可延迟但不能消除这一反应。目前认为出现无菌性炎症的原因可能与聚合物降解过程中酸性降解产物引起局部pH值下降有关^［11］。因此，有学者将碱性物质，如碳酸钙、碳酸氢钠、钙羟基磷灰石引入聚合物中，可代偿聚合物降解引起的pH值下降，有助于防止无菌性炎症的发生^［12］。(3)机械强度不足：单纯编织成的PGA无纺纤维支架不具备一定的抗压强度，通过聚合物包埋或热处理虽然可改善其机械强度，但仍然存在抗压强度不足的缺陷。Devin^［13］将羟基磷灰石(HA)与50∶50PLGA共聚物组成多孔复合基质材料，实验表明复合材料抗压弹性模量随HA成分增加而增加。聚合物降解后，含50%HA的复合材料模量为1459MPa，而不含HA的基质材料模量为293MPa。同时，HA的引入也延缓了聚合物的降解时间。含10%HA的复合材料6周内可完全降解，而含50%HA的复合材料则相对稳定。因此，将钙磷陶瓷引入PLGA共聚物，可改善PLGA的机械性能差、降解速度快、骨结合力弱等缺点。(4)其他：如聚合物中残留的有机溶剂的细胞毒作用，和可能引起的纤维化及与周围组织的免疫反应等问题^［14］。

2.2聚丁酸(polyhydroxybutyrate,PHB)

PHB最早由Lemoigne(1964)从细菌中分离出来，随后在诸多细菌，如巨杆菌属、红螺菌属等的胞浆颗粒中均发现有这种聚合物。在人体血液中也少量存在。PHB是由3-羟基丁酸通过酯键链接而成。PHB最早被美国ICI农业食品组织用作动物饲料，后来人们发现PHB具有压电效应，十分适合作为骨折固定材料，但由于单纯PHB易碎、热不稳定、降解时间长、可塑性和机械性能差等缺点限制了它的广泛应用。

将聚羟戊酸(PHV)引入PHB主链，形成PHBV共聚物，由PHB和0～24%PHV组成，可改善PHB的上述缺点。PHBV可在较低的温度下加工塑形，避免了PHB的热降解问题。PHBV通过微生物酶解和水解作用而发生降解，水解作用主要与环境酸碱度有关。Rivard^［15］用PHB/9%PHV组成的PHBV共聚物制成三维立体泡沫用作软骨细胞、成骨细胞培养支架，细胞均匀地分散在整个聚合物基质中，呈良好的粘附、增殖状态，并在培养21天时细胞生长达最大密度。但PHBV共聚物还存在机械性能差、骨结合力弱等问题。

为改善这些缺点，有人将可溶性磷酸盐玻璃、HA、磷酸三钙(TCP)等与PHBV组成复合物。可溶性磷酸盐玻璃虽然有助于提高机械强度，但其光滑表面不利于与PHBV的物理结合，且早期溶解率高，释放出大量Na⁺、P⁵⁺