到目前为止，组织工程学的研究主要包括以下3方面的内容:细胞培养和生长的研究、支架材料的研究、组织工程化组织在各种病变损伤组织中的替代的研究。其中所谓的支架材料，是指多孔状的细胞外基质材料，适于细胞的生长，并且能够引导细胞在三维支架结构上形成组织或器官。

组织工程化组织器官的研究和应用已经十分广泛，其范围涉及皮肤、肝脏、胰腺、肠、膀胱、食管、神经、心脏瓣膜、骨、软骨、韧带和肌腱。早在1990年，就已经有组织工程皮肤产品应用于临床烧伤的治疗。其他应用于临床的研究有软骨组织的修复，造血干细胞的分离以及对癌症的免疫调节治疗等。尽管组织工程的研究已经取得了可观的成果，但是应用于组织工程的三维支架材料仍然达不到组织工程的理想要求。一方面，支架材料缺乏移植所必需的机械强度;另一方面，材料内部也缺乏交通的孔隙，以利于细胞长入三维支架内部。

组织工程对支架材料有着严格的要求，其中一些要求十分复杂，其机制仍有待探讨。支架材料本身以及降解产物都应有良好的生物相容性，应具有合适的机械性能，为新生组织提供良好的力学环境。材料还应有理想的孔隙和渗透性，以利于细胞长入和营养物质的进入。材料表面的结构和化学性能应利于细胞的贴附和生长。

构建组织工程支架首先要考虑的是选用合适的材料，而且这些材料要有良好的生物相容性和生物降解能力。所谓良好的生物相容性是指不会诱发任何不利于移植组织成活和生长的机体反应，并且表面具有合适的理化性能，利于细胞的贴附、生长、增殖、分化。所谓生物降解能力是指其降解产物对组织无任何毒性作用，不会对新生组织的生长产生不利的影响。目前组织工程中的生物材料主要包括:无机材料、有机高分子材料(生物可降解合成高分子材料)、生物衍生物材料、复合材料等。

应用于组织工程与再生医学的无机生物材料主要包括金属和陶瓷材料，在20世纪，各种生物相容性良好的金属、陶瓷材料都在外科移植手术中得到了广泛的应用。金属和陶瓷材料在医学，特别是在整形外科学领域起到了至关重要的作用。

　医用金属材料是指一类作用于生物材料的金属或合金，又称外科用金属材料。它是一类生物惰性材料，除具有较高的机械强度和抗疲劳性能、具有良好的生物力学性能及相关的物理性质外，还必须具有优良的抗生理腐蚀性、生物相容性、无毒性、易加工处理和符合临床实际的手术操作技术。

金属材料是临床应用最广泛的承力植入材料，由于有较高的强度和韧性，已经成为骨和牙齿等硬组织修复和替换、心血管和软组织修复以及人工器官制造的主要材料。自然界中绝大部分的金属材料不符合生物材料的要求，仅有小部分或经过处理的可用于临床。目前在临床使用的医用金属材料主要有不锈钢、钴合金和钛合金三大类，另外还有部分记忆合金、贵金属、纯金属钽、铌、镐等也有小范围的使用。这些应用于临床的金属材料各具优势，由于材料均具有较高的强度和韧性，在修复和置换人体硬组织的应用方面具有很大优势。不锈钢材料:具有良好的耐腐蚀性和综合力学性能，加工工艺简便，材料来源广、价格相对低廉;钛合金:无毒、质轻、强度高、生物相容性好;钴合金:耐腐蚀性和力学性能突出，是优良的材料之一;贵金属:具有良好的稳定性和加工性能，但因其价格较贵，广泛应用受到限制;形状记忆合金:较硬富有弹性，可起到矫形或支撑作用，耐腐蚀、耐磨、无毒。

钛合金是目前使用最广泛的医用材料，较其余金属材料相比其优势在于:质轻: 20℃时密度为4. 5g/ cm ³，仅为不锈钢的56%;植入人体后大幅减轻了人体的负荷量，同时也减轻了医务人员的操作负荷。弹性模量低:为108500MPa，仅为不锈钢的53%，植入人体后与人体自然骨更加接近，减少骨植入物的应力屏蔽效应。无磁性:不受电磁场和雷雨天气的影响，有利于使用后的人体安全。无毒性:作为植入材料对人体无毒副作用。抗腐蚀性:在人体体液的浸泡环境中具有优异的耐腐蚀性，保证了人体血液及细胞组织良好的相容性，作为植入材料不会产生对人体的感染、污染，不会发生过敏反应。强度高、韧性好:长期置于人体内，会受到人体弯曲、扭转、挤压、收缩力等的作用，要求植入材料具有较高的强度和韧性，钛合金极大地满足了这种植入需求。基于上述优点，钛合金也被应用于开发多种组织工程与再生医学的医用材料支架，包括:股骨头、关节、紧固螺钉、夹板、血管扩张器、肾瓣膜、心瓣膜、颌骨等。

　除金属支架材料外，生物陶瓷类支架材料是组织工程与再生医学中广泛应用的另一类无机材料。根据支架材料在生理环境中的化学活性，生物陶瓷可以分为三大类:惰性生物陶瓷、表面活性生物陶瓷、可降解的磷酸钙类生物陶瓷。各类陶瓷的物理、化学、生物学特性有差异，导致该类材料的用途也有所区别。

如氧化铝、氧化锆等。

如烧结的羟基磷灰石( sintered hydroxylapatite，s-HA)，生物活性玻璃，生物活性玻璃陶瓷，氧化铝-硅酸钙玻璃陶瓷( alumina-silicate glass ceramics，AW-GC)。

如煅烧或不烧结的羟基磷灰石( unsintered hydroxylapatite，u-HA)、珊瑚羟基磷灰石( coralline hydroxyapatite，CHA)、α磷酸三钙(α tricalcium phosphate，α-TCP)、β磷酸三钙(β tricalcium phosphate，β-TCP)、磷酸四钙( calcium phosphate，TTCP)、磷酸八钙( octacalcium phosphate，OCP)、磷酸钙基骨水泥( calcium phosphate based bone cement，CPC)。

如果要求移植后的材料最终降解，就要选择上述第三类材料，不同组织对材料降解速率的要求又有所区别。上述材料的降解速率依次为: OCP＞α-TCP＞β-TCP＞u-HA＞s-HA。降解速率加快还和其他一些因素相关:①表面积增加，②结晶度下降，③结晶的完整性下降，④结晶体体积变小，⑤羟基磷灰石中CO ^2-、

₃ Mg ²⁺和Sr ²⁺等的置换反应。降解速率减缓的因素:①羟基磷灰石的F-置换，②β-TCP的Mg ²⁺置换，③材料中β-TCP /HA的比例下降。

α聚羟酯以及乳酸和乙醇酸的共聚物是可溶性合成聚合物的一个重要家族。聚乳酸( polylactic acid，PLA)、聚乙醇酸( polyglycolic acid，PGA)、聚二氧杂环乙烷以及此类共聚物是美国FDA唯一批准使用的一类可降解的合成聚合物。它们已经在外科领域应用超过30年，取得了良好的实际效果。目前为止，PLA家族是应用最广泛的合成聚合物。通过改变聚合物中乳酸和乙醇酸的比例，可以使聚合物具有不同的理化性能和降解时间。

低分子量的PLA和PGA可以通过直接浓缩乳酸和乙醇酸而获得。由于浓缩过程中的可逆反应等因素，用直接浓缩法来制备高分子量的PLA和PGA难度较大。因此，PLA和PGA的制备通常是通过开环聚合反应来实现:浓缩乳酸和乙醇酸单体获得低分子量PLA和PGA，加热形成含有6个环二酯的聚合物，结晶之后，经过蒸馏、再结晶而高度纯化，然后利用开环聚合反应获得高分子量的PLA和PGA。

所有的乙醇酸交酯都能以高结晶化聚合体的形式获得，其玻璃化温度为25～65℃，融化温度185～225℃。所有的乙醇酸交酯都可以通过融化模压法处理。作为一种可吸收的材料，其热稳定性良好，其融化性十分利于模压成形处理。与其他可生物降解的聚合物相比，PGA的结晶能力较强，大多报道的结晶率为35%～75%。由于PGA的高结晶化，其一般不溶于有机溶剂中(除了一些氟化的有机溶剂，如六氟异丙醇)。由于PGA具有良好的亲水性，在移植后2周，其机械强度可丧失50%，4周后出现吸收，4～6个月可完全吸收。

尽管在结构上与PGA十分相似，但是由于α碳链甲基的存在，其理化与机械性能都与PGA有较大差异。这个结构在α碳链处引起手征性:这样出现了L、D和DL异构体。PLLA是一种半结晶体，有一定硬度，玻璃化温度65℃，融化温度170～180℃。一般来说，PLLA的结晶性弱于PGA，结晶率约为35%。根据分子量的不同，其热融化处理的温度在200～250℃之间。PDLLA的三维结构松散，是一种透明的无定型晶体，玻璃化温度50～60℃，降解速度PLLA稍快，其他性能相似。视PDLLA的大小以及厚度的不同，其降解时间为2～12个月。需要说明的是，尽管已经知道分子量、结晶度等因素可以影响PLA及其异构体的降解，其在体内体外的降解机制依然有许多不明之处。在PLA的处理过程中，必须注意避免温度过高而使产品中单体含量过高。过多的单体会作为一种可塑剂改变产品的机械性能，引发水解，改变产品的降解性能。因此，PLA的处理应该在融化温度的下限进行。

己酸内酯经开链聚合反应后，形成了一种半结晶聚合物，其融解温度为58～63℃。PCL具有良好的生物相容性和生物降解性，在欧洲它被用于制作可吸收手术缝合线。其同聚物的降解时间较长，约为2年，因此有研究将其和其他合成材料混合形成异聚体来改善其降解性。比如，其和D，L-乳酸混合形成的异聚体具有较快的降解速度。

尽管上述聚合物具有良好的机械和生物学性能，但是仍有不足之处。比如所有的酯类聚合物在降解过程都会产酸，从而影响材料的生物相容性。酯类聚合物一般硬度较大，在构建承力组织或器官时较为理想，但是不利于构建质地柔软的组织或血管。此外，这类聚合物还缺乏可以结合药物或其他分子的高活性垂链结构。因此，这些简单的聚合物可以构架良好的组织工程支架，却远远达不到组织工程的理想要求。

聚乙二醇( polyethylene glycol，PEG)具有亲水性好、溶解性强、无毒性、无免疫原性、无排斥反应等良好的物化及生物学性能。同时，由于PEG分子链的端羟基具有很好的化学反应性，且原料价格低廉，是高分子改性的优势原料之一。因此，共聚物的研究和应用备受关注，目前有应用前景的共聚物主要包括PLA-PEG类共聚物、PCL-PEG类共聚物、PCL-PEG-PLA类共聚物。

　除上述几类目前研究比较深入的高分子可降解的物质外，聚羟基烷基酸酯( poly hydroxy alkyl esters，PHA)、羟基丁酸酯( hydroxybutyrate，PHB)、聚对二氧化六环酮( polyethylene oxide six cyclic ketones，PDO)、聚原酸酯类、聚酸酐类、聚磷腈类、聚氨基酸类、水凝胶类等高分子物质也是组织工程与再生医学可用范围内的备选材料，依据其物化和生物学性能，需要进一步的研究及改造。

天然衍生生物材料是指来源于动、植物或人体，经过物理、化学、生物学方法加工处理而得到的材料。典型的天然衍生生物材料包括:甲壳素、壳聚糖、葡萄糖、胶原、明胶、纤维素、海藻酸钠、琼脂、淀粉等，此类材料具有良好的生物相容性，具有一定的力学性能，易于加工成形，可降解，降解产物无毒，使用安全性高。天然衍生生物材料除作为支架材料以外，还可以作为缓释载体材料，除此之外还具有特殊的药理活性:如甲壳素和壳聚糖具有抗菌、抗感染、抗病毒、抗肿瘤、抗心律失常，降脂和防治动脉硬化、凝血及抗凝血作用;胶原可以作为多种药物和活细胞的载体被应用于临床;藻酸盐也被广泛地作为药物制剂的添加剂，以其为基材的伤口敷料、止血剂、药签等已被应用于临床治疗和组织工程中的组织再生;质酸也广泛的应用于眼科手术，作为黏性支撑物还被应用于伤口愈合、腹部手术和妇科手术的防粘连、人工器官再造和药物输送等;分子量为510万的葡聚糖可作为血浆的替代品，同时葡聚糖作为药物载体，将药物直接连接到葡聚糖上保护药物活性的同时提高药物的生物利用度。

复合型生物材料包括无机和有机材料的复合材料，天然和合成材料的复合材料，通过不同的组合加工，可以集中不同材料的优势为一体，可以克服单一材料的缺陷，因此开发复合生物材料是组织工程与再生医学的需求所在以及解决单一材料性能缺陷的有效途径。目前应用于组织工程与再生医学的复合型生物材料主要包括以下几类:

　羟基磷灰石、人工煅烧骨、珊瑚材料、松质骨基质、无机骨、磷酸三钙、磷酸二氢钙等无机材料分别与胶原、透明质酸、明胶、壳聚糖或海藻酸钠进行不同的复合形成的材料做成的支架应用于骨缺损等的修复，结果此类材料有明确的促进成骨细胞、骨髓间充质干细胞的成骨分化和生物矿化，有效地修复大段或大面积骨缺损。

　合成高分子材料具有很好的韧性和塑性。因此在组织工程与再生医学应用中，聚乳酸、聚羟基丁酸、聚富马酸丙二醇脂等高分子材料与无机材料、生物活性因子等复合材料已成功应用于骨、软骨、肌腱、韧带、肌肉等组织的再生与修复，尤其是在骨组织工程中应用较为突出。

此类材料集合了天然高分子材料具有较好细胞亲和力的优势和合成高分子材料可以精确调节组成比例、力学性能好、重现性高的特点，已成为组织工程与再生医学生物材料支架研究的又一大热点。

　壳聚糖、明胶、胶原、透明质酸、淀粉、醋酸纤维等天然高分子材料，相互复合形成薄膜及材料支架，具有较好的生物相容性、细胞亲和力及再生微环境调节等功能，已成功应用于组织工程仿人皮肤的双层结构及骨组织工程中的应用。

从材料工程学的角度来看，所谓组织是一种含有细胞的复合体，里面包含多个系统。这种复合体被认为具有以下三种结构:①由细胞组成的功能单位，②细胞外基质，③支架结构。支架结构在组织构建和生长过程中发挥着重要作用，为细胞提供合适的营养通路，引导细胞的生长和成熟分化。

研究证实，在组织工程器官的构建过程中，支架材料的孔隙率和孔隙的大小，对于引导组织的再生极其重要。孔隙率增加，则材料的表面积必然增加，更加有利于细胞的贴附和生长。孔隙有利于营养物质的运输和代谢废物的排出，此外孔隙的存在对于新生血管的长入也是十分必要的。孔隙密度和大小的不同，导致材料表面积和体积比例的变化。孔隙的大小至少要能够让细胞进入，并且依细胞种类的不同，要求也不同。研究结果表明，血管长入的最佳孔隙大小是5μm，成纤维细胞是5～15μm，肝细胞是20μm左右，20～125μm的孔隙利于成年皮肤的再生，40～100μm的孔隙利于类骨质的长入，100～350μm利于骨的形成。含有丰富纤维和血管的组织要求大于500μm的孔隙，以利于血管的长入和细胞的成活。

另一个要考虑的因素是孔隙的连续性。即使材料有足够的孔隙，如果互相没有交通的话，细胞的爬行、营养的运输和代谢都会受到影响。目前在支架材料上接种大量细胞的最大限制就是营养不足。厚度超过200μm的无血管细胞组织会由于营养不足而无法成活。软骨中不含血管，而且组织的代谢率较低，所以可以用组织工程方法在体外构建较大体积的软骨。当材料接种到体内之后，如果材料为可降解，那么随着时间的延长，孔隙就会变大，孔隙率增加，原来相互之间没有交通的孔隙也会产生交通;如果材料是不可降解的，那么随着时间的延长，孔隙就会由于纤维结缔组织长入以及非特异性蛋白的黏附而变小。除了孔隙之外，材料的形状和扭曲度等因素都会影响组织的生长。对支架材料的基本要求就是既能促进细胞的分化和成熟，又不影响细胞的生长和增殖。

支架材料的孔径及材料表面的凹凸图形及形状、大小等因素对再生微环境及种子细胞的分化有着重要影响。如金属钛作为种植体，在种植体上进行特殊处理，处理出直径不同的纳米管结构，当孔径为20nm时，能明显促进间充质干细胞向成骨方向分化。同时种植体表面的不同处理，对组织重建过程中细胞的黏附和功能发挥有着重要的作用。

体外构建的组织最终还是要移植到体内，因此要求使用的支架材料必须具有一定的机械强度，对于构建骨和软骨等受力的硬组织尤其重要。大多移植物的生物稳定性依赖于材料的强度、弹性、表面吸收和化学降解。如应用于骨组织工程的材料支架，因根据骨的致密程度、使用的位置、受力大小等因素选择不同类型的材料支架;应用于软骨组织工程的支架材料其应力学要求是选择支架的重要依据;皮肤支架材料在选择时，模拟真皮层的拉伸与收缩，因此在与种子细胞结合时细胞与支架材料的力学作用是选择材料支架的重要指标;肌腱修复过程中的支架材料选择要有较高的强度或者种子细胞分泌的基质能够快速替代降解的支架材料，满足正常的肌腱活动的张力需求;血管组织、神经组织、角膜组织、小肠组织等其他组织同样存在力学适应性的问题，在支架材料的选择上其机械性能的影响因素是必须考虑的指标。用于构建组织器官的支架要有一定的结构和形状，所以要求材料有一定的可加工性，以满足构建各种不同组织的技术指标要求。此外，支架的加工重复性也是保持其三维结构稳定的重要因素。同时特殊材料考虑材料自身的承载携带作用，材料中可以加入促进组织生长和成熟的材料或生长因子，比如在构建骨移植物时，可以复合磷酸钙材料或者是加入骨形态发生蛋白之类的生长因子。

生物材料的评价包括生物安全性评价、生物相容性评价、生物材料降解的评价等。

支架材料应用于组织构建过程中直接或间接地与人体组织相接触，有些材料在人体内可能终身相伴，因此生物安全性是支架材料安全性的主要评价指标。目前，国内外通用的是美国材料实验学会和国际标准化组织制定的标准，各个国家依据其实际情况也制定了自己的标准。我国标准草案为《生物材料和医疗器材生物学评价标准》，常用的安全性试验评价方法包括:急性全身毒性、刺激试验、细胞毒性、过敏试验、植入试验、溶血、热源实验、血液相容性实验、遗传毒性试验、亚慢性毒性、慢性毒性、致癌基因的生物评价、药物动力学试验、生殖和发育毒性检测等实验评价方法。

生物相容性是支架材料在宿主的特定环境和部位，与宿主直接或间接接触时所产生相互反应的能力，材料在生物体内处于静动态变化过程中，能够耐受宿主各系统作用而保持相对稳定，不被排斥和破坏的生物学特性。生物相容性包括血液相容性和组织相容性。生物材料与血液接触时将产生一系列的生物反应，包括:血浆蛋白吸附，血小板黏附、集聚、变形，凝血系统、纤溶系统被激活而形成血栓，因此在与血液直接接触的植入材料之前必须要有很好的血液相容性。组织相容性是指，材料与机体组织之间相互容纳的方式，包括对全身的毒性和局部材料周围组织的反应，如炎症、免疫、癌变等影响，同时与材料植入体内的部位、时间不同而不同，因此在植入材料选择上材料与组织的相容性是材料选择的必然要求。我国生物材料相容性评价标准按照GB/T16886. 1-1997进行。

生物支架材料支架的体内降解，涉及的降解机制与方法不同，大体可以分为:物理变化，主要包括外形、外观、力学性能、质量、导热性能等方面的改变;化学变化，主要包括在体内环境中的氧化、水解、酸碱作用的影响所产生的化学反应;生物反应，主要包括体内酶解反应和微生物自身及代谢产物对材料的影响而导致的反应。材料的降解机制具有多样性和复杂性，降解机制也没有十分清晰的认识，因此对生物材料降解的评价方法暂时也没有成熟的标准。