組織工程（Tissue Engineering）是近年來正在興起的一門新興學(xué)科，組織工程一詞最早是由美國國家科學(xué)基金會1987年正式提出和確定的。它是應(yīng)用生命科學(xué)和工程學(xué)的原理與技術(shù)，在正確認(rèn)識哺乳動物的正常及病理兩種狀態(tài)下結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的基礎(chǔ)上，研究、開發(fā)用于修復(fù)、維護(hù)、促進(jìn)人體各種組織或器官損傷后的功能和形態(tài)生物替代物的科學(xué)。
組織工程的核心就是建立細(xì)胞與生物材料的三維空間復(fù)合體，即具有生命力的活體組織，用以對病損組織進(jìn)行形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能的重建并達(dá)到永久性替代。共基本原理和方法是將體外培養(yǎng)擴(kuò)增的正常組織細(xì)胞，吸附于一種生物相容性良好并可被機(jī)體吸收的生物材料上形成復(fù)合物，將細(xì)胞-生物材料復(fù)合物植入機(jī)體組織、器官的病損病分，細(xì)胞在生物材料逐漸被機(jī)體降解吸收的過程中形成新的在形態(tài)和功能方面與相應(yīng)器官、組織相一致的組織，而達(dá)到修復(fù)創(chuàng)傷和重建功能的目的。
在此，生物相容性好、可被人體降解吸收的組織工程支架材料稱為細(xì)胞外基質(zhì)（ECM），其功能是為細(xì)胞提供生存空間，使細(xì)胞獲足夠的營養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)行氣體交換，并使細(xì)胞按預(yù)制形態(tài)的三維支架生長。在細(xì)胞和生物材料的復(fù)合體植入機(jī)體病損部位后，生物支架被降解吸收，但種植的細(xì)胞繼續(xù)增殖繁殖，形成新的具有原來特殊功能和形態(tài)的相應(yīng)組織器官。
組織工程是繼細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)之后，生命科學(xué)發(fā)展史上的又一新的里程碑，它標(biāo)志著醫(yī)學(xué)將走出器官移植的范疇，步入制造組織和器官的新時代。同時，組織工程學(xué)作為一門多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科，將帶動和促進(jìn)相關(guān)高技術(shù)領(lǐng)域的交叉、滲透和發(fā)展，并由此演化出新的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。組織工程將是21世紀(jì)具有巨大潛能的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，必將產(chǎn)生巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。
組織工程的概念一提出，就受到各國學(xué)者的廣泛關(guān)注，美國在1988年就以基金和資助的形式建立了一系列實驗室。目前，美國已有相當(dāng)數(shù)量的研究機(jī)構(gòu)（包括NASA、DOE、NIH等），許多相關(guān)大學(xué)（包括MIT、HMS、GIT、UCSD、UMASTFFU）都參與了組織工程的研究。同時，我國的許多學(xué)者以敏銳的科研意識與思維，不約而同掀起了一股組織工程熱，目前已在軟骨、骨、肌腱、血管、皮膚、角膜等領(lǐng)域取得了可喜的進(jìn)展。組織工程研究包括以前四個方面。
一、種子細(xì)胞研究
種子細(xì)胞的培養(yǎng)是組織工程的基本要素，細(xì)胞主要來源于自體、同種異體、異種組織細(xì)胞等。自體組織細(xì)胞應(yīng)為首選。由于組織工程細(xì)胞培養(yǎng)多需要高濃度的細(xì)胞接種，自體組織細(xì)胞存在著數(shù)量上的局限性及長期傳代后細(xì)胞功能老化的問題�，F(xiàn)在的研究多集中于以下的幾個方面：
1．載體等技術(shù)用于細(xì)胞的快速增殖。
2．干細(xì)胞工程 干細(xì)胞工程是利用現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)和組織工程技術(shù)，通過對間充質(zhì)干細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞、血管-造血干細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞和皮膚、肌肉等前體細(xì)胞，進(jìn)行體外分離純化、定向誘導(dǎo)分化、轉(zhuǎn)基因及核移植、大量擴(kuò)增和整合構(gòu)建，在體外重構(gòu)人骨、軟骨、肌肉、肌腱、瓣膜、脂肪、真皮、基質(zhì)、神經(jīng)、血管、皮膚、角膜以及造血和免疫等組織。它作為組織工程的“上游”研究，對未來的組織器官修復(fù)和替代具有極其重要的作用和深遠(yuǎn)的影響。在組織器官的細(xì)胞來源、細(xì)胞擴(kuò)增與定向誘導(dǎo)分化、重構(gòu)組織器官的種類、重構(gòu)效率、重構(gòu)組織器官的植入等方面，與傳統(tǒng)的組織工程相比均存在著明顯的不同和優(yōu)勢。其中骨髓基質(zhì)干細(xì)胞是一研究熱點。
3．采用各種生長因子和斷粒酶調(diào)節(jié)與延緩細(xì)胞的老化。
4．采用各種方法（包括自身轉(zhuǎn)化、化學(xué)、物理、病毒等方法）誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生轉(zhuǎn)化，使其倍增時間減少，永生化或生命期延長，也是一個努力方向。
但是要建立適于組織工程需要的種子細(xì)胞，需要解決以下問題：①增加細(xì)胞的增殖能力；②延長細(xì)胞的生命期；③提高細(xì)胞的分泌能力；④優(yōu)選不同組織來源的同一功能的最佳細(xì)胞；⑤建立標(biāo)準(zhǔn)細(xì)胞系，使研究工作有更好的可比性和科學(xué)性；⑥同種異體與異種移植的免疫學(xué)；⑦細(xì)胞與人工細(xì)胞外基質(zhì)的相互作用及影響因素。
采用同種異體細(xì)胞來源，在目前僅對少數(shù)組織細(xì)胞（如軟骨組織的組織工程培養(yǎng)）有望獲得成功。
二、細(xì)胞外基質(zhì)的研究
細(xì)胞外基質(zhì)（extracelluarmatrix,ECM）包括均質(zhì)狀態(tài)的基質(zhì)（蛋白多糖、糖蛋白）和細(xì)絲狀的膠原纖維。ECM是細(xì)胞附著的基本框架和代謝場所，其形態(tài)和功能直接影響所構(gòu)成的組織形態(tài)和功能。
理想的ECM應(yīng)具有以下特點：①生物相容性好，在體內(nèi)不引起炎癥反應(yīng)和毒性反應(yīng)；②有可吸收性，能徹底地被自身組織所取代；③有可塑性，可塑為任意的三維結(jié)構(gòu)，植入后在體內(nèi)仍可保持特定形狀；④表面化學(xué)特性和表面微結(jié)構(gòu)利于細(xì)胞的粘附和生長；⑤降解速率可根據(jù)不同細(xì)胞的組織再生速率而進(jìn)行調(diào)整。
目前組織工程所應(yīng)用的材料很多，主要分為以下幾類：
1．天然ECM早期人們采用膠原制作人工皮和血管的模型，由于膠原存在著力學(xué)性質(zhì)差，不穩(wěn)定，在體內(nèi)被吸收過快等缺點，限制了它的應(yīng)用�，F(xiàn)在主要研究集中于采用脫細(xì)胞技術(shù)制造天然的ECM，其優(yōu)點在于可以作為組織充填物而長期存在，有較好的組織相容性和親和性，完整的天然ECM內(nèi)可能存在著某些復(fù)合生長因子，可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長、繁殖、分化等。
2．人工的ECM目前研究最多訂有聚乳酸（polylacticacidPLA）、聚羥基乙酸（polyglycolicacidPGA）、兩者的共聚物（PGA-PLA）、聚ρ-羥基丁酯（PHB）；聚乳酸-已內(nèi)酯的共聚物（PLC）、聚原酸酯、聚磷本酯、聚酸酐等。這些材料的共同特點是：具有生物相容性及可塑性，在體內(nèi)可逐步分解為小分子如乳酸、羥基乙酸等，目前研究主要集中于人工材料的改性、復(fù)合某些生長因子等。盡管這些聚合物植入體內(nèi)會出現(xiàn)或多或少炎癥反應(yīng)，但有望通過進(jìn)一步的純化而減弱或消失。
3．天然高分子同合成高分子的復(fù)全物 如膠原-PCA的復(fù)合特等。
4．有機(jī)材料同無機(jī)材料的復(fù)合物
如羥基磷灰石-甲殼素的復(fù)合物，羥基磷灰石-PLA的復(fù)合物等。
三、組織器官的構(gòu)建
組織和器官的構(gòu)建因應(yīng)用于不同的方面，方法也不相同。但其本質(zhì)都是把種子細(xì)胞與支架材料結(jié)合得到設(shè)計的組織或器官。在此，僅以組織工程骨的構(gòu)建和血管的構(gòu)建為例。
1．骨組織構(gòu)建
構(gòu)建組織工程骨的方式有幾種：①支架材料與成骨細(xì)胞；②支架材料與生長因子；③支架材料與成骨細(xì)胞加生長因子。
生長因子通過調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化過程并改變細(xì)胞產(chǎn)物的合成而作用于成骨過程，因此，在骨組織工程中有廣泛的應(yīng)用前景。常用的生長因子有：成纖維細(xì)胞生長因子（FGF）、轉(zhuǎn)化生長因子（TGF-ρ）、胰島素樣生長因子（IGF）、血小板衍化生長因子（PDGF）、骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）等。它們不僅可單獨作用，相互之間也存在著密切的關(guān)系，可復(fù)合使用。目前國外重點研究的項目之一，就是計算機(jī)輔助設(shè)計并復(fù)合生長因子的組織工程生物仿真下頜骨支架。有人采用rhBMP-膠原和珊瑚羥基磷灰石（CHA）復(fù)骨誘導(dǎo)性的骨移植、修復(fù)大鼠顱骨缺損，證實了復(fù)合人工骨具有良好的骨誘導(dǎo)性和骨傳導(dǎo)性，可早期與宿主骨結(jié)合，并促進(jìn)宿主骨長大及新骨形成。用rhBMP-膠原和珊瑚復(fù)合人工骨修復(fù)兔下頜骨缺損，結(jié)果顯示：
2個月時，復(fù)合人工骨修復(fù)缺捐贈 的交果優(yōu)于單純珊瑚3個月時，與自體骨移植的修復(fù)交果無明顯差異。
目前，用組織工程骨修復(fù)骨缺損的研究，已從取材、體外培養(yǎng)、細(xì)胞到支架材料復(fù)合體形成等都得到了成功。有人用自體骨髓、珊瑚和rhBMP-2復(fù)合物修復(fù)兔下頜骨缺損，結(jié)果表明：術(shù)后3個月，單獨珊瑚組及空白對照組缺損未完全修復(fù)；珊瑚-骨髓組和珊瑚-rhBMP-2組及單獨骨髓組已基本修復(fù)了缺損；而骨髓、珊瑚和rhBMP-2復(fù)合物組在2個月時缺損即可得到修復(fù)。我們用骨基質(zhì)成骨細(xì)胞與松質(zhì)骨基質(zhì)復(fù)合物自體移植修理工復(fù)顱骨缺損的動物實驗，也取得了滿意的治療效果。
帶血管蒂的骨組織工程是將骨細(xì)胞種植于預(yù)制帶管蒂的生物支架材料上，將它作為一種細(xì)胞傳送裝置。我們將一定形狀的thBMP-2、膠原、珊瑚復(fù)合物植入狗髂骨區(qū)預(yù)制骨組織瓣，3個月時，復(fù)合物已轉(zhuǎn)變成血管化骨組織。
組織工程骨的構(gòu)建又可以分為體內(nèi)構(gòu)建和體外構(gòu)建兩種形式，體內(nèi)構(gòu)建是將成骨細(xì)胞-支架復(fù)合物植入體內(nèi)，修復(fù)骨缺損。體外構(gòu)建則是通過體外組織培養(yǎng)的方法應(yīng)用水降解支架材料，接種成骨細(xì)胞，構(gòu)建骨組織。體外構(gòu)建雖然具有一些在體內(nèi)構(gòu)建難以實現(xiàn)的優(yōu)點，但是在傳統(tǒng)的靜態(tài)培養(yǎng)條件下不能建造出厚度大于0.7cm的骨組織。生物反應(yīng)器和灌注培養(yǎng)系統(tǒng)的先后出現(xiàn)，改善了細(xì)胞、組織在體外培養(yǎng)的條件，有助于模擬體內(nèi)環(huán)境、獲得營養(yǎng)、排除代謝產(chǎn)物和物質(zhì)交換，和促進(jìn)組織工程產(chǎn)品實現(xiàn)商品化。
2．組織工程血管構(gòu)建
構(gòu)建組織工程血管有兩種：①用正常動脈壁細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)重建血管；②用正常血管壁細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)和可降解材料構(gòu)建血管。
血管壁中切取彈性基膜，并在其上培養(yǎng)鼠動脈平滑肌細(xì)胞；或用工型膠原制備基質(zhì)材料與各型血管壁細(xì)胞成分合成血管模型。首先將平滑肌細(xì)胞與成纖維細(xì)胞分別培養(yǎng)形成細(xì)胞層，將成纖細(xì)胞層脫水去細(xì)胞形成內(nèi)膜（IM），再將內(nèi)膜繞在中軸上，外裹平滑肌細(xì)胞和成纖細(xì)胞層，經(jīng)過體外8周長時間成熟后，內(nèi)壁注入內(nèi)皮細(xì)胞使之內(nèi)皮化。各項檢測及動物實驗，結(jié)果從機(jī)械強(qiáng)度、血液相容性、可縫合性等方面效果滿意。但整個制備過程需長時間的成熟期，約需3個月作用，其后期效果有待進(jìn)一步觀察。
由于生物基質(zhì)材料機(jī)械性能差，隨著可降解材料的研究深入，使其成為組織工程再造血管的一大熱點材料，常用的有聚羥基乙酸（PGA）、聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PLLA）等。Kim在PGA網(wǎng)格中，通過靜態(tài)、動態(tài)、旋轉(zhuǎn)接種三種方法種植平滑肌細(xì)胞，培養(yǎng)血管平滑肌組織。N iklason將平滑肌細(xì)胞種植于管狀PGA材料中，在模擬血管搏動的環(huán)境中培養(yǎng)8周，使之形成成熟的平滑肌組織，內(nèi)膜層接種內(nèi)皮細(xì)胞后，再在相同的環(huán)境中培養(yǎng)8周，形成的組織工程血管可耐受2000mmHg壓力，縫合強(qiáng)度達(dá)90g，膠原含量達(dá)50%。
血管模型對特定藥物具有收縮反應(yīng)，平滑肌細(xì)胞還表現(xiàn)出分化特性。
組織工程再造血管具有高度生物相容性、可塑性、異物反應(yīng)小、無致血栓生成、無感染等特點，并且隨著組織的長大，最終可成為完全說明書義上的自體血管。這一研究將給心血管疾病的治療，乃至組織器官的移植與再造帶來曙光。
四、組織工程臨床應(yīng)用
組織工程中臨床應(yīng)用是在組織構(gòu)建完成了動物試驗之后，在人體上的應(yīng)用，這也是組織工程的最后一步。目前，組織工程的研究只有活性皮膚達(dá)到了這一步。