普外科生物活性材料在组织缺损修复中的应用进展

组织缺损是外科临床的一种常见情况，造成组织缺损的原因很多，如创伤、肿瘤、先天性因素等。根据组织缺损的部位、内容及大小不同可选择不同的治疗方法，包括直接缝合、皮瓣转移、材料替代等。植入材料替代缺损的组织是目前临床重要的治疗方法和发展方向。替代材料可分为合成材料和天然材料，其中合成材料又分为不可降解材料和可降解材料，前者如聚丙烯、聚四氟乙烯等；后者如聚乳酸、聚乙醇酸等。天然材料为可降解材料，是生物材料的一种，包括胶原、纤维蛋白以及以胶原为主要成分的细胞外基质等，如小肠黏膜下基质（small intestinal submucosa，SIS）、真皮脱细胞基质（acellular dermal matrix，ADM）等。组织修复过程中新生血管形成是伤口愈合的关键步骤，同时血管化的组织具备抗感染能力，而合成材料无抗感染能力，因此在修补感染、污染或可能污染的缺损时生物材料是更合适的选择。由于生物材料尚存在早期血管化不足、缺乏生物信号而不被细胞识别等缺点，我们进一步将这些材料改良，如加入生长因子或增加黏附信号等。这些加入生长因子或增加黏附信号的可降解材料不仅可提高细胞的黏附力，同时可促进植入细胞的长入和血管化，因此我们把这类材料称为生物活性材料（bioactive material），它已成为组织缺损修复领域的研究热点。我们将就生物活性材料的有关概念和其在外科组织缺损修复方面的研究进展作一综述。

一、生物活性材料的概念和组成

1. 生物可降解材料：生物可降解材料是指在机体生理条件下，通过水解、酶解，从大分子物质降解成对机体无损害的小分子物质，或者小分子物质在生物体内自行降解，最后通过机体的新陈代谢完全吸收和排泄，对机体不产生毒副作用的一类材料。生物可降解材料在体内可以完全降解并最终被自体生成的组织替代，能使修复达到真正意义上的重建。生物可降解材料分为合成生物可降解材料和天然生物可降解材料，其中天然生物可降解材料具有细胞信号识别，促进细胞黏附、增殖和分化，具有良好的生物相容性及良好的生物降解性等优点，具有人工合成可降解材料无可比拟的优势。

2. 生长因子：生长因子是具有诱导和刺激细胞增殖及维持细胞存活等生物效应的蛋白类物质，对促进细胞增殖、组织或器官的修复和再生都具有重要的促进作用，是组织修复和组织工程组织器官构建中的重要影响因素之一。生长因子种类很多，包括血管内皮生长因子、成纤维细胞因子、骨形成蛋白等，其中血管内皮生长因子和成纤维细胞因子在外科组织修复领域中使用较为广泛。

3. 生物活性材料：生物活性材料的概念最初由Hench于1973年在对生物玻璃与骨组织通过化学键结合的研究中首次提出。他们通过生物玻璃控释钙、磷、钠离子形成一个碱性和营养成分环境利于新生组织摄取，并将这种具有模拟微环境的生物玻璃称之为生物活性材料。随着材科学的发展，逐渐认为是通过添加附着力因素、模拟调控多糖的生物静电聚阴离子位点以及细胞迁移中所涉及酶的酶切位点而具有生物识别功能，或通过在生物环境中发生原位性状变化包括将可溶性材料从液态转变成固态固定于材料或组织表面而具有活性的一类材料。现在认为是通过表面修饰或浸入等方法将具有活性的短肽序列整合到组织工程支架内用于提高细胞的生长、黏附等功能从而改善支架特性功能后的一类材料。这些生物活性肽可以是生物源性亦可以化学合成。生物活性材料不仅具有生物可降解材料的优点，而且可促进细胞迁移、血管化和调控细胞形态。利用生物可降解材料和生长因子复合的支架在缺损修复以及重建中起着重要的作用。

二、生物活性材料在外科缺损修复中的应用

1. 生物活性材料在腹壁缺损中的应用：补片植入已成为修复腹壁缺损的基本手段。所用补片包括不可降解合成材料和可降解生物材料。临床上运用最多的仍是合成补片，如聚丙烯补片。补片的应用使修补术后疝形成和复发的几率大大降低，并且能够提供足够的机械强度，但因不可降解合成材料存在如慢性炎症、慢性疼痛、肠粘连等并发症，增加了治疗成本和二次手术的复杂性。生物材料（SIS、ADM等）的出现弥补了合成补片的部分不足，使术后感染、肠梗阻、瘘管形成等不良反应的发生率降低。这类补片具有良好的组织相容性和可降解性，促进生长并有一定抗微生物活性，引起粘连程度小，可用于潜在感染和感染区以及复杂手术区域的修复，但存在早期血管化不足、生物学性状和机械强度随供体不同而异等缺点，因此结合组织工程的概念，一些专家认为生物活性材料应具有明显改善生物材料特性的功能。

Shi等提出用胶原支架装载成纤维细胞生长因子修复全层腹壁缺损，80只SD大鼠全层腹壁缺损造模后分别用单纯胶原支架和装载了成纤维细胞生长因子的胶原支架修复，结果显示实验组形成较少的粘连，而且在术后30 d能有效改善血管化程度，术后90 d能促进肌纤维和支架的整合，最终使植入支架形成较单纯材料组更高的机械强度，从而为治疗全层腹壁缺损提供新的思路。

2. 生物活性材料在泌尿外科中的应用：先天异常、肿瘤、创伤、感染、炎症、医源性损伤等因素均可导致膀胱损伤，然而大多数情况最终需要重建具有功能相当的组织器官。临床上用于重建的最常用器官是小肠，然而由于小肠吸收可溶性物质的特性和膀胱排除代谢废物的特性相反，导致了感染、尿石症、代谢异常、穿孔、肿瘤等众多并发症，促使我们寻找新的可行性材料。合成支架已广泛使用于临床，以硅胶为例，构建人工尿道括约肌及可脱性球囊系统治疗尿失禁、用微球治疗输尿管膀胱反流、用阴茎假体治疗阳痿，对膀胱重建也有一定的作用。合成支架可以恢复受损组织和器官的正常功能，但是它们的生物相容性欠佳，生物可降解材料，尤其是天然生物材料可作为较为理想的替代物。

Youssif等[27]使用VEGF促进膀胱脱细胞基质的早期血管化，从而达到利于膀胱重建的目的。他们将40只大鼠分为2组，分别用膀胱脱细胞基质替代膀胱，一组用VEGF注入宿主膀胱，另一组注入无菌用水，结果表明实验组的血管化、神经再生以及肌肉再生与对照组均有明显差异。Geng等[28]用聚乳酸聚羟基乙酸微球包裹VEGF并将其用热敏水凝胶包被于膀胱脱细胞基质后应用于膀胱重建。在动物体内及体外实验中热敏性反应良好，均能达到持续释放VEGF的目的，促进重建膀胱的血管增生，为重建具有良好功能的膀胱提供一种有效的方式。

3. 生物活性材料在心血管疾病中的应用：在充血性心力衰竭和先天性心脏病末期，心脏结构将发生肥大或增生等变化。生物活性材料弥补了合成支架不随心脏增大及易形成瘢痕等缺点。结合后的生长因子释放局限在材料内，不仅可以促进血管增生，而且可以延长生长因子表达信号的时间，有利于早期血管化。早期血管化可促进坏死区迁入细胞的存活和新的功能性组织形成，因此可用于心肌梗死及心肌坏死的修复以及恢复扩张心室的室壁大小和形状的外科治疗。

Chiu和Radisic通过将胶原支架复合血管内皮生长因子、胶原支架复合血管内皮素-1、单纯胶原支架在体外对内皮细胞的增殖和在体内观察促进血管化的情况进行比较，结果表明：在体外将内皮细胞种于材料后第3天和第7天，含有血管内皮生长因子组及含有血管内皮素-1组明显促进材料中的内皮细胞的增殖，有较多的内皮细胞数目及管道形成；在体内含有血管内皮生长因子组及含有血管内皮素-1组的血管化程度增加，表明生物可降解材料复合生长因子可用于心脏缺损和终末期心脏的修复。

Miyagi等将生物可降解胶原补片共价结合血管生长因子后用于心肌的修复，分别使用低剂量[（14.5±1.4）ng]的血管内皮生长因子胶原支架、高剂量[（97.2±8.0）ng]的血管内皮生长因子胶原支架及单纯胶原支架去替代修复大鼠完整右心室游离壁。在体外，血管内皮生长因子可促进种植于支架内的血管内皮细胞和骨髓细胞的生长；在体内7、28 d时高剂量组较单纯组拥有较高的血管密度，主要是由于血管因子增加了细胞募集和增殖。并且在28 d时，装载血管内皮生长因子组的厚度明显增加，厚度变化和血管化呈正相关（r=0.67，P=0.023）。处理组能够促进细胞生长并能改善移植物的组织形成，最终提供合适的机械和生物学特性，以适应心脏缺损和终末期心脏病的修复。

三、总结合展望

组织缺损是外科临床的一种常见情况。随着社会的发展和科技的进步，人们对生活质量的要求也越来越高，患者对治疗后生存质量的要求迫使我们寻求更好的方法及更加优良的材料治疗组织缺损。生物活性材料可弥补合成材料及天然生物材料的一些不足，在基础研究中也表明效果良好，亦可应用于临床各种组织的修复，将会是未来生物材料及组织工程支架的发展趋势。但生长因子在体内代谢快，内环境中需要持续稳定的释放才能更好地促进组织修复，因此生物活性材料应用中目前存在的如生长因子与材料的更好结合、释放等问题在将来需要进一步研究。（上海交通大学医学院附属第九人民医院　冯学艺　汤睿）