生物組織工程的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

什么是組織工程？

組織工程(TISSUE ENGINEERING,TE)是生產(chǎn)組織的一系列技術(shù)組合，主要用于修復(fù)人體組織。組織工程也有一些衍生應(yīng)用，如藥物篩選和人造肉。組織工程產(chǎn)品與醫(yī)學(xué)植入體不同，醫(yī)學(xué)植入體是用人工材料制作的技術(shù)裝置，不包含活組織部分。
組織工程用于臨床應(yīng)用和開(kāi)發(fā)
今天，在臨床應(yīng)用方面已經(jīng)有若干個(gè)組織工程案例如：皮膚、軟骨、骨頭、心臟瓣膜和膀胱。而在研究階段和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段的例子則更多，如人工肝、人工胰腺、人工血管。在大部分案例中，組織都是體外培育，然后植入患者體內(nèi)。然而科學(xué)家也有一些大膽的想法和嘗試，比如原位實(shí)施組織工程：將一批人工孵育的細(xì)胞植入體內(nèi)，然后在體內(nèi)發(fā)育成預(yù)期的組織。
如何工作 – 組織工程過(guò)程的三個(gè)關(guān)鍵因素
組織工程實(shí)施過(guò)程中的關(guān)鍵因素：第一是組織、或者細(xì)胞樣本，其包含了組織工程的種子，或者叫起點(diǎn)；第二是一個(gè)用以固定和支持種子生長(zhǎng)的支架，控制其在特定位置，生長(zhǎng)為預(yù)期的幾何形狀；第三個(gè)是包含信號(hào)物質(zhì)和養(yǎng)分等的環(huán)境，能夠控制細(xì)胞培養(yǎng)或組織種子生長(zhǎng)出期望的生物特性，包括幾何大小和形狀及生物功能特性。
生物反應(yīng)器控制組織的形狀和功能特性
組織工程通常在一個(gè)設(shè)計(jì)好的生物反應(yīng)器中進(jìn)行，生物反應(yīng)器能夠控制組織的幾何形狀和生物功能特性。另外，生物反應(yīng)器也能夠提供壓力和溫度環(huán)境，以及特定的運(yùn)動(dòng)程序，如攪拌和旋轉(zhuǎn)�，F(xiàn)如今，使用2D和3D打印來(lái)構(gòu)建復(fù)雜的組織工程結(jié)構(gòu)已經(jīng)越來(lái)越流行。
有些組織需要血管化
就現(xiàn)階段的困難與挑戰(zhàn)而言，目標(biāo)組織是否需要血管化是一個(gè)分水嶺：有一些TE在組織生長(zhǎng)中有血管，用來(lái)運(yùn)送營(yíng)養(yǎng)素和氧氣及去除廢物；另外一些TE則無(wú)需血管。例如，TE心臟瓣膜因?yàn)楸谎�液包圍，能夠直接運(yùn)送營(yíng)養(yǎng)素和氧氣，從而不需要血管化；而人工TE肝臟或者胰腺必須內(nèi)部血管化。
實(shí)施組織工程的三種細(xì)胞類型或組織
組織工程實(shí)施的起始樣本或者細(xì)胞培養(yǎng)可以是自體的，即來(lái)源于同一個(gè)被治療個(gè)體。也可以是同種異體的，也就是說(shuō)來(lái)源于同一個(gè)物種，一般為人，但是屬于不同的個(gè)體。也可以來(lái)源于異種異體的，也就是來(lái)源于非人類的其他物種。當(dāng)然，從兼容性來(lái)說(shuō)，自體來(lái)源的細(xì)胞或者組織具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，能夠與病人的組織和生理兼容，并且降低免疫反應(yīng)。
干細(xì)胞的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)
干細(xì)胞是一個(gè)特例，并且它具有顯著的優(yōu)勢(shì)。有幾種不同類型的干細(xì)胞，比如成人干細(xì)胞和胚胎干細(xì)胞。成人干細(xì)胞用于特定的組織類型。它存在于人體并且可以修復(fù)或更新人體組織，如：骨頭，肌肉，皮膚。胚胎干細(xì)胞是未分化的胚胎細(xì)胞。它們具有多功能性，能夠如在自然狀態(tài)下從起始胚胎階段發(fā)育為一個(gè)生命體那樣，具有發(fā)育為任何類型細(xì)胞和組織的潛力。對(duì)于組織工程來(lái)說(shuō)，它們的多功能是一個(gè)祝福，然而也是一個(gè)詛咒：因?yàn)檫@些細(xì)胞能夠分化為任何類型的細(xì)胞和組織，換句話說(shuō)，科學(xué)家很難控制它們分化，來(lái)引導(dǎo)它們成為期望的細(xì)胞，而同時(shí)避免分化為不期望的細(xì)胞類型。
因?yàn)榕咛ジ杉?xì)胞牽涉到特殊的倫理問(wèn)題，因此成人干細(xì)胞可能更具吸引力。山中伸彌(2012年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者)的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)解決了此倫理困局，并且賦予組織工程全面的優(yōu)勢(shì)。那些成熟分化的細(xì)胞能夠逆轉(zhuǎn)為上游干細(xì)胞。伴隨這項(xiàng)工作的成功，科學(xué)家將無(wú)需收集胚胎干細(xì)胞。
組織工程在生理或修復(fù)之外的其他使用場(chǎng)景
如上文所述，組織工程主要目的是開(kāi)發(fā)組織和器官形式的人體功能修復(fù)。然而，也有一些常規(guī)TE衍生的有趣應(yīng)用。
人造肉
組織工程一個(gè)相當(dāng)有趣的應(yīng)用叫做人造肉。這個(gè)想法很簡(jiǎn)單-在生物反應(yīng)器里利用細(xì)胞培養(yǎng)肉，即實(shí)質(zhì)上的肌肉細(xì)胞或組織。此“肉”能夠通過(guò)上面提到的不同種類的干細(xì)胞或者肌原細(xì)胞(一種肌肉干細(xì)胞)培育而來(lái)。目前來(lái)看，依然沒(méi)有商業(yè)化的產(chǎn)品可用，但是各種制造廠已經(jīng)在籌劃之中。人造肉的潛在優(yōu)勢(shì)包括：降低生產(chǎn)肉類所帶來(lái)的溫室氣體排放，降低用于家畜飼養(yǎng)及家畜喂養(yǎng)過(guò)程的農(nóng)田占用。
藥物測(cè)試和篩選
在藥物測(cè)試和篩選過(guò)程中，組織工程可能是其最有趣的應(yīng)用。如果一種代表性的組織或器官被工程化，那么它可以作為評(píng)估藥物有效性，劑量和可能的副作用的特定測(cè)試位點(diǎn)，并可以用于針對(duì)此特殊組織的藥物開(kāi)發(fā)。這樣的組織工程可能降低實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的使用量，縮短臨床試驗(yàn)時(shí)間，且極大可能降低藥物發(fā)開(kāi)的費(fèi)用。
研發(fā)領(lǐng)域的生物材料和組織工程有何差別？
生物材料是人造材料，開(kāi)發(fā)目的是用于醫(yī)學(xué)治療。它們常常通過(guò)不同的途徑整合進(jìn)周圍組織。相比之下，TE是通過(guò)一系列方法，使用活細(xì)胞或組織種子來(lái)制造具有活體功能的組織。TE最初被認(rèn)為是生物材料亞學(xué)科領(lǐng)域，其原因是使用支架和模板，以及用于TE的其他材料，因?yàn)門E起初非常專注支架等的材料研究。今天，TE被認(rèn)為是一個(gè)自我獨(dú)立的科研領(lǐng)域，并且與生物材料有較大重合。
百歐林播客《表面科學(xué)-微觀大世界》
從我們的播客《表面科學(xué)-微觀大世界》中了解更多關(guān)于組織工程的知識(shí)。在這一集中，我們也將涵蓋更多關(guān)于3D打印和組織工程未來(lái)模樣的信息。
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QSense在生物材料和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用

QSense ^® QCM-D技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于生物材料和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的研究。如：

1. 生物相容性的表征和評(píng)價(jià)
2. 實(shí)時(shí)表征蛋白質(zhì)吸附
3. 超分子生物活性材料的設(shè)計(jì)和表征
4. 生物分子相互作用分析
5. 支撐生物膜-制備和表征
6. 監(jiān)測(cè)和表征聚合物刷以及聚電解質(zhì)多層膜的構(gòu)建和響應(yīng)
7. 實(shí)時(shí)表征細(xì)胞粘附和鋪展
8. 生物礦化的表征
9. 作為聲學(xué)生物傳感器廣泛應(yīng)用于生物傳感器開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

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