組織工程學(TE)是醫(yī)療保健領(lǐng)域中一門新興的學科，它涵蓋了多個領(lǐng)域，如材料化學、生物科學和工程學。組織工程學專注于應(yīng)對當今全球日益增長的重要議題，即如何應(yīng)對由受傷、疾病、衰老或其他形式的損傷引起的組織衰竭等問題。

組織工程學的核心理念在于開發(fā)人工生物材料或器件，以取代受損組織或促進缺陷部位的組織再生過程。通過這種方式，為人們提供了一種可以有效地恢復(fù)和增強人體組織的功能的新途徑。

受納米啟發(fā)的組織工程

納米材料已經(jīng)成為組織工程(TE)應(yīng)用中的重要組成部分，這是因為它們具有獨特的納米結(jié)構(gòu)形態(tài)。原生外細胞基質(zhì)(ECM)擁有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，由蛋白質(zhì)纖維和纖維編織而成，這些纖維交織在水化的糖胺聚糖鏈網(wǎng)絡(luò)中。

這種天然EC支架為原生組織提供了重要的生物物理支持，通過纖維抵抗拉力和水化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抵抗壓力應(yīng)力，具備適當?shù)奈锢硖匦浴?/p>

為了模擬ECM的物理化學特性，組織工程支架被設(shè)計成復(fù)制這種天然復(fù)雜系統(tǒng)。

然而，模仿自然形成的復(fù)雜系統(tǒng)，勢必會涉及到多個方面，即使是簡單地復(fù)制結(jié)構(gòu)特征，也會存在眾多可能性。這是因為細胞外基質(zhì)(ECM)在其物理結(jié)構(gòu)上展示了多樣性，同時生物環(huán)境中存在各種生物分子和組織。

盡管存在這種復(fù)雜性，科學家們還是確定了ECM組分之間的一個共同特征，即納米尺度的物理結(jié)構(gòu)，在組織生成過程中起著關(guān)鍵作用。

舉例來說，在典型的結(jié)締組織中，膠原蛋白和彈性蛋白等蛋白質(zhì)纖維呈現(xiàn)出直徑從幾十納米到幾百納米不等的納米纖維結(jié)構(gòu)。同樣地，提供細胞粘附特異性結(jié)合位點的粘連蛋白，如纖連蛋白和層粘連蛋白，也具有納米尺度的物理結(jié)構(gòu)。

這些ECM的形態(tài)特征鼓勵材料化學家發(fā)展基于納米纖維的支架，用于組織工程應(yīng)用。這種方法的主要目標是在生物材料和納米材料的交界面上建立有利的生物物理和生物化學相互作用，以啟動組織生成過程。

一般來說，這個領(lǐng)域中較大的材料群體是基于不同生物聚合物、蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)構(gòu)建的納米材料。值得注意的是，納米尺度的形態(tài)學并非評估支架材料的標準;它們還應(yīng)具備孔隙度、可生物降解性和生物相容性等其他性質(zhì)。

然而，納米材料具有積極影響這些性質(zhì)的潛力，使其成為組織工程應(yīng)用的潛在候選材料。

毫無疑問，基于納米的材料在過去幾年中為組織工程領(lǐng)域開啟了一個新時代。

可持續(xù)納米材料

反觀當下，可持續(xù)發(fā)展也已成為幾乎所有領(lǐng)域中備受關(guān)注的概念。它的核心理念是通過滿足當前需求，同時不危及未來世代滿足自身需求的能力。

納米技術(shù)也積極響應(yīng)這一理念，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供了一個平臺，并通過多種方式提升其在各個領(lǐng)域的性能。正是基于這些理念，人們發(fā)現(xiàn)了許多具有巨大潛力的可持續(xù)納米材料，尤其在醫(yī)療保健領(lǐng)域。

當定義其可持續(xù)性時，需要牢記它僅僅是一種觀念，因此可以從不同的角度來定義納米材料的可持續(xù)性，比如從其來源、性質(zhì)以及對生物系統(tǒng)的影響等方面考量。在這些可持續(xù)納米材料中，有3種材料在組織工程應(yīng)用方面具有特別的前景。

第一種，多糖基納米材料。多糖是一種重要的生物聚合物，可以由不同的單糖單元組成同聚物或共聚物。這些生物聚合物可以加工成納米材料，具有適用于組織工程應(yīng)用的獨特性質(zhì)。

在自然界中，多糖廣泛存在于各種生物體中，包括植物(如纖維素和淀粉)、藻類(如藻酸鹽)、微生物(如葡聚糖)和動物(如殼聚糖和透明質(zhì)酸)。

多糖在其組成、化學結(jié)構(gòu)、分子量和離子特性方面具有多樣性。

這種特性的變化決定了多糖的功能、物理化學性質(zhì)和生物活性。對于組織工程應(yīng)用而言，線性和長鏈結(jié)構(gòu)的聚合物特別具有吸引力。通過采用靜電紡絲、自組裝、相分離、模板合成和拉伸等不同的技術(shù)，可以將多糖轉(zhuǎn)化為納米纖維狀形式。

第二種，基于蛋白質(zhì)的納米材料。蛋白質(zhì)與糖蛋白、糖氨基酸和蛋白多糖一起構(gòu)成細胞外基質(zhì)(ECM)的重要組成部分。這些組分是賦予組織適當生物物理特性的關(guān)鍵成分。

一般而言，蛋白質(zhì)成分呈纖維狀，能夠形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為原生組織提供抗剪切力和強度。與此相反，蛋白多糖則提供抗壓性。

組織通過特定類型的細胞自身機制產(chǎn)生和分泌這些蛋白質(zhì)，這一過程推動了細胞的收縮和遷移等機械功能。不同組織的ECM結(jié)構(gòu)與特定細胞之間的相互作用決定了各自的特殊功能。因此，利用基于蛋白質(zhì)的納米纖維材料來設(shè)計組織工程支架是一種恰當?shù)牟呗浴?/p>

第三種，基于礦物質(zhì)的納米材料是一類可持續(xù)利用的有吸引力的納米結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于組織工程。一般來說，礦物質(zhì)被定義為具有特定和明確的化學組成的天然產(chǎn)物晶體物質(zhì)。在固溶體情況下，它們可能顯示一定的組成范圍。

對于固定組成的單一礦物質(zhì)，其具有一組特定的物理化學性質(zhì)。在納米尺度上，礦物質(zhì)往往遵循這些特性，盡管其范圍更廣。實際的物理化學性質(zhì)隨著納米材料尺寸的變化而變化，并且在很大程度上取決于形態(tài)特征。

因此，通過控制其形態(tài)參數(shù)，可以調(diào)節(jié)這些納米材料的各種性質(zhì)，從而有利于設(shè)計具有所需特性的納米支架。

需要指出的是，與基于生物聚合物或生物蛋白質(zhì)的納米纖維材料不同，礦物質(zhì)納米材料與細胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)沒有結(jié)構(gòu)上的相似性。這是因為大多數(shù)納米材料并非來源于生物(動物、微生物或植物)。然而，它們?nèi)跃哂蟹浅＊毺氐纳飳W性質(zhì)，適用于組織工程。

除了這3種受到矚目的應(yīng)用方向以外，還有其他不同種類的有機、無機納米結(jié)構(gòu)在組織工程中得到了應(yīng)用。這些納米材料主要是在實驗室中通過使用化學品、試劑和專門的合成技術(shù)進行人工合成的。

盡管這些納米材料并非來自生物源，但它們在組織工程應(yīng)用中也展現(xiàn)出了巨大的潛力，并已進入醫(yī)療產(chǎn)品市場。

舉例來說，基于鉑的納米材料和納米混合物已廣泛用于與骨骼和牙齒組織相關(guān)的治療。此外，過去幾年中，銀、石墨烯、氧化石墨烯、還原氧化石墨烯、碳納米管和碳點等多種納米材料也得到了廣泛研究。

根據(jù)可持續(xù)性的定義，大多數(shù)這些納米材料不能被認定為可持續(xù)材料。然而，當前納米材料研究的趨勢是將一定程度的可持續(xù)性融入到這些納米結(jié)構(gòu)中。從合成和加工到納米材料的應(yīng)用，已經(jīng)采用了多種不同的方法。

一個典型的例子是在納米材料的合成過程中利用基于生物的原材料和試劑。

例如，富含多酚的植物提取物被用作優(yōu)良的還原劑，在合成各種金屬納米顆粒時得到應(yīng)用。通過使用茶、椰子等其他天然來源的提取物，已成功制備出具有低毒性和改善生物相容性的綠色銀納米顆粒。

這些綠色銀納米顆粒表現(xiàn)出強烈的抗菌活性。植物提取物還被用于成功合成金、鈀、金-銀合金、鐵鎳合金、氧化鐵和氧化鋅等金屬納米顆粒。

在碳納米材料領(lǐng)域，基于石墨烯的納米材料(如氧化石墨烯和還原氧化石墨烯)在組織工程應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，因為它們具有高縱橫比、細胞黏附能力和力學強度。

一般情況下，氧化石墨烯是通過氧化剝離方法從石墨烯中獲得的，傳統(tǒng)方法涉及使用強礦酸和氧化劑等有害化學品，這引起了試劑來源的毒性問題。

然而，一種更可持續(xù)的替代方法是采用電化學剝離法，直接從大塊石墨中獲得石墨烯片層，無需使用有害化學品，同時具有優(yōu)越的材料性能。在將氧化石墨烯還原為還原氧化石墨烯的過程中，各種植物提取物已被用作替代傳統(tǒng)還原劑，例如NaBH4。

另一類新興的零維碳納米結(jié)構(gòu)是碳點。這些納米材料具有良好的特性，如水溶性、無毒性和低成本，因此在各種生物醫(yī)學應(yīng)用中備受關(guān)注。

據(jù)報道，在將碳點納入聚合物納米復(fù)合材料中時，可以促進成骨細胞的黏附、增殖和分化。它們還可以作為生長因子在組織再生中的載體。使用各種可再生資源作為原料，特別是富含碳水化合物的來源，可以可持續(xù)地合成碳點。

合成過程也非常簡單，例如通過加熱、水熱方法或超聲處理等方法。