生物材料:组织修复的基石

人体的器官和组织具有非常特殊、复杂的功能。我们的生命依赖于这些器官昼夜不停地正常运作。然而，由于疾病或事故，器官和组织有时会受损并可能失效。有许多医学疗法可以帮助治疗受损的器官，但许多疗法仍然缺乏修复器官使其恢复全部功能的能力。例如，目前的治疗方法并不能真正改善心脏病发作后的心脏功能。

再生医学是一个研究领域，它为修复衰竭的器官和替换受损的组织提供了新的工具。1］．再生医学使用组织工程学来设计修复受损器官和组织的新策略。组织工程是指利用生物学、化学和工程学来制造与人体相容的新材料，并可用于固定或替换器官和组织[2］．再生医学领域有广泛的治疗方法，其中生物材料是最常用的工具之一。生物材料就像乐高积木^®积木，并已被用于修复组织和器官，如心脏，皮肤，角膜和神经系统[3.］．生物材料是指植入人体以替代或修复受损器官或组织的材料。生物材料通常具有特殊的特性，使它们能够与人体细胞、组织和器官接触而不被人体排斥。生物工程是指创造和使用生物材料来改善当前医疗的领域[2，3.］．

再生医学还使用各种方法来应用其疗法，使其有效工作。再生疗法可以包括:(1)使用干细胞的细胞疗法，干细胞是一种未成熟的细胞，有可能成为或产生任何必要的细胞或组织，(2)使用生物材料的生物工程，如我们在这里所描述的，以及(3)药物和药物治疗[1，3.］．随着再生医学的变化，应用治疗的方式也在发生变化，通常是结合现有方法或开发更适合治疗的新方法。生物材料、生物工程和再生医学目前正在引领新的医学疗法，特别是在修复以前被认为无法修复的器官方面。

生物材料的故事

自首次开发以来，生物材料已经有了显著的改进，而且随着科学家对疾病以及生物材料如何与身体相互作用的进一步了解，它们仍在不断变化[3.］．生物材料可以由各种材料制成，这取决于它们的用途。2，3.］．例如，它们可以由各种类型的天然成分制成，如体内的胶原蛋白或来自海藻的海藻酸盐，合成材料，如金属，或一种组合[2，3.］．最早的生物材料不与人体相互作用，但它们与被用于修复或替换的受损器官具有相似的物理性质。这些材料通常是由各种金属、陶瓷或橡胶等物质制成的。这些早期的生物材料通常被用作义肢，它们是人造的身体部位，如腿或心脏，但它们与身体的可燃性很差，因此经常会被排斥。这些早期材料无法在细胞水平上与人体相互作用，而这正是今天生物材料的目标。新型生物材料的发展已经导致材料可以与身体相互作用，促进愈合和再生．这些新的生物材料被认为具有生物活性，这意味着它们可以与人体相互作用，并与组织形成化学键。这可以在促进骨生长的髋关节植入物中看到，它允许一种称为羟基磷灰石的钙层在植入物上生长。最新的生物材料被称为第三代生物材料，可以与人体相互作用，并引起体内细胞的特定反应。第三代生物材料还可以模拟人体的自然3D结构并刺激组织再生(再生长)[3.］．科学家们已经极大地改进了生物材料，他们还在继续研究，改变材料的特性，使其在患者体内更有效地发挥作用。

生物材料的形态是什么?

生物材料可以有许多不同的形式，并由许多不同的材料制成。理想情况下，生物材料应该有一个多孔结构，这意味着它们有小孔，可以让气体、液体甚至细胞穿过它们，类似于它们想要治愈的器官或组织。有助于愈合的细胞也可以装入生物材料的小孔中[2］．通过这种方式，一种多孔的生物材料可以用来将细胞输送到受损组织中。这种生物材料有助于将新细胞保持在需要促进愈合的组织中。此外，这种生物材料的多孔结构很像“细胞外基质”，就像细胞在体内“支撑”的脚手架[2，3.］．生物材料既可以单独用于治疗，也可以像上面的例子一样，被改造成含有药物或细胞，以帮助修复受损组织(图1)．例如，生物材料可以用来帮助治愈和修复心脏病发作后的心脏。它们可以单独使用，也可以包含干细胞，干细胞是一种有能力变成不同类型细胞的细胞，包括心脏细胞。一些生物材料可以在愈合完成后分解[2，3.］．生物材料也可以用来释放某些有助于愈合过程的药物[1，3.］．生物材料的未来发展可能导致许多新疗法的产生，包括人造器官。这将消除器官移植的漫长等待名单。

生物材料可以帮助治愈非愈合器官

器官衰竭有许多不同的原因，通常是由多种因素共同造成的。心脏是最常见的衰竭器官之一，也是最难治愈的器官之一。心血管疾病(CVD)是一个用于影响心脏和血管的疾病的术语。心血管疾病患者有心脏病发作的风险，这可能会对心脏造成严重损害和心脏细胞死亡[2，4］．这种损伤会导致心肌的丧失，而心肌是由称为“心肌细胞”的跳动细胞组成的。心肌细胞的减少降低了心脏向全身泵血的能力。1，2，4］．我们过去认为心肌细胞不能再生。然而，最近发现心肌细胞确实有一定的再生能力[1］．虽然我们仍在了解人体的再生能力，但许多器官，如心脏，愈合缓慢，这使得这些器官的任何损伤都难以治疗。移植是替换受损组织或器官的一种选择。然而，可供移植的器官严重短缺。在加拿大，每周约有5名患者因等待器官移植而死亡。5］．作为器官移植的替代方案，再生医学有望作为修复心脏和其他缓慢愈合器官的疗法，如图所示图2．

但是等等，有什么限制吗?

尽管生物材料显示出很大的希望，但它们仍是一种正在发展中的疗法;它们的全部潜力还有待发掘。生物材料的一些局限性与它们与患者身体的相互作用有关。例如，虽然生物材料能够模拟他们正在修复的器官或组织的3D环境，但生物材料仍然与实际的器官不同，这可能会限制组织再生。例如，放置在心脏中的生物材料必须能够与跳动的心脏收缩，否则它们可能会导致不规则的心跳[2］．此外，在过去，生物材料不能让足够的氧气通过心脏来保持健康。2］．最后，到目前为止，生物材料只能修复大约四分之一心脏大小的区域，所以在严重的心脏病发作损害更多心脏的情况下，它们就没有那么有用了。1，2］．随着科学家们不断了解疾病的根本原因，他们将能够开发出新的生物材料来治疗更多的疾病。此外，生物材料本身仍在不断发展，有望催生出能够成功治疗多种疾病的材料。

生物材料的其他限制并不是物理上的，而是涉及伦理问题(道德价值观和规则)以及围绕其使用的法律。关于使用的材料的类型，以及它们来自哪里，例如，使用从人类身上提取的材料来制造这些材料是否合乎道德?

其次，调节生物材料以确保它们对患者是安全的可能是困难的，因为生物材料的范围非常广泛，由不同的成分制成，用于不同的目的。我们需要更好的方法来确保这些新疗法在不伤害患者的情况下有效地再生受损的器官和组织。

结论

在生物材料和再生医学领域已经取得了重大进展，但仍有许多进展可以取得。下一代科学家必须继续了解和理解人体与生物材料之间的相互作用，以开发新的、更有效的治疗方法。

术语表

再生：↑再生。

多孔：↑可以让空气、液体甚至细胞通过的小孔。

利益冲突声明

作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。

致谢

EA和ES感谢所有在他们实验室工作的学员，他们为开发用于器官修复的新材料发挥了关键作用，并为更好地理解潜在的细胞-生物材料相互作用做出了贡献。作者也要感谢加拿大资助机构NSERC (EA)， CIHR (EA和ES)以及渥太华大学心脏研究所的支持。CL感谢英国女王伊丽莎白二世硕士奖学金。

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参考文献

[1]↑施泰因豪泽，M. L.和李，R. T. 2011。心脏再生。EMBO Mol. Med。3:701-12。doi: 10.1002 / emmm.201100175

[２]↑Chaudhuri, R.， Ramachandran, M.， Moharil, P.， Harumalani, M.， and Jaiswal, A. K. 2017。用于心脏组织工程的生物材料和细胞:目前的选择。板牙。科学。Eng。C79:950-7。doi: 10.1016 / j.msec.2017.05.121

[3]↑巴特，S，库马尔，A. 2013。生物材料和生物工程是未来的医疗保健。Biomatter3: e24717。doi: 10.4161 / biom.24717

[4]↑坎农，2013。心血管疾病:从生物化学到行为。自然493: S2-S3。s2a doi: 10.1038/493

［5］↑血液、器官和组织捐献:加拿大(2018)[引用2018年10月29日]。网上订购地址:https://www.canada.ca/en/public-health/services/healthy-living/blood-organ-tissue-donation.html#a32