组织工程学是应用生命科学和工程学的原理与技术，设计、构建、培育和保养活组织，研制生物替代物，以修复或重建组织器官的结构，维持或改善组织器官功能的一门新兴边缘学科。在矫形外科领域，由于疾病、创伤等原因引起大块或大段骨、软骨、神经、肌腱等缺损或不可逆的损伤，修复往往很困难。自体组织移植疗效较好，但供材有限；异体材料来源相对较多，但可能引起免疫排斥反应，且有传播疾病的危险。在这种情况下，利用组织工程研制受损伤组织代用品是很有前途的治疗方法。
    一般而言，组织工程是将活细胞种植于生物相容性支架材料（载体），经体外联合培养（赋予材料以生命）后植入体内，以替代或修复组织、器官的缺损及功能。组织工程包含三个关键要素，即信号因子（生长因子）、靶细胞（功能细胞）和基体材料（载体）。信号因子（生长因子）是细胞内信号和化学反应的发起者，控制着细胞分化和功能的特异性，因而是细胞分化所依赖 的基因读出过程的关键因素之一。组织工程中常将信号因子（生长因子）与可降解的生物或非生物材料复合以制备细胞外基质，为细胞提供生存的三维空间，利于细胞增殖和分化；细胞外基质也可由培养细胞在体外直接合成和分泌。靶细胞是取自动物和人体的各种组织细胞，经分离和培养而得，也可以是植入部位的前体细胞，主要是未分化间充质细胞，经分化而获取所需要的细胞。基体材料既是新生组织生长的支架，也是信号因子和功能细胞的载体，还能放大信号因子的生物学作用。基体材料可分天然材料和人工合成材料两大类，前者如胶原、脱钙骨等，后者如聚乳酸、聚乙醇酸等，理想的基体材料应具有良好的生物相容性和可降解性，并有组织器官生物力学所要求的强度。寻找适宜的基体材料，研究其与信号因子及功能细胞的相互作用及组装模式，是组织工程研究的重要内容。
    应用组织工程技术修复损伤组织可采取三种形式：（1）将功能细胞与某种基体复合，在体外培养经增殖和分化形成某种组织，然后植入体内；也可在植入体内后形成修复组织。在封闭体系中，植入细胞与宿主组织之间有一层膜隔开，此膜允许营养物质通过，但阻止抗体和免疫细胞通过；在开放体系中，细胞与基体共同植入体内，并与宿主组织结合为一体。（2）分离培养功能细胞或干细胞，将细胞悬液注射于缺损部位，在体内环境下形成修复组织。（3）应用组织特异性诱导因子促进修复过程，即将信号因子以适当方法引入损伤部位，使其在局部发挥作用，诱导形成相应的组织。此即非细胞型组织工程材料，如使用骨形态发生蛋白（BMP诱导形成骨、软骨组织，使用NGF促进神经纤维生长，等等。
    在矫形外科领域，应用组织工程技术研究的目的组织有骨、软骨、神经和肌肉、肌腱，针对不同的目的组织，其中的三要素也各不相同。软骨组织工程研究较多，软骨细胞的组织培养技术已臻成熟，有很好的临床应用前景。现以软骨组织工程为主简要介绍如下。
一、软骨组织工程
    关节软骨是由高度机化的细胞外基质组成，后者主要由II型胶原及蛋白聚糖（proteoglycan）及高度特异化的关节软骨细胞群构成。软骨是无血管、神经及淋巴分布的组织其特有的组织器官特异性及生物学特性，为组织工程化研究提供了良好的模型。但关节软骨的修复是矫形外科的一个棘手问题。局限于软骨内的损伤几乎没有修复反应，久而久之导致骨关节退行性变。软骨全层损伤易为骨髓修复，所形成的新生组织多为纤维组织与纤维软骨，不能满足关节功能需要。人工关节置换仅用于严重的骨关节退变。近年来应用组织工程技术对损伤组织施行生物性表面成形术（biological resurfacing）以修复关节软骨，取得了较好的效果。
（一）软骨组织工程载体研究：
    理想的软骨组织工程载体应具有以下几个标准：
    具有良好的生物相容性，植入体内时载体本身或其降解产物对人体无毒，不会引起炎症或排斥反应。
    载体材料应具有促进软骨组织粘附和增殖功能。
    载体支架的降解速率必须与植入的细胞组织形成的速率相匹配。
    可制备成90%以上孔性结构，具有一定的坚韧性，能支撑三维立体结构的载体，为软骨细胞在支架中均匀及其生长提供足够的空间。
    在软骨组织工程研究中，已有多种生物材料用作工程化软骨的载体，其中以聚羟基乙酸（polyglgcolic acid, PGA）、聚乳酸(poly-L-Lactic acid, PLLA)胶原蛋白和纤维蛋白在组织工程应用中显示出良好的性能而被广泛采用。
PGA：是一种高分子材料，具有良好的生物相容性，以PGA材料制备成均匀孔性的软骨组织工程支架，能诱导和促进软骨细胞粘附、增殖和分化，形成软骨组织。但其缺点为降解块，易出现崩溃而使PGA支架塌陷。且PGA降解产物-单体羟基酸为酸性，可使局部PH值下降，导致细胞中毒。
PGA-PLLA复合聚物：由于PLLA相对稳定，降解速率 PGA缓慢，因此通过调节两种聚合物在混合物中的比例，制成具有高表面张力及不同机械性能及降解速率的组织工程支架。研究结果表明PGA-PLLA是现有材料中较为理想的软骨组织工程支架。但其缺点为亲水性差，对细胞吸附不足。
胶原蛋白：胶原蛋白是生物机体结缔组织的主要成份，用适当的提取方法可从动物机体组织中提取出胶原蛋白，去除其抗原性后，可制备成具有良好生物相容性的软骨组织工程支架。但不同类型的胶原蛋白对软骨细胞表型的情况也不相同，在II型胶原蛋白中培养软骨细胞能提高细胞因子调节软骨细胞增殖速率和蛋白聚糖的合成。在I型胶原支架上，软骨细胞能扩增，但多数呈成纤维细胞状的形态，仅有少量细胞外基质合成。胶原蛋白支架的优点为较PGA或PGA-PLLA复合聚合物更能显著地促进软骨细胞合成胶原基质，这可能因为胶原蛋白类似于软骨细胞外基质通过调节反馈机制促进软骨细胞的胶原合成。
纤维蛋白材料：纤维蛋白为天然细胞外基质成分具有介导细胞间信号传导及其相互作用的性能。研究表明纤维蛋白凝胶和纤维蛋白三维固定支架能良好的维持软骨细胞表型，促进细胞增殖和细胞外基质形成。是软骨组织工程中较好生物材料。
二、工程化细胞培养方法
    软骨组织工程中的功能细胞一般采用软骨细胞。软骨细胞在体外培养条件下生物特性不稳定，丧失表达II型胶原和蛋白聚糖的能力，称为去分化（dedifferentiation）。实验研究证明，高密度和立体培养有助于软骨细胞保持其表型。软骨细胞体外培养不论是单层环境或三维环境，高密度是维持表型的必要条件，其分子机制目前尚不清楚。软骨细胞的早期分化通过以下几种活动得到调控：建立细胞接触，形成启动分化机制的有利环境，表达分化标记分子。在软骨胚胎发生过程中可见到细胞间隙减小，形成细胞团（Cell condensation），这是软骨发生中的重要事件。体外培养鸡胚软骨源性未分化细胞，在允许细胞聚集的体系中，细胞相互靠拢，建立接触，形成一高密度细胞团，向软骨细胞分化，形成特异性间质，获得软骨细胞的形态。在羧甲基纤维素中培养，细胞不能聚集，则不向软骨细胞方向分化。将聚集的细胞分离后，细胞接触和集落形成减少，向软骨方向分化的细胞也减少，两者之间有一致性变化。
    三维培养有助于保持软骨细胞表型，用于这种培养方法的培养基有低溶点琼脂、胶原和纤维素凝胶等材料。还有一种细胞培养系统称为旋转培养，可提供有利于细胞聚集的营养环境，软骨细胞在支架中增殖，合成软骨性细胞外基质，用此法可形成具有一定结构的软骨组织，用于临床修复软骨损伤。
    除软骨细胞外，还可以使用未分化间充质细胞，文献报告有骨髓基质细胞、骨膜未分化间充质细胞及骨骼肌未分化间充质细胞。本研究所通过调整培养条件使骨髓基质细胞分化为软骨细胞，然后以I型胶原为载体修复兔股骨滑车关节面，术后48周时仍为类透明软骨，关节保持良好功能。由于软骨细胞来源多为自体非负重区关节软骨，获取量少，造成附加损伤，技术要求高（取钙化软骨浅层），万一失败难于补救。而且体外培养成功后尚需第二次手术植入，费用较高。采用未分化间充质细胞则可避免这些缺点，是软骨组织工程中很有前途的研究方向，其研究重点在于诱导成为软骨细胞并形成类透明软骨。
生长因子
    生长因子对软骨细胞的生物学行为具有重要调控作用。β-生长转化因子（TGF-β）可刺激基质蛋白和蛋白聚糖的合成，其最终效应受其它因子的影响，并呈明显的剂量效应，作用机理复杂。碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）存在于骨组织中，储存于骨细胞的细胞外基质中，能促进骨组织的新生加强软骨细胞有丝分裂，促进其增殖。胰岛素样生长因子（IGF）对骨与软骨的发生起着重要的调节作用。可调节软骨基质代谢，增加基质合成，减少蛋白聚糖的分解。BMP是TGF-β超家族的成员，在肢体发生中具有重要调控作用，在成年动物趋化未分化间充质细胞，增加局部细胞数量；异位诱导形成骨与软骨组织，体外诱导多能干细胞表达骨与软骨表型，促进软骨细胞合成基质。
近年来重视应用生长因子加速关节软骨修复。如联合应用bFGF与软骨细胞移植，TGF-β加I型胶原修复关节软骨全层缺损，等等。本研究所以去抗原脱钙牛松质骨为载体，应用bBMP修复兔股骨髁部关节软骨缺损，早期形成类透明软骨。组织评分以12周时为最优，此后新生软骨逐渐退变，48周时成为纤维软骨，但仍维持良好的关节功能。
    最近从关节软骨中提取出一种蛋白质，可在皮下诱导形成软骨岛，称为软骨衍生形态发生蛋白（cartilage-derived morphogenetic protein, CDMP）。进一步研究发现CDMP为BMP家族成员，有三种亚型，即CDMP-1、CDMP-2和CDMP-3。CDMP-1即BMP14，在四肢骨骼的发育中起软骨诱导信号因子的作用；CDMP-2即BMP13，可能是软骨组织生长和维持中的调节因子；CDMP-3即BMP12，可作用于间充质前体细胞，但在体内不能使其向成骨细胞系分化，而是形成肌腱样和软骨样组织。
基体材料
    基体材料分为天然生物材料和合成高分子材料两大类，前者包括胶原、藻酸、纤维素和透明质酸等，后者包括PLA、PGA、聚乙烯酸和几丁质等。
纤维素凝胶曾被用作软骨细胞的载体修复关节软骨，后来发现体外培养状态下软骨细胞可向血凝块移动，并进驻其中，而用纤维蛋白粘合剂后，软骨细胞不向其中移动，此外纤维素凝胶还抑制胶原的形成。软骨细胞与纤维素复合植入体内3天后开始分解，复合细胞密度愈高，分解速度愈快。藻酸胶有助于保持软骨细胞的表型，其缺点是可能影响初始接种细胞的活性。胶原是应用较多的一种软骨细胞载体，用于兔膝关节软骨缺损修复成功率可达80%。Schuman的研究证明同种胶原有助于保持软骨细胞表型。II型胶原与I型胶原作用无明显区别。Nixon观察到软骨细胞可在多孔胶原支架内增殖，合成新的基质沉着于支架上。胶原还有利于保持软骨细胞的活力和促进其增殖。
    天然生物材料虽能为软骨细胞的存活、增殖和分化提供合适的环境，但此类材料机械强度低，在体内分解较快，构型改造受限，不能完全满足软骨细胞移植的需要。近年研究证明，一些合成高分子聚合物可作为软骨细胞的载体用于移植。这些聚合物具有良好的组织相容性，材料表面特性不影响细胞的分化功能，可根据需要设定其分子量大小和降解率，调整其力学特性如硬度和韧性，可加工成各种形状和结构，常用的有PLA和PGA。将软骨细胞接种于PGA纤维支架培养，可形成软骨性组织，最大体积达到1cm×0.35cm，形状与原支架相同。PLA在体内外均支持软骨细胞的生长，在体内形成的组织块与透明软骨色泽、结构相似。Grande比较了几种载体的作用，PGA促进蛋白聚糖的合成，但抗压性能较差；PLA与PLGA的雾化液喷注入PGA纤维网状支架，可增强其抗压能力，并减慢体内降解速度。复合牛软骨细胞植入裸鼠皮下形成透明软骨，并有一定的组织结构，载体的大小、外形决定新生软骨的形状。
    其它合成材料尚有生物活性玻璃、羟基磷灰石和碳纤维，在体外可支持软骨细胞的生长，植入体内可促进软骨下骨的修复，关节表面有透明软骨样组织形成。
三、骨组织工程
    骨组织工程的目的是修复创伤、肿瘤和感染所造成的大块（段）骨缺损，以恢复肢体功能。随着材料科学的发展，骨组织工程研究也有了长足的进步，目前这项技术在动物实验中已渐趋成熟，临床上在骨科及颌面外科开始应用。
骨组织工程技术的应用有两种基本方式。一种方式是将载体与信号因子在体外组装后植入体内，通过信号因子（生长因子）诱导体内间充质细胞分化为骨细胞而形成新骨。这方面国内报道很多。如去抗原小牛松质骨与BMP复合制成的重组合异种骨，已广泛应用于临床治疗骨不连与骨缺损取得满意疗效；HA或β-TCP与BMP复合修复骨缺；BMP与胶原复合后植入牙根缺损，可诱导牙周组织的牙骨质、牙槽骨新骨形成填充牙根缺损；将BMP与V型胶原以共价键结合，植入大鼠背阔肌袋，发现其有明显诱骨活性。另一种方式是采用体外细胞培养技术获得足够数量的成骨细胞，在体外与载体复合后直接或在继续培养一段时间后植入骨缺损部位进行修复。应用体外细胞培养技术，对于成骨细胞来源的选择是十分重要的理想骨组织工程中种子细胞应具备下列条件：①取材容易，对机体损伤小；②在体外培养中易定向分化为成骨细胞和具有较强的传代繁殖力；③植入机体后能适应受区的环境，并保持成骨活性。作为种子细胞的成骨细胞有骨、骨外膜、骨髓和骨外组织。缝合分析比较此4种成骨细胞来源的优缺点为：①取材方面，骨与骨膜需经手术取材，对机体损伤较大且供源有限；骨髓和骨外组织取材方便，且损伤小。②在细胞定向分化为成骨细胞方面，骨和骨膜较优，骨髓次之，骨外细胞较差；传代繁殖力均较高，但以骨髓基质细胞衰老最慢。③在植入机体后适应受区环境，保持成骨活性方面，骨膜在技术上已经成熟，且显示出良好的效果。上述几种成骨细胞来源均广泛用于实验研究。如Breitbant等将兔骨膜细胞经体外培养后，与可降解PGA基质复合修复颅骨大块骨缺损，4周时有骨岛形成，12周时大量骨组织覆盖缺损部位。Ohgashi等用Dex（地塞米松）处理大鼠骨髓基质细胞，使其成骨活性明显增强，与HA复合植入同系大鼠背部皮下，1周后即有新骨形成，2周后成骨明显。Vacanti等将小牛骨膜细胞种植于多层编织的PGA支架中，然后植入裸鼠体内，可通过软骨内骨化而形成新骨。将软骨和骨膜细胞合并移植，将二种细胞分别种植于载体中，然后缝合在一起，埋植于动物体内，发现种植骨细胞者只形成骨组织，而种植软骨细胞者仅能产生软骨，二者之间出现骨椚砉墙缑妗４送猓壳罢杓朴τ米橹こ碳际踅醒芑墓窃偕湓砦晒窍赴种灿谠ぶ拼艿俚纳锝到庠靥澹米飨赴妥爸谩Ｊ笛橹校律ヅ５墓悄は赴种灿诰酆衔镏Ъ苌希诙锾迥谂嘌?/FONT>2周后，再移植于小鼠右股动脉部位；6周后有软骨组织形成，以后10/12有新骨形成，骨化程度及骨形成密度随着植入时间延长及血管长入而增加，最终在血管蒂旁形成了有机骨小梁的新生骨组织。
    在骨组织工程中，用于体外诱导的靶细胞主要有兔与大鼠的骨髓基质细胞、兔骨膜细胞、鸡、小鼠和大鼠的颅顶骨细胞。常用的信号因子有BMP、PDGF、TGF-β和Dex等，其中BMP和Dex效果较肯定。常用的载体有HA、β-TCP、去抗原牛松质骨、胶原、脱钙骨基质、纤维素、聚氨基葡萄糖、石膏、PLA和PLA/PGA共聚物等。从骨组织工程的发展情况看，以BMP为主的信号因子已得到广泛应用并取得确定的效果，获取高浓度成骨细胞亦非难事，而材料科学是骨组织工程的主要制约因素。近来在材料科学方面也取得一些进展，如发现含有硅灰石和磷灰石的玻璃陶瓷覆盖一层磷灰石后，不仅强度增加，诱骨活性也有明显增强，在载体表面涂敷Vitronectin可使种植的细胞粘附和扩散能力增强。
    Breitbart将骨膜细胞与PGA材料复合，修复兔颅骨缺损，对新生组织进行组织学、生物化学及放射线检查，发现在新骨形成的各个阶段，新生骨组织的骨含量、胶原含量及放射线密度均大于对照组，12周时骨缺损处基本上被新生骨组织充填。
Casaboxa设计出一种“生物工程化预制皮瓣”，将经培养的骨髓细胞与羟基磷灰石复合后植入裸鼠预先制备的带血管蒂的骨阔肌皮瓣中，8周后组织学检查显示生物工程预制支瓣中有丰富的骨组织形成，血运丰富，细胞和材料复合体与皮瓣间形成良好的接触界面，使组织工程化新生骨组织，完成替代自体骨移植成为可能。
    转基因技术在骨组织工程也开始得到应用。本研究所正探索利用转基因技术使转基因细胞获得分泌rhBMP3的能力，这种内源性BMP可直接诱导基质细胞向成骨细胞分化，从而为组织工程的发展开辟了新途径。
四、肌腱组织工程
    当前尚无理想的材料可用于修复或替代肌腱和韧带。虽然碳称（filamentoue carbon）可用作纤维原性材料，但它不能满足修复组织的理想人工材料，理想的软组织人工修复材料应具有以下三项标准：力学性能应类似正常组织；纤维原性能（fibrogenic capalility）可诱发替代胶原（replacement collagen）；并可替胶原发展为正常形态特征。当前正从细胞培养等肌腱组织工程中解决修复肌腱和韧带的人工材料。（clin Orthop, 1985; 96:61）
    肌腱愈合存在内在愈合与外在愈合两种方式，其中外在愈合是粘连发生的病理基础。如何诱导和激发肌腱组织和细胞的内在愈合能力，同时抑制外在愈合，以减轻术后粘连，这是目前肌腱外科的研究重点，而组织工程是其方法之一。
肌腱组织工程中的功能细胞是腱细胞及腱膜细胞（滑膜细胞），此细胞在正常情况下增殖活性较低，损伤后肌腱表面的细胞表现出有丝分裂活性，而其中央部分反应较小。体外培养可获得增殖旺盛的腱细胞，合成胶原的能力也得到增强，从而可促进肌腱的愈合。有研究将小牛肩、膝部肌腱切下，剪成0.5cm大小的块，以酶消化12小时，以获取游离腱细胞，将其种植于条索状未编织之PGA网状支架，培养1周后植入小鼠皮下。结果6周后在支架四周排列着拉长的腱细胞，埋置于胶原纤维中，在中心部分显示有较多随意排列的腱细胞和细胞间支架结构；12周后可见完全与正常相同的腱细胞。在采用纵形结构的PGA载体中，6周就出现平行排列的腱细胞，较任意排列的网状标本更加整齐一致。生物力学测定，存在直线方向的牵拉应力，随时间而增强；8周时达到相同直径新鲜小牛肌腱拉力之30%，12周时达到57%。实验中还发现腱细胞极易贴附于各种聚合物，与未编织的PGA网状体似有更大的接触力。直线纵形植入物可更早生长平行排列的新生腱细胞。显然，如时间较长，最终都可产生同样的肌腱特殊结构形态。
可促进腱细胞增殖的生长因子有FGF、PDGF、IGF-1和EGF。所用的基体材料有PLA、PGA、聚丙烯腈（polyacrylonitrile）、碳纤维、聚酯、尼龙和玻璃纤维等。
五、神经组织工程
    随着分子生物学研究的深入，神经元细胞体外培养成功，对调节神经发育和再生的机制有所认识，确定了一系列神经营养因子，此后遂着手应用组织工程设计神经组织的修复方法。
对于中枢神经系统损伤，所用功能细胞为神经元细胞和胶质细胞，在周围神经损伤则主要用雪旺氏细胞，体外实验证明这些细胞均能存活，生长良好。
    可促进神经生长的神经营养因子有：神经生长因子（nerve growth factor, NGF）、睫状神经营养因子（ciliary neurotrophic factor, CNTF）、脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor, BDNF）和胶质细胞源性神经营养因子（glial cell line-derived neurotrophic factor, GDNF）。这些因子具有确定的促进神经生长的作用，可用基因工程方法合成，其使用方法有三种：通过聚合物基质材料释放，由聚合物微球包裹释放，由基因工程细胞释放。
    近期研究发现胰岛素样生长因子（inecelin-like growth factor, IGFs）与神经再生和突触重建具有十分密切的关系。IGFs包括IGF-1和IGF-2两种，其分子量分别为7649和7471，由3个双硫键交叉连接而成，与胰岛素有很大的同源性，二者的空间结构也很相似。身体中许多组织如中枢神经、肌肉和肝脏均可产生IGFs。
IGFs对神经再生的作用可归纳于下：
    IGFs对神经元的作用：Bothwell首先发现IGFs有利于轴突的生长（Neurosci Rec, 1982; 8:225）。在低浓度IGFs培养的胚胎感觉与交感神经细胞及新生的皮质神经元，可以提高其存活率，上述神经无的存活是处在非神经细胞存在的培养条件下，这就证明IGFs可直接作用于神经元。
IGFs促进轴突生长的作用：Kanye观察到局部应用IGF-I可以增加大鼠损伤坐骨神经再生感觉神经的距离。Glayner Neor等发现IGF-2具有促进受损伤的坐骨神经中感觉性和运动轴突的再生作用。
IGFs对突触形成的影响
    Glayner观察到神经损伤肌肉中IGF-2mRNA显著增加，是对照组的4倍，而在神经肌肉突触形成之后，开始下降。当切除一段神经后，IGF-2mRNA则持续维持较高水平，这表明IGFs参与了突触重建过程。
最近发现一些蛋白质分子具有引导轴索生长的作用。其中膜表面蛋白是通过细胞接触而发挥作用，为短距离作用蛋白，表现排斥作用和吸引作用；分泌蛋白可弥散，作用范围较广，具有化学排斥作用（chemorepellent）和化学吸引作用（chemoattractant）。目前发现有两大家族，即netrin家族和semaphorin家族。
    用于神经元细胞和神经胶质细胞移植的载体有聚合物N-（2-hydroxy-propyl）methacrylamide和胶原。
    目前这一领域研究比较活跃，有许多问题需要深入探讨。
组织工程是目前医学科学新发展的前沿，是可以同时促进许多学科发展的一门边缘学科。发挥众多学科的综合优势，既是发展它的前题，也是发展它的后果。在基础学科方面引向深入研究和探索，对于临床学科尤其令人鼓舞，它将改变人们对组织移植和器管移植的传统观念，进入修复重建和再造的崭新领域，将使医学治疗学出现一个革命性的进展。