反蛋白石支架用于生物医药领域的最新综述

组织工程与再生医学是指将具有特定功能的细胞种植到三维孔性材料(又称支架)中以形成细胞-支架复合体,通过体外培养或体内植入的方法,实现组织与器官的修复或者再生。这一概念一经提出,便引起了学术界的广泛关注,并于近些年来取得了快速发展。通常来讲,理想的组织工程支架应当具备以下几个特点:1)合适的孔径、孔连通性以及高的孔隙率;2)与目标组织相匹配的机械强度;3)合适的表面理化性质(便于生物活性分子的负载与细胞黏附);4)良好的生物相容性与生物可降解性。

相比于传统的组织工程支架,反蛋白石支架以其孔结构的高度均一性而受到研究者们的关注。该支架以单分散微球所形成的立方密堆阵列为模板,通过反相浇灌、选择性模板去除等步骤制备而成。由于模板微球具有单分散性,因此得到的支架也同样具有均匀的孔径以及相互连通的孔结构,这为细胞的生长、增值、迁移与分化,氧气和养分的传输,代谢物的排泄以及血管和神经的内生长提供了极其有利的微环境。与此同时,通过调控模板微球的尺寸以及制备条件(如烧结温度、浇灌溶液的浓度),也可以实现包括孔径、孔隙率以及孔连通性等各种结构参数的精确调控。值得一提的是,反蛋白石支架的制备方法非常可靠,因而所得到支架的孔结构在同一个支架内部以及在不同批次的支架间都具有高度的重现性,这为组织再生过程的定量分析与深入理解奠定了坚实的结构基础。

通过对近十几年来相关开创性工作的分析,佐治亚理工学院夏幼南教授及其科研团队全面性总结了反蛋白石支架在组织工程与再生医学等生物医药领域中的最新研究进展。该综述首先介绍了反蛋白石支架的发展历史以及制备方法。通过一系列例子,归纳了精确调控反蛋白石支架各个结构参数的方法。考虑到支架结构的均一性在组织再生过程中的重要性,作者以传统的孔结构不均匀的支架作为对照,从分子扩散、植入细胞在支架内部的分布与分化等角度重点分析了反蛋白石支架的独特应用优势。接下来,作者分类列举了反蛋白石支架在组织工程与再生医学领域中的应用,包括细胞培养、多细胞聚集体的制备、细胞迁移、血管形成、心肌组织再生、骨/软骨/骨-软骨的再生、神经组织再生、伤口愈合等。最后,作者讨论了反蛋白石支架所面临的挑战并对未来的发展方向提出了深入见解,包括:1)构建基于反蛋白石支架与其他支架材料(如电纺丝支架)的多功能复合型材料;2)发展更加生物兼容的方法用于反蛋白石支架的制备以及生物活性分子的负载;3)发展先进的成像技术用于研究细胞/组织与生物支架材料间的相互作用。通过理解和调控生物支架在导向细胞增值与分化中的作用,将有助于研究者们合理地设计和制备组织替代物并用于受损组织的高效修复。相关论文发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201701115)上。

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