藻酸钙的特性及在软骨组织工程的应用

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1、藻酸钙的特性及在软骨组织工程的应用【关键词】藻酸钙凝胶　　软骨缺乏血运，仅靠关节滑液提供大部分营养，因此软骨组织的自身修复能力极其有限，一旦损伤难以修复，继发的创伤性关节炎、关节退行性变、关节僵直将会导致严重的功能障碍。现代外科的发展实现了人类替换病损组织的梦想，用于替换病损组织的材料包括异种、同种异体、自体组织和人工合成材料，但是这些代替材料均有一定的局限性。1987年美国科学基金会在华盛顿举办的生物工程小组会上提出了“组织工程”这个名词，1988年被定义为“应用生命科学与工程科学的原理和方法，在可控、可重复的条件

2、下，通过哺乳动物、人类(包括患者本身）特定细胞在网络构架上的体外培养及体内移植，形成具有特定功能的组织和生物替代物”。因此，组织工程不仅要求合适的种子细胞，还需要合适的载体来携载种子细胞。藻酸钙是一种理想的携载软骨细胞的材料，它具有良好的生物相容性、可降解性〔1~5〕，除了能够提供细胞生长所需的三维生长支架外，还能创造类似软骨基质的环境，维持细胞的表型及其表达。　　1软骨组织工程支架的特性　　细胞外基质是细胞附着的基本框架和代谢的场所，其形态和功能直接影响着组织的形态和功能，其替代物的研究一直是软骨组织工程的关键。合

3、成或天然的基质支架为植入的细胞提供了依附的支架和可控制的环境，控制细胞的生长，并在植入时作为细胞的载体。理想的软骨组织工程基质支架应具有以下特性〔6〕：（1）具有良好的生物相容性，在体外培养时无细胞毒性，植入体内时不会引起机体炎症和排斥反应；（2）具有三维立体结构；（3）具有良好的表面活性，能促进细胞的粘附并为细胞在其表面的增殖提供良好的微环境；（4）具有生物可降解性；（5）具有可塑性。目前，常用于软骨组织工程的支架材料主要有2类，即合成高分子材料，如聚羟基乙酸、聚乳酸和两者的共聚物以及聚氧化乙烯等；天然高分子材料，

4、如胶原、壳聚糖、藻酸盐、透明质酸、纤维蛋白以及琼脂糖等。天然高分子材料按形态可分为预制成形的三维多孔支架和水凝胶材料。　　2水凝胶在软骨组织工程中的应用　　水凝胶是一类在水中溶涨并保持大量水分而又不溶解的聚合物，通过改变温度、酸碱度、经紫外线照射或者加入交联剂等方法，可使水凝胶由液态转变为固态并可任意塑形。利用这一特点，以水凝胶负载软骨细胞通过关节镜注入软骨缺损区并在原位凝胶化，可以最小限度的减少创伤，符合现代微创手术的要求，且不受软骨缺损形状、大小和深度的限制；与预制成形的多孔支架相比，软骨细胞和基质在水凝胶中分布

5、更为均匀，凝胶化后可以减少细胞从多孔支架的逸出〔7〕，且不受材料厚度的影响。因此水凝胶类材料在修复软骨缺损中具有独特的优势。藻酸钙是一种理想的水凝胶载体材料，广泛应用于医学领域。　　3藻酸钙的物理化学特性　　藻酸钙来源丰富，价格低廉，无毒无气味，具有可吸收性、可注射性和良好的生物特性，在生物医用领域得到广泛应用，已经美国FDA批准成功地应用于药物剂型研制、伤口敷料及食品工业中的浓缩剂和乳化剂，也是口腔修复科中常用的塑形材料。　　藻酸钙是由不同数量的古洛糖醛酸和甘露糖醛酸形成的多聚糖，它不仅在2种单体的数量上多种多样，

6、而且在排列序列上也是不同的。由离子交联形成的藻酸钙凝胶的物理特性决定于多聚糖的组成、序列和聚合物的分子大小〔9~10〕。藻酸钙的强度随藻酸钠和氯化钙浓度的不同而改变。藻酸钙凝胶多聚体中有4种二聚体序列结构，即Fgg，Fmg，Fmm和Fgm(G=古洛糖醛酸，M=甘露糖醛酸），藻酸钙凝胶的弹性与其二聚体的含量相关〔9〕。如果古洛糖醛酸的量超过总量的70％，就能使形成的藻酸钙凝胶具有最低的皱缩、最高的力学强度、高孔隙率以及在一价离子溶液中较高的稳定性〔7〕。血清蛋白在藻酸钙凝胶中的扩散与甘露糖醛酸和古洛糖醛酸的量有关，古洛

7、糖醛酸聚合链的强度比甘露糖醛酸聚合链的强度大，而两者的强度又比古洛糖醛酸和甘露糖醛酸交替聚合链的强度大，而高强度的古洛糖醛酸片段不利于形成藻酸钙凝胶的相邻链靠在一起，因此分子间的溶质的运输随古洛糖醛酸的量的增加而增加。当有钙离子鏊合剂如枸橼酸盐、乙二胺四乙酸、磷酸盐等去除钙离子后，凝胶会很快溶解〔12〕。藻酸钙凝胶可以在pH78的条件下完全溶解在01mol/L的柠檬酸钠溶液中，低含量的古洛糖醛酸或低分子量的藻酸钙凝胶在柠檬酸钠溶液中的溶解更快。　　4藻酸钙凝胶的形成机理及方法　　藻酸钙凝胶包裹细胞的技术，广泛应用于细

8、胞的培养、植物的微组织繁殖、杂交瘤抗体的生产，以及动物细胞的移植等〔12〕。虽然各种方法的应用对藻酸钙凝胶的理化性质有不同的要求，但其形成机理是一样的。　　41藻酸钙凝胶的形成机理　　海藻酸及其衍生物是一种从海洋褐色藻类中提取的亲水性胶态多糖类聚合物，它是自然界β(1，4）D甘露糖醛酸和α(1，4）L古洛糖醛酸的线性高分子化合物。每个海藻酸及其