劉 鑫，孫劍飛，顧 寧

(1.東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 生物電子學(xué)國家重點實驗室 江蘇省生物材料與器件重點實驗室，江蘇 南京 210096)(2.蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州 215123)

1 前 言

干細胞是一類具有無限自我更新和分化潛能的多功能細胞，在一定的誘導(dǎo)條件下，可以定向分化為各種細胞和組織。由于干細胞具備的這些特點，“干細胞治療”概念被提出且已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代疾病的治療。干細胞治療是指通過體外分離、培養(yǎng)，定向誘導(dǎo)干細胞分化，培養(yǎng)出具有正常生理功能的細胞，利用干細胞移植技術(shù)將其移植到體內(nèi)，代替那些損傷或非正常死亡的細胞，達到治療目的。干細胞移植入體內(nèi)后發(fā)揮作用主要依賴其各種生物學(xué)活性，包括增殖、遷移、粘附、分化和歸巢等對體內(nèi)微環(huán)境產(chǎn)生作用，進而影響病灶的治愈。近年來，干細胞治療在臨床疾病治療上已取得顯著療效，如白血病、血友病、骨缺損、脊髓損傷及癌癥診斷[1]等。

由于可以很好地模擬細胞外基質(zhì)環(huán)境，為細胞的生長繁殖提供一個人為的生長空間，微納支架已被廣泛應(yīng)用于組織工程領(lǐng)域。隨著組織工程技術(shù)的迅猛發(fā)展，構(gòu)建工程支架為干細胞生長繁殖提供人為的外環(huán)境變得至關(guān)重要。理想的支架應(yīng)具備以下特點[2]：① 良好的生物相容性；② 良好的生物降解性；③ 良好的力學(xué)性能；④ 更多的粘附位點。而微納支架由于其良好的表面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)，更符合微環(huán)境內(nèi)組織結(jié)構(gòu)特點而更利于細胞生長增殖、遷移、粘附和分化，這是微納支架比傳統(tǒng)支架更為顯著的優(yōu)勢。目前微納支架已被部分應(yīng)用于臨床疾病治療(表1)，但仍然面臨一些較為嚴(yán)重的體內(nèi)應(yīng)用問題，如誘導(dǎo)干細胞分化為癌細胞、引起傳染病的危險、人體免疫系統(tǒng)排斥等。隨著微納制造技術(shù)和干細胞基礎(chǔ)研究的發(fā)展，微納支架在干細胞中的應(yīng)用被越來越深地發(fā)掘。這主要是由于微納支架不僅兼具傳統(tǒng)支架優(yōu)良的機械性、較強的拉伸性、良好的生物相容性和可控的生物降解性，還具有相似的體內(nèi)微環(huán)境結(jié)構(gòu)、可控的親疏水性、較強的細胞吸附率和更低的炎癥反應(yīng)[3,4]。微納支架復(fù)合干細胞的應(yīng)用極具研究價值和發(fā)展前景，本文就微納支架在干細胞治療中的研究現(xiàn)狀進行了綜述，并對其臨床應(yīng)用前景進行了展望。

表1 目前已批準(zhǔn)用于臨床或處于臨床試驗階段的微納支架Table 1 Macro-nano scaffolds approved for clinical application and in clinical trials

2 微納支架的常用制備方法

相比于普通支架，微納支架具有良好的表面效應(yīng)和尺寸效應(yīng)，為干細胞的生長繁殖提供了更多的黏附位點。且微納支架的結(jié)構(gòu)受多種因素的影響，因此結(jié)構(gòu)調(diào)控更加靈活多變，可以根據(jù)不同的制備方法進行選擇。微納支架和普通支架也存在著緊密的聯(lián)系。在組織工程領(lǐng)域，一般將生物支架分為3個尺度范圍，影響著細胞的生長發(fā)育過程，包括毫厘米尺度(普通支架)、微米尺度和納米尺度(微納支架)。毫厘米尺度的支架主要決定著修復(fù)組織的總體形態(tài)，微納米尺度不僅決定著組織的形態(tài)，還顯著影響細胞的遷移和生長，調(diào)控細胞的黏附和基因表達，這也是微納支架的顯著優(yōu)勢。需要根據(jù)損傷部位的應(yīng)用需求做出恰當(dāng)?shù)倪x擇，例如用于骨缺損支架的力學(xué)強度就要大于神經(jīng)損傷和血管損傷支架所需的力學(xué)要求。微納支架常用的制備方法有相分離法、分子自組裝法、靜電紡絲法、冷凍干燥法、發(fā)泡法和三維(3D)打印技術(shù)(表2)等[5,6]。

2.1 相分離法

相分離法主要用于微孔支架的制備，由介質(zhì)的不同可分為熱致相分離法、干相分離法和濕相分離法[41]。熱致相分離法是目前應(yīng)用最廣泛的相分離法之一?？蓱?yīng)用于多種溶解度差而不能用干、濕相分離法解決微孔成型的各種聚合物中。熱致相分離法利用了一種高沸點、低揮發(fā)性的溶劑與聚合物混合，繼而降溫冷卻，在此過程中產(chǎn)生體系相分離，然后選擇適當(dāng)?shù)妮腿⑷軇┹腿〕鰜恚瑥亩纬晌⒖捉Y(jié)構(gòu)。目前采用熱致相分離法制備支架的材料主要有PLGA、PLLA、PCL、PDLLA和Gelatin等[7-11]。極性或非極性聚合物均適用于該方法，且控制參數(shù)少、過程易連續(xù)穩(wěn)定、孔隙均勻可實現(xiàn)各種微觀結(jié)構(gòu)，在組織工程支架制備上具有獨特的優(yōu)勢。微孔結(jié)構(gòu)的大小主要受溶劑的種類、溫度和材料本身特性影響。Gioacchino等[8]利用熱致相分離技術(shù)制備具有100和200 μm孔徑的PLLA支架，溶劑采用二氧六環(huán)與水的混合物，溶劑去除采用真空冷凍干燥法，通過不同的降溫過程得到兩種孔徑的PLLA支架。Rezabeigi等[9]將PCL與二氯甲烷和正己烷組合形成三元體系的溶液，在-23 ℃進行相分離，冷凍干燥后得到PCL支架。

表2 微納材料支架的制備方法Table 2 Preparation methods of micro-nano material scaffold

2.2 分子自組裝

分子自組裝法是利用非共價鍵分子間的作用力自主組裝成圖案。目前，通過自組裝形成的支架主要有PNF[13]、Hydrogel[14]、SF[15]、PLLA[16]等。天然或合成大分子可通過自組裝產(chǎn)生納米級超分子結(jié)構(gòu)或納米纖維，部分也可自組裝成直徑達到(7.6±1)nm的納米纖維，并已被用于研究神經(jīng)祖細胞的選擇性分化。此種方法制備的支架尺度較小、空間結(jié)構(gòu)規(guī)則，且易于人為調(diào)控，展現(xiàn)了巨大的臨床應(yīng)用潛能。Hosseinkhani等[42]研究了通過肽-兩親物(PA)分子自組裝形成的納米纖維的三維支架，通過調(diào)控PA的結(jié)構(gòu)，電荷和環(huán)境可自組裝成薄片、球體、棒狀物、圓盤或通道等形狀。Gao等[43]通過自組裝技術(shù)成功制備了含RADA16-c(RGDfK)的多肽Hydrogel支架，并與Ⅰ型Gelatin-Hydrogel支架和含精氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、丙氨酸(RADA16)自組裝肽Hydrogel支架進行比較，發(fā)現(xiàn)其表現(xiàn)出良好的促神經(jīng)祖細胞增殖和分化的潛能。

2.3 靜電紡絲法

靜電紡絲技術(shù)自Formalas發(fā)明靜電力制備聚合物纖維以來，已有數(shù)十年的發(fā)展。靜電紡絲的形成過程：聚合物溶液位于針尖處呈球形液滴，在高頻電場的作用下變?yōu)閳A錐形(即“泰勒推”)，再形成射流并被拉伸成細纖維。靜電紡絲法制備的支架一般以納米級纖維支架為主，目前采用靜電紡絲技術(shù)制備支架的材料主要有SF、CS[20]、Gelatin、HA、Collagen、PLLA、PCL[44]和各種復(fù)合材料。靜電紡絲工藝相對于傳統(tǒng)方法具有的優(yōu)點包括高比表面積和孔隙率，此外還可以通過改變工藝參數(shù)來調(diào)節(jié)一些特性，例如纖維直徑、三維結(jié)構(gòu)及基體組成。所述工藝參數(shù)包括使用的聚合物與共聚物之間的關(guān)系、電壓、流速、針與收集器之間的距離[24]等。Lin等[45]使用靜電紡絲法成功制備出隨機取向的PLLA納米纖維，并證明PLLA纖維支架可有效促進神經(jīng)干細胞的粘附、生長和增殖，展現(xiàn)了在神經(jīng)組織工程中的應(yīng)用潛力。

2.4 冷凍干燥法

冷凍干燥技術(shù)的基本過程是低溫下使溶液凝固為冰晶，通過抽真空使其升華，在升華的位置形成支架孔隙。目前冷凍干燥法制備的支架有SF、CS、CA、CPT、Gelatin等[29,46]。冰晶形成是該方法的關(guān)鍵技術(shù)，主要有兩個階段：成核階段和冰晶成長階段。冰晶成長大小決定了支架孔徑的大小，而冰晶成長的大小受預(yù)冷凍溫度和速率的影響，因此制備支架的尺度可通過調(diào)控預(yù)冷凍溫度和速率加以控制。一般冷凍干燥法制備的支架呈現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)特征分布。此種制備方法不僅過程簡單，而且兼具上述制備方法高比表面積、高孔隙率等優(yōu)點，且空間結(jié)構(gòu)易于調(diào)控、適合批量生產(chǎn)，在臨床應(yīng)用中最具發(fā)展前景。Wang等[26]通過冷凍干燥法制備了含有銀納米顆粒的SF/甲殼素(Chitin)納米復(fù)合支架，可用作傷口敷料。Bernhardt等[47]通過聯(lián)合冷凍干燥和交聯(lián)法制備了含有鮭魚膠原蛋白和海蜇膠原蛋白的雙相支架，并成功應(yīng)用于促進成骨和軟骨細胞的分化調(diào)控。

2.5 發(fā)泡法

發(fā)泡法指利用氣體作為致孔劑制備支架的方法，主要分為化學(xué)發(fā)泡法和物理發(fā)泡法[48]。其中化學(xué)發(fā)泡法應(yīng)用較多，常用的化學(xué)發(fā)泡劑有碳酸鹽類[49]、月桂酸鉀[50]、氯化銨[51]、氧化劑[31]等。物理發(fā)泡法所使用的發(fā)泡劑主要包括氧氣(O2)、二氧化碳(CO2)、氮氣(N2)、一氧化二氮(N2O)、碳氫化合物(CnH2n+2)和氟利昂(CFC)等。發(fā)泡法制備的支架孔徑分布多呈微米尺度，但存在孔隙分布無法精確控制的問題。且此種方法制備的支架多呈閉孔結(jié)構(gòu)，如果將其與粒子浸出技術(shù)相結(jié)合，則可以制備出連通的開孔結(jié)構(gòu)支架。發(fā)泡法制備的支架孔隙率和結(jié)構(gòu)受聚合物材料的結(jié)晶性、分子量、平衡時間和放氣速率的影響。結(jié)晶性和分子量越高，越難發(fā)泡且孔隙率越低；平衡時間越長則孔隙率越高，且放氣速率對孔隙率影響較小。在支架制備過程中，可以通過調(diào)控這些因素調(diào)節(jié)支架的空間結(jié)構(gòu)。Maniglio等[31]使用N2O作為發(fā)泡劑制備了SF多孔支架，主要步驟是將質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%或2%的SF溶液置于容器中，并采用0.55或1.1 MPa的N2O進行加壓，使其擴散溶解到溶液中并積聚在懸浮的SF中，然后使容器倒置并通過打開減壓閥將溶液通過噴嘴或針頭擠出，溶解氣體的膨脹導(dǎo)致溶液在通過噴嘴或針頭時瞬間發(fā)泡。這種發(fā)泡技術(shù)允許在溫和的加工條件下用相對惰性的發(fā)泡劑使SF溶液飽和，從而便于調(diào)節(jié)孔隙率來制備SF多孔支架。

2.6 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是一種新興的高端技術(shù)，采用計算機控制，因此可精確調(diào)控支架的孔徑大小和分布，打印出各種形狀的微納尺度支架，且成型性好、速度快、可規(guī)模化生產(chǎn)[52]。它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于三維多孔支架材料的打印，常用的打印材料包括絲素蛋白、絲膠蛋白、水凝膠、PCL、PLA、PLGA、Nylon、PT和Collagen等。此種方法由于采用了計算機輔助控制，可以達到對支架結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，且支架的大小、形狀分布可實現(xiàn)計算機模擬計算，是未來極具臨床應(yīng)用潛力的支架制備方法之一。但由于目前該技術(shù)對材料特性要求高，還未進行大規(guī)模推廣。Chen等[36]利用3D打印技術(shù)制備了一種Hydrogel支架，原材料由絲膠蛋白(sericin)和甲基丙烯酸酐改性的明膠(GelMA)組成，打印出的支架具有高度膨脹性，且具有規(guī)則的大孔結(jié)構(gòu)，有助于保持濕潤，用于傷口敷料以加速傷口愈合。同時，該支架還有利于L929細胞的粘附和增殖。這些優(yōu)異的支架性能可被用于傷口護理和藥物遞送等。

干細胞用微納支架的制備目前已經(jīng)發(fā)展出諸多方法，由于不同方法存在各自的優(yōu)缺點，可以根據(jù)具體的使用要求選擇合適的制備方法。

3 干細胞用微納支架的臨床應(yīng)用基礎(chǔ)

3.1 干細胞與微納支架結(jié)合的必要性

干細胞由于其多向分化潛能特性，可以定向分化為各種細胞，為人類的健康和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展注入了新的希望。干細胞移植是干細胞應(yīng)用的主要方向之一，在治療白血病、脊髓損傷、心臟損傷修復(fù)、股骨頭壞死、強直性脊柱炎等疾病上均發(fā)揮很好的療效[53,54]。干細胞移植入體內(nèi)的命運將顯著影響干細胞在治療疾病中的效果，且利用納米技術(shù)能夠進一步體內(nèi)示蹤，監(jiān)測移植后的干細胞變化[55,56]。近年來，隨著組織工程概念的提出和發(fā)展，構(gòu)建生物工程支架將顯著影響干細胞在體內(nèi)的命運，促進干細胞在疾病治療中發(fā)揮更好的效果。

組織工程的基本原理是從活體內(nèi)獲得少量的組織，利用分離培養(yǎng)方法將細胞從組織中分離出來并在體外進行培養(yǎng)擴增，然后將得到的細胞與生物材料按照一定的比例混合從而形成細胞-材料復(fù)合物。然后將該復(fù)合物植入機體的組織或器官損傷部位，隨著生物材料在體內(nèi)逐漸被降解代謝，植入的細胞在體內(nèi)增殖并分泌細胞外基質(zhì)，最終形成新的組織和器官，達到修復(fù)創(chuàng)傷和重建功能的目的。組織工程的3要素：種子細胞、生物材料和生長因子。而干細胞和微納支架就是良好的種子細胞和生物材料，微納支架可以很好地模擬細胞內(nèi)微環(huán)境，促進干細胞在體內(nèi)的生長、繁殖、發(fā)育[57,58]。Mobasseri等[59]發(fā)現(xiàn)R肽修飾PCL納米纖維支架可顯著促進人類間充質(zhì)干細胞的增殖、粘附和維持細胞長期的活性，并影響人類間充質(zhì)干細胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。Cheng等[60]以PCL為原料，通過相分離和顆粒浸出技術(shù)制備了納米纖維和微孔組合(NFMP)支架。NFMP支架具有兩個層次的構(gòu)建特征，包括微米級孔隙和納米級纖維。將支架與神經(jīng)細胞共培養(yǎng)結(jié)果表明，NFMP支架可以顯著促進神經(jīng)分化，且支架的微孔結(jié)構(gòu)可以促進細胞浸潤，表現(xiàn)出了獨特的微納結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。

另外，干細胞的多分化潛能在治療臨床疾病損傷中展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力，但由于干細胞本身所處體內(nèi)微環(huán)境的影響，其在臨床上的應(yīng)用也受到了極大的限制。主要表現(xiàn)有：存在誘導(dǎo)干細胞分化為癌細胞的可能、有引起傳染病的危險、可能導(dǎo)致人體免疫系統(tǒng)排斥等。微納支架由于可以很好地模擬干細胞微環(huán)境，有效引導(dǎo)干細胞規(guī)避不利影響，展現(xiàn)了干細胞-微納支架復(fù)合物的獨特優(yōu)勢。綜上所述，干細胞治療要想在疾病治療中發(fā)揮良好的治療效果，結(jié)合微納材料模擬干細胞外基質(zhì)微環(huán)境顯得尤為必要。

3.2 微納支架在干細胞治療中的臨床前研究

干細胞在一定條件下，可以定向分化成機體內(nèi)的功能細胞，幾乎可以形成任何類型的組織和器官。特別是在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，干細胞可應(yīng)用于重建各種組織、器官及其它機體功能。因此，對干細胞移植于體內(nèi)后的增殖、遷移、粘附、分化和歸巢[61]特性(圖1)的研究就顯得尤為重要。微納支架在干細胞治療中的作用主要是對干細胞上述行為施加積極影響來促進干細胞在體內(nèi)發(fā)揮功能。

圖1 微納材料支架促進干細胞增殖、遷移、粘附、分化和歸巢示意圖Fig.1 Schematic of the micro-nano material scaffold promoting stem cell proliferation,migration,adhesion,differentiation and homing

3.2.1 干細胞治療腫瘤的研究

癌癥干細胞(CSCs)是具有自我更新能力的腫瘤起始物，是腫瘤耐藥、復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移最有可能的原因。鑒于CSCs在腫瘤生物學(xué)中的巨大作用，有必要開發(fā)一種有效的培養(yǎng)系統(tǒng)來生長、維持和富集CSCs。3D細胞培養(yǎng)模型已被廣泛用于腫瘤研究[62,63]。微納支架較大的比表面積、連通的孔隙分布和利于干細胞生長的表面形貌被看作是良好的三維細胞培養(yǎng)模型。Wang等[64]利用三維多孔CS支架和殼聚糖-透明質(zhì)酸(CS-HA)支架培養(yǎng)膠質(zhì)瘤細胞系，探討膠質(zhì)瘤干細胞(GSCs)富集的行為。研究其形態(tài)、基因表達以及3D支架下細胞的體內(nèi)致瘤性，并設(shè)置2D培養(yǎng)模型作為對照。結(jié)果顯示，CS-HA支架培養(yǎng)細胞的體內(nèi)致瘤能力大于2D支架和CS支架。研究結(jié)果還表明，CS-HA支架具有更好的富集GSCs的能力，可用于支持腫瘤生物學(xué)研究和新型抗癌療法的開發(fā)。

3.2.2 干細胞體外重建人類疾病模型

體外構(gòu)建人類疾病模型在臨床醫(yī)學(xué)的研究中已有相當(dāng)長的歷史，由于人類疾病發(fā)生發(fā)展的復(fù)雜性，以人類本身作為實驗研究對象來探討疾病的病理機制，在推動醫(yī)學(xué)科學(xué)的發(fā)展上較為緩慢。目前人類積累的臨床經(jīng)驗不僅在空間和時間上都存在著諸多局限性，而且也會受到人道主義原則的限制[65]。近些年來，隨著材料科學(xué)和干細胞研究的不斷發(fā)展，采用微納材料支架復(fù)合干細胞構(gòu)建體外人類疾病模型變?yōu)榭赡堋Ｄ壳俺晒酶杉毎Ъ軜?gòu)建的疾病模型有心臟支架模型、腦缺血模型、神經(jīng)系統(tǒng)疾病模型、脊髓損傷模型、骨缺損模型等。

Zhen等[66]利用雙光子誘導(dǎo)聚合(TPIP)技術(shù)制作了一個3D支架結(jié)構(gòu)的生物感應(yīng)心臟模型，這種3D心臟模型將是體外研究心臟疾病機制的重要進步。具體做法是通過將健康志愿者(WT)和長QT綜合征3型(LQT3)患者的多能干細胞誘導(dǎo)的心肌細胞填充于合成的絲狀矩陣，開發(fā)3D人心臟組織體外模型來模擬人心室心肌層(iPS-CM)。通過觀察組織3D結(jié)構(gòu)和心肌細胞的排列形狀探討疾病的情況。研究發(fā)現(xiàn)，LQT3 iPS-CM表現(xiàn)出比WT iPS-CM更多的收縮性異常，且與具有高纖維剛度和2D表面的矩陣相比，細胞在低纖維剛度絲狀矩陣上生長時更易受藥物誘導(dǎo)而產(chǎn)生心臟毒性。這種人體3D心臟模型將幫助我們更好地了解LQT3疾病機制，并為此綜合征制定更好的治療策略。

3.2.3 干細胞藥物篩選

當(dāng)今藥物的藥理學(xué)、毒理學(xué)及藥效學(xué)等研究基本都依賴于動物細胞系開展，然而種屬之間存在的差異會產(chǎn)生不完全一樣的藥物療效反應(yīng)。且在臨床實際用藥中，由于不同個體之間的差異，個體對藥物產(chǎn)生的反應(yīng)與治療效果不完全相同。微納材料支架在干細胞中的應(yīng)用為藥物篩選建立了很好的條件和平臺，其多半以人源性干細胞作為藥物篩選試驗的對象，可避免因種屬差異對藥物療效產(chǎn)生誤判。微納材料支架在其中多扮演促進和引導(dǎo)干細胞分化的作用，為建立干細胞功能支架并引導(dǎo)以干細胞分化為目的細胞建立藥物篩選模型[67]。

藥物篩選一般依賴于建立疾病模型發(fā)揮作用。Lu等[68]認(rèn)識到，心臟毒性是臨床藥物消耗的主要原因之一。體外組織模型可以提供有效和準(zhǔn)確的藥物毒性篩選方法，是臨床前藥物開發(fā)和個體化治療的理想選擇。作者在預(yù)制的聚二甲基硅氧烷(PDMS)模具中，通過人自體轉(zhuǎn)基因多能干細胞誘導(dǎo)的心肌細胞來制備心臟組織。用所形成的組織構(gòu)建體表達心肌細胞特異性蛋白，如層粘連蛋白、膠原蛋白和纖連蛋白，且排列的肌節(jié)組織呈現(xiàn)長達2個月的穩(wěn)定自主收縮。其功能表征顯示，在3D組織中培養(yǎng)的心肌細胞具有更高的收縮速度和速率，并且與在2D單層組織中培養(yǎng)的細胞相比有著顯著不同的藥物應(yīng)答。在這項研究中，臨床相關(guān)的藥物也進行了測試，包括抗生素、抗糖尿病和抗癌藥物。與傳統(tǒng)活力測定相比，基于功能收縮的測定在預(yù)測藥物誘導(dǎo)的心臟毒性效應(yīng)方面更為敏感，證明了與臨床觀察的一致性。因此，作者制備的3D心臟模型顯示出強大的應(yīng)用潛力，可用于藥物開發(fā)的早期安全性評估和個性化治療的藥物篩選。

3.2.4 干細胞病理學(xué)機制研究

病理學(xué)機制指的是人體各項機能出現(xiàn)功能性紊亂，從而導(dǎo)致疾病的發(fā)生與發(fā)展。疾病的發(fā)生和發(fā)展主要包括屏障防御功能下降、神經(jīng)體液調(diào)節(jié)失衡、細胞和分子水平上的調(diào)節(jié)障礙。干細胞由于其多向分化潛能，可以再生多種細胞、組織和器官，大量用于病理學(xué)機制的研究。另外，微納材料支架也為干細胞的生長繁殖提供了3D的微環(huán)境，進一步促進了干細胞在病理學(xué)中的研究。目前，微納材料支架在干細胞治療中參與病理學(xué)機制研究的有骨髓組織、表皮組織、角膜緣、骨骼肌、心肌、癌癥等。干細胞功能支架主要在細胞和分子水平調(diào)節(jié)參與病理學(xué)研究，它們在各項疾病的發(fā)生發(fā)展、探討有效的治療方案上發(fā)揮著重要的作用[69,70]。

Zhao等[71]研究了三維系統(tǒng)培養(yǎng)骨髓間充質(zhì)干細胞(MSC)對肝癌細胞HepG2的抑制作用及其機制，建立了含有膠原/基質(zhì)膠支架的3D系統(tǒng)培養(yǎng)MSC，并將其與2D培養(yǎng)系統(tǒng)進行比較。結(jié)果表明，3D支架中的MSC比2D支架中的MSC具有更高的增殖能力，且能夠明顯抑制肝癌細胞HepG2的增殖。此研究有效地探討了肝癌細胞的病理學(xué)機制，為臨床腫瘤的治療提供了參考。

3.3 影響微納支架在干細胞治療的主要因素

干細胞在體內(nèi)的生長命運顯著影響著干細胞在疾病治療中的效果，微納支架特有的微納結(jié)構(gòu)多孔分布可以很好地模擬細胞內(nèi)微環(huán)境、影響細胞的命運，讓細胞按照人為的想法發(fā)揮特定的功能。但其治療效果在目前的應(yīng)用中也受支架的多方面影響，例如：材料種類、表面形態(tài)、尺寸大小、表面電荷等[72-74]，解決這些問題對提高干細胞的治療效果、加快臨床安全性轉(zhuǎn)變尤為重要。

微納支架復(fù)合干細胞發(fā)揮治療作用的效果受微納支架的多方面影響。其主要是通過影響干細胞在體內(nèi)的生物活性來影響干細胞在疾病治療中的效果。例如微納支架的種類[72]主要分為天然材料的微納支架和人工合成材料的微納支架，天然的有SF、CS、HA、Collagen、Chitin等；人工合成的有PLA、PGA、PCL、PLGA、硅膠管、聚四氟乙烯(PTFE)等。它們大多以聚合物的形式存在。天然材料的微納支架由于可以更好地模擬細胞外基質(zhì)，在干細胞治療中發(fā)揮著重要的作用；人工合成材料可以人為調(diào)控材料的某些特性，包括硬度、成形性等。譚太貴等[75]研究了PLGA與明膠膜支架材料對神經(jīng)干細胞生長、分化的影響，觀察了神經(jīng)干細胞在PLGA膜、明膠膜和兩者混合膜上的生長和分化情況。結(jié)果表明，神經(jīng)干細胞在PLGA膜表面無貼附，但可在PLGA/明膠膜和明膠膜表面貼附、生長和分化，可用于中樞神經(jīng)的修復(fù)。

微納支架的表面形貌、尺度和支架內(nèi)部的結(jié)構(gòu)排列也顯著影響干細胞治療效果[74,76]。Prasopthum等[77]利用3D打印技術(shù)制備了類似于細胞外基質(zhì)的纖維狀結(jié)構(gòu)，尺寸從納米級到厘米級不等，并將其與具有光滑表面結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)支架進行對比。3D打印支架的納米纖維形貌顯著增強了人類間充質(zhì)干細胞的蛋白質(zhì)吸收、細胞粘附和分化。這些具有既定結(jié)構(gòu)和納米級ECM模擬形態(tài)的3D打印支架在軟骨和骨再生中具有良好的應(yīng)用潛能。Ellis-Behnke等[78]設(shè)計了一種自組裝肽納米纖維支架，可以模擬軸突生長微環(huán)境，有效促進急性損傷部位的再生，并能在體內(nèi)與大腦組織編織在一起。結(jié)果表明，自組裝排列的納米纖維與混亂排列的納米纖維顯示出不同的現(xiàn)象。

同種材料的不同制備方法也顯著影響干細胞的行為，進而影響干細胞在體內(nèi)的治療效果。Namini等[79]采用靜電紡絲和冷凍干燥方法制備了PLGA/HA納米復(fù)合支架，并分別在上面培養(yǎng)人子宮內(nèi)膜干細胞(hEnSC)，分化為成骨細胞的行為。結(jié)果顯示，凍干PLGA/HA支架上培養(yǎng)的細胞行為明顯優(yōu)于靜電紡絲PLGA/HA支架。

微納支架影響干細胞的治療效果遠不止上述的因素，是由于不同材料本身的復(fù)雜性決定的，包括材料的表面電荷、材料本身的化學(xué)組分、材料的浸潤性等，這些因素均會影響微納材料支架在干細胞治療中的應(yīng)用。

4 干細胞用微納支架的發(fā)展前景

隨著再生醫(yī)學(xué)和組織工程技術(shù)的發(fā)展，干細胞作為種子細胞在疾病的創(chuàng)傷修復(fù)和組織器官再造方面發(fā)揮著傳統(tǒng)醫(yī)療技術(shù)不可替代的作用。微納支架作為支架材料中的優(yōu)質(zhì)選擇，發(fā)揮著獨特的作用和優(yōu)勢，特別是干細胞與微納支架的有機結(jié)合，展示了巨大的應(yīng)用潛力。例如，微納支架高的比表面積為干細胞的生長繁殖提供了更多的粘附位點；微納支架高的孔隙分布允許干細胞內(nèi)外營養(yǎng)物質(zhì)交換且研究表明具有促血管生長的作用；微納支架的表面修飾，如結(jié)合特定的功能因子或圖案化修飾等，可以人為調(diào)控干細胞的行為，包括誘導(dǎo)干細胞向目標(biāo)細胞分化等，進一步影響干細胞在體內(nèi)的命運。干細胞的研究作為再生醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)研究，雖然受到世界各國的普遍重視，但目前大部分的干細胞治療技術(shù)尚處于臨床試驗階段。這主要是因為對干細胞的諸多問題還沒有完全理解，以及結(jié)合微納支架的干細胞治療也有許多問題還有待解決。例如，干細胞異質(zhì)性分化、干細胞移植入體內(nèi)的免疫排斥、微納支架介導(dǎo)的干細胞分化的背后機制不清楚、微納米形貌調(diào)控細胞的形態(tài)，而形態(tài)變化與細胞增殖、分化等功能的關(guān)系不清楚、干細胞倫理問題等。世界各國的科研工作者也正致力于干細胞基礎(chǔ)研究的深入開展，這些開發(fā)工作基于微納支架復(fù)合干細胞，并應(yīng)用于多種疾病的治療，如機械性創(chuàng)傷疾病、免疫系統(tǒng)疾病、心血管系統(tǒng)疾病、遺傳性疾病等。也有人將磁性納米材料與功能支架融合，發(fā)揮功能支架模仿細胞外基質(zhì)、促進細胞增殖、遷移和分化的作用，而磁性納米材料獨有的磁學(xué)特性可以發(fā)揮定向引導(dǎo)示蹤、遠程刺激和熱療作用[80]，兩種材料的深度融合可以在疾病治療中發(fā)揮更好的療效。相信隨著微納材料科學(xué)的發(fā)展和干細胞與微納支架的深度融合，干細胞微納功能支架替代原生組織器官等變得極有可能。更多微納支架在干細胞治療中的作用將被開發(fā)。

5 結(jié) 語

近年來，隨著微納技術(shù)的快速發(fā)展和干細胞基礎(chǔ)研究的不斷深入，復(fù)合干細胞的微納功能支架將更加完善，在疾病治療方面將發(fā)揮無可替代的作用，特別是在組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，將為臨床疾病的治療和診斷做出巨大的貢獻。研究者們將針對目前存在的問題繼續(xù)深入探討，特別是支架介導(dǎo)的干細胞分化背后的機制、關(guān)于微納支架局部和全身生物相容性以及潛在毒性的知識等。干細胞移植后細胞的存活、分布和命運對回答有關(guān)劑量、遞送途徑或給藥時機的問題至關(guān)重要。隨著微納技術(shù)和干細胞基礎(chǔ)知識體系的完善，復(fù)合干細胞的微納功能支架將會極大地促進再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展，為人類健康做出巨大貢獻。