生物材料具有悠久的发展历史。早在公元前3500年，人类就利用天然物质和材料修复受损的组织。目前常用的生物材料是指能够以一种安全、可靠、经济且生物相容的方式在结构或功能上代替身体部分组织或器官的功能。其中医用高分子材料是生物材料的一个重要组成部分，是一类用于诊断、治疗和器官再生的材料，具有延长病人生命、提高病人生存质量的作用，是材料、化学、生命科学和医学交叉的前沿发展领域。
浙江大学组织修复与再生医用高分子材料课题组长期致力于组织工程与再生医学材料、梯度材料调控细胞迁移、纳米与胶体生物材料及其与细胞的相互作用等研究。指导思想是采用材料和化学的手段和技术解决组织修复和再生的基础和应用问题，提供用于皮肤、软骨、骨、血管和神经等治疗的材料与技术，以及用于药物传递的载体及其生物医学功能。
组织工程与再生医学材料随着二十一世纪的到来，人类在享受现代文明成果的同时也令生命健康承受更大的压力与风险。骨、软骨、肌腱、韧带等组织器官的损伤逐年增长，特别是各种退行性疾病呈现早龄化的趋势。人体大部分组织器官的自发再生能力较差，一旦受损则需要进行修复或替换。传统的器官移植治疗正面临越来越严重的供体短缺问题。再生医学则致力于发展创新药物及治疗手段，实现受损或病变组织器官的生理性修复（或至少部分修复）和功能重建，组织工程是其中一种典型的治疗策略。组织工程技术综合应用工程学和生命科学的原理，包含支架、细胞、生长因子三要素，构建具有生物活性的替代物，用以修复、维持或改善人体组织甚至整个器官的功能。课题组经过多年的探索，发展出基于聚（乳酸-羟基乙酸）共聚物（PLGA）支架的软骨再生材料和胶原壳聚糖支架的皮肤修复材料。
1、软骨修复材料
关节软骨覆盖在长骨的两端，在人体运动过程中，发挥着负重和减少关节面摩擦等诸多作用。然而在日常活动以及运动过程中产生的高能量冲击会导致软骨及软骨下骨的破裂，软骨的损伤会使人体在运动过程中产生很大的疼痛感，严重影响人的生活。然而软骨组织中缺乏血管和神经，因此软骨的自我再生能力十分有限，一旦软骨受到较大的损伤则难以自我修复。所以，需要一类能够有效促进软骨修复再生的材料。
图1 PLGA/纤维蛋白凝胶/MSCs/TGF-β1复合支架
课题组已毕业的多位博士在此方向开展了10余年的持续研究。尤其是王玮博士和李博博士通过模拟天然软骨细胞外基质微环境，采用水溶性的明胶作为致孔剂制备了PLGA多孔支架，然后将纤维蛋白凝胶导入到PLGA多孔支架中得到复合支架；该支架与骨髓间充质干细胞（MSCs）、转化生长因子-β1（TGF-β1）结合后可以有效实现全层软骨缺损的再生性修复（图1）。随着对人体结构和功能认识的不断提高，对组织修复与再生材料的思考也在逐渐深入。组织诱导再生材料可以在不加入细胞的情况下，利用材料与机体的相互作用原位诱导组织修复细胞向材料内容迁移、生长、分化，一定程度上实现组织的修复和再生。代元坤博士生制备了一种纤维蛋白大孔凝胶支架（图2），无需预先种入任何细胞，即可有效原位诱导全层软骨缺损的修复。
图2 纤维蛋白大孔凝胶支架的制备
2、皮肤修复材料皮肤是脊椎动物最大的器官，分为表皮层、真皮层和皮下组织三部分，具有很多重要的功能，如保护内部器官、调节体温、作为渗透屏障保持体内水盐平衡、对温度、压力、疼痛变化进行识别等。由于大面积暴露于外界环境，皮肤极易因机械损伤和烧伤而造成缺损。轻度的皮肤缺损如表皮的缺损不需要特别的治疗，但是当缺损延伸到真皮层或全层缺损时皮肤难以自发再生，通常只能通过一定程度的瘢痕化实现基本的创面封闭。然而瘢痕化修复是由一个以美学和功能缺陷为代价的“自我保护”机制，通过创面边缘的收缩以尽快闭合创面，防止感染和更严重损伤。马列博士及其领导的团队设计了胶原-壳聚糖/硅胶膜双层真皮替代物，能够有效的诱导缺损真皮组织的原位再生（图3）。
图3 胶原-壳聚糖/硅胶膜皮肤替代物
梯度材料调控细胞迁移与梯度分化无论是体外培养的细胞还是体内的细胞，细胞迁移时时刻刻都在发生。在人的生命过程中，细胞迁移始终发挥着重要的作用，它参与了胚胎形成、伤口愈合、免疫反应等生理过程，也与肿瘤转移紧密相关。体内细胞定向迁移是在体内生物、化学或物理的梯度信号作用下发生的。在再生医学和组织工程中，细胞迁移是至关重要的一个步骤，特别是在生物材料原位诱导组织再生中，首先需要体细胞或干细胞迁移到材料中，然后才能发生进一步的增殖和分化，分泌所需的细胞外基质，产生功能性结构，最终达到组织再生的目的。
图4 表面亲水高分子PHEMA和多肽YIGSR互补梯度调控内皮细胞（ECs）定向迁移
任探琛博士利用表面引发原子转移自由基聚合（SI-ATRP）和点击化学（Click chemistry）技术制备了聚甲基丙烯酸羟乙酯（ PHEMA）和层粘连蛋白衍生多肽（YIGSR）互补密度梯度的材料。YIGSR与内皮细胞表面的67kD层粘连蛋白结合蛋白（67LR）的特异性相互作用可以选择性促进内皮细胞向YIGSR密度大的方向迁移（图4）。当干细胞迁移到缺损组织处后，干细胞的分化对于组织的再生则具有很重要的作用，在原位诱导组织再生过程中，需要材料能够将募集得到的干细胞有效的分化为特定的细胞，促进组织的再生。朱旸硕士通过梯度氨解的方法在生物降解高分子子PCL膜表面得到一层梯度密度的氨基基团，然后将具有诱导成骨分化的阿仑膦酸钠（Aln）分子通过戊二醛（GA）偶联到材料表面。在Aln密度较高的区域，骨髓间充质干细胞（BMSCs）更多向成骨分化，而在密度较低的区域则没有出现明显的成骨分化行为（图5）。
图5 阿仑膦酸钠（Aln）调控骨髓间充质干细胞（BMSCs）梯度分化纳米与胶体生物材料及其与细胞的相互作用1、胶体颗粒与细胞相互作用胶体微粒的大小涵盖了尺寸从1纳米到几微米的广阔范围，其可以由单个大分子（如树枝状分子）、分子聚集体（如胶束）、单个小微粒或者是小微粒的聚集体等组成。其中聚合物胶体微粒因其良好的生物相容性与可降解性较早地被用作载体应用于生物医学领域。胶体微粒在生物学和医学领域的应用不可避免地涉及到微粒与细胞的相互作用。细胞吞噬微粒（胞吞）过程打开了细胞内外物质、能量与信息交流的窗口，是完成一系列生理反应活动必不可少的一个环节。微粒的尺寸、形状、表面化学成分以及力学性能等因素均会影响微粒与细胞的相互作用。于大海博士等在生物降解高分子PLGA微粒表面修饰不同物质，得到了具有不同表面电荷、靶向效果以及响应性的微粒，并且研究了这几类PLGA微粒进入细胞的方式以及微粒对于细胞存活率、增值率、粘附、迁移等行为的影响（图6）。
图6 胶体微粒的性质影响细胞对微粒的吞噬（胞吞）行为，进而影响细胞的活性和功能
2、聚合物微胶囊微胶囊是在成膜物质的存在下，将三维空间分为内部空腔和外环境的具有三维特定几何结构的材料，其内部可以是中空的或者填充有物质的。微胶囊的特色在于能够保护或隔离囊内空间的具有高反应活性、敏感性或易挥发性的液体与固体等被包埋物，在生活和医疗实践中有着广泛的应用。而基于模板法，以层层自组装（ LbL）技术制备的聚电解质多层膜微胶囊备受关注，其大小、形状均可由模板决定，结构和性能高度可控，组装单元和驱动力灵活可变。这种微胶囊可以装载各种药物分子，降低药物的毒副作用，保护脆弱的药物分子免遭环境中酶或者酸性的降解，且能将所装载药物靶向传递至病灶部位，以一定速率释放药物。但是在微胶囊作为药物载体进入人体内时，需要面临复杂的生物环境，狭窄的毛细血管尺寸所造成的物理障碍便是其中之一。因此研究聚电解质多层膜微胶囊在受限空间中的形变和恢复行为对于微胶囊在体内的传送具有重要的意思。佘书鹏博士以两面凹的碟形Ca(OH)2微粒作为模板，采用层层自组装的方法，制备了一种在大小、形状和功能上都与红细胞相似（RBC-like）的多层膜微胶囊；研究了这种微胶囊在狭窄的玻璃毛细管中流动时的形变过程（图7）。此外，通过在碟形胶囊上额外组装血红蛋白，赋予了RBC-like 微胶囊携带氧气的功能。
图7 仿红细胞结构中空微胶囊具有更好的形变恢复能力
疾病与组织损伤伴随人类生存的所有过程。我们的目标就是致力于研究与解决相关组织修复与再生材料的基础科学问题和关键技术，培养具有国际视野的创新人才，为相关领域提供设计原理、关键技术和工程应用等支持。
