組織工程其基本原理和方法是將體外培養擴增的正常組織細胞吸附于生物相容性良好并可被機體吸收的具有一定三維結構的生物材料上形成復合物，細胞在生物材料逐漸被機體降解吸收的過程中形成新的具有形態和功能的相應組織、器官，達到修復組織和重建器官的目的[1]. 其中，為細胞再生提供生長和發育的三維空間復合體就是組織工程支架，它為細胞提供了獲取營養、氣體交換、排泄廢物和生長代謝的場所，也是形成新的具有形態和功能的組織、器官的物質基礎[2]. 因此設計制備綜合性能優良的組織工程支架對組織和器官的修復和再生有著重要的意義。

聚合物纖維集合體構成的紡織結構具有良好的三維結構和力學性能，恰好能夠滿足組織工程支架的多孔結構和支撐性能，因此適宜用作設計組織工程支架。 大量細長柔軟材料的聚集體擁有其他結構所不可替代的優良特征，它具備“剛柔并濟”的黏彈特性[3],這點恰與柔韌的人體組織特性相似。 因此，高分子材料在醫療領域中有著廣泛的應用，特別是伴隨著再生醫學領域的發展和進步，紡織結構聚合物集合體的應用得到了逐步的推廣和加深。 以紡織成型手段分類，織物結構可以分為機織、編織和針織 3 大類，且各具特色。 這3 種結構可以輔助組織工程支架的設計，用以模仿不同的組織性能，從而制造出不同性能的人工組織、器官或假體[4,5]. 近幾年的研究同樣也顯示了織物增強的結構在軟骨、韌帶、血管、神經導管等方面具有良好的應用潛力和前景[6,7]. 本綜述主要針對目前在組織工程研究中，涉及應用到的一些高聚物時的宏觀結構設計思路和性能表現進行討論，為組織工程支架的研發設計者們提供一些參考。

1 材料的選擇

支架材料是構建組織工程支架的本體，其選擇是決定支架性能最直接的因素，因而原料應當具備以下性質。 首先，原料應該具有良好的生物相容性和無免疫原性，這點直接決定了細胞在上面黏附、分化、生長的難易程度[8]. 其次，應當考慮原料的基本力學性能和可塑性，因為材料需加工成一定三維形態才能夠支持活細胞生長[9]. 除此之外，原料的降解行為也是必須考慮的因素。 適當的降解時間能夠恰當的配合組織的發育，有時支架材料還要擔負局部給藥的任務，材料的降解產物也會對不同的組織細胞產生影響[10]. 最后，材料的成本、易處理性也是設計時需要考慮的因素[1].

目前，組織工程支架材料可以分為無機材料和有機高分子材料以及它們的復合體，有機材料包含人工高分子材料、天然大分子材料、脫細胞基質[11,12]. 其中脫細胞基質在使用時需考慮其來源不足、免疫原性等問題。 天然大分子材料由于機械性能不足，在設計組織工程支架中常作為改善支架的生物相容性涂層或者覆膜存在[4,5]. 通過紡織手段加工的主要是人工高分子材料。 人工可降解高分子材料以其良好的機械性能和安全性高的優勢，成為組織工程支架設計中主要考慮的一類材料。 這類人工合成材料不僅易成型，且能夠通過原料合成和后處理工藝的控制原料的降解行為，能夠對降解速率、時間進行調控和設計[13]. FDA目前已批準的可用于體內可降解高分子聚合物有聚乳酸（ PLA）[14]、聚羥基乙酸酯（ PGA）[15]、聚（ ε-己內酯） （ PCL）[16,17]、聚羥基丁酸酯（ PHB）[18]及它們的嵌段共聚物[19]. 表 1 列出常用于組織工程支架構建的一些原料的基本性能和參數。

2 紡織結構與特點及其應用

2. 1 機織

傳統機織結構的紡織品是由 2 組相互垂直的紗線系統（ 經紗、緯紗） 按照一定規律上下相互交疊而形成的柔軟片狀體。 在織造過程中可以通過對紗線系統的交疊規律、紗線的張力進行控制，從而達到調控織物的孔隙率、表觀形貌、幾何特征的目的（ 圖 1（ a） ,1（ b） ,1（ c） ） . Liu 等[26]使用蠶絲機織物為增強結構，復合多孔絲素蛋白制備血管支架并負載了抗凝血藥物，得到了兼具生物力學和生物相容性的血管支架。

傳統機織物的優勢在于其輕質、強韌，但織物的結構穩定性較差。 為了解決這一問題，可以在傳統機織物的中引入更多系統不同角度交疊的紗線。 現在的工藝可以進行多層織物的三維編織，即在交疊的單層織物中引入一組垂直于織物平面的紗線，在交疊的各層中形成聯系，形成具有一定厚度和結構穩定性的三維機織物（ 圖 1（ d） ,1（ e） ,1（ f） ） . 這樣的三維結構通常具有較高的支撐力和壓縮模量，為細胞的培養和組織的生長提供一定的支撐作用，在骨組織工程支架的研究中有一定的應用。 Moutos 等[16,17]將這種結構用于軟骨組織的培養中以治療骨缺損或骨關節炎損傷。 研究發現，在整個培養期間，復合結構的支架表現出對于脂肪干細胞向軟骨細胞分化具有良好的促進作用，同時支持富含膠原蛋白的細胞外基質的合成，保持類似于天然軟骨的性能。 經過 PCL 三維機織織物增強的組織工程支架表現出良好尺寸穩定，不易收縮，在培養的整個過程中具有較高的壓縮和剪切模量。 Abrahamsson 等[16]同樣將 PCL 三維機織結構的支架用于骨組織工程中，45 天培養后組織工程產物的機械性能（ 壓縮模量、楊氏模量、剪切模量） 具有和天然關節軟骨相同的數量級。

Valonen 等[17]在同一時間也進行了相似的研究，所不同的是，他們比較了 2 種不同機織密度的三維支架在進行組織培養后的性能，實驗結果顯示，高密度的織物具有更高的力學強度，在振蕩生物反應器中培養 21 天之后，可以獲得結構接近正常的關節軟骨的組織。 使用兩種密度的織物進行組織培養，經檢測，DNA、膠原蛋白、葡萄糖胺聚糖（ GAG） 等生物組分的含量基本一致。在設計組織工程支架時，在需要較強支撐力和耐磨性能的部位，如骨組織工程，考慮使用三維機織結構，因為該結構穩定不易變形，具備較高的沖擊模量和楊氏模量。 但同時，此結構彈性較差，剛性大，所以目前僅用于骨的修復。

2. 2 編織

典型的二維編織是由攜紗器在相互蜿蜒交叉的軌道盤上運動，其中一組攜紗器沿軌道盤順時針方向運動，另一組攜紗器沿軌道盤逆時針方向運動，這就使得攜紗器上的紗線產生相互交錯交叉，在卷繞機構豎直提取作用下，最終就形成了紗線交織角小于 90°的連續管狀編織物（ 圖 2（ a） ,2（ b） ） . 這樣的結構特別適宜結締組織和血管的生長。 與針織物相比較，編織結構制備的管狀支架具有較高的徑向支撐能力，且編織物的孔隙率要低于針織結構的試樣。 多步編織法制備出來的結構是唯一一種可以抵抗沿平面和垂直于平面的彎曲、剪切力，同時它也可以承受扭轉和來自內部的壓力[27]. 平面的編織結構可以提供類似于天然韌帶的分層結構，同時還具備較高的抗張強度，使得這種結構非常適宜做肌腱和韌帶的修復 （ 圖2（ d） ,2（ e） ） .Cruz 等[28]使用聚酰胺 6. 6 纖維為原料，使用多根復絲編織紗作為芯紗，外部使用編織結構將這些芯紗固定，形成如圖 2（ d） 所示的結構，作為人工韌帶支架。 這樣的多級結構與天然韌帶的結構極為相似。 力學性能方面同樣可以很好的模仿天然肌腱。 Cooper 等[29]將編織結構用于肌腱的再生中，他們的研究是以 10∶ 90 PLGA 的共聚物為原料，在三維編織機上通過控制編織角，以及每股紗線的根數，制備出多孔的（ 孔徑 175 ~ 233 μm）支架。 值得一提的是，在進行骨關節的設計時關節內采用較為松散的編織結構，而骨組織連接處采用緊密的編織結構（ 圖 2（ c） ） . 實驗表明該結構有利于韌帶組織的黏附生長，且這種復合構建體的初始機械性能與天然韌帶的非常相似。 隨后，該團隊又進行了以兔為模型的動物實驗，組織學和力學評價證明了此結構的組織工程韌帶具有優良的愈合和再生性，可作為受損韌帶的替換品[30].

Freeman 等[31]使用 PLLA 纖維進行加捻編織加工，比普通的編織方法能夠得到更高的孔隙率和更大的孔，結合聚乙二醇二丙烯酸酯水凝膠涂層，制備出特殊編織結構的人工前交叉韌帶。 該復合結構具有黏彈性，在 8 N 與 18 N 的載荷下應力松弛現象均不明顯，具有較好的力學保持性能。 同一時期，Walters 等[32]也使用相似的結構，獲得了與天然前交叉韌帶較為相近的機械性能的支架。 Lou等[33]使用不銹鋼和聚乳酸制成股線，在 16 錠的編織機上編織成三維支架，利用不銹鋼絲的導電率，在支架成型后用電化學的方法誘導羥基磷灰石沉積在編織結構的外側，形成一個具有三維復合結構的骨組織工程支架。相比于其他織物結構，編織結構能夠提供最高的軸向強度。 因此，編織結構非常適合用于韌性的結締組織。 編織結構如果用于其它的支架，需要提高其徑向的支撐性能。 編織結構在制備成管狀支架時，為了獲得足夠的支撐力，通常選用模量、剛度較大的紗線[34]. 由于編織點容易移位，對其徑向進行壓縮會使得支架向軸向伸長，使用編織結構設計管狀支架時要考慮到這一點。

2. 3 針織

針織結構是由紗線彎曲成圈，然后將線圈相互串套和連接而成為針織物，與機織和編織結構相比，其結構特點是存在相互嵌套的線圈。 其中，橫跨織物寬度方向的線圈被稱行，沿織物長度方向的線圈成為列。 由于橫行縱列的相互交織結構存在，針織物的頂破性能優于機織物和編織物，整片織物的彈性和疲勞性能較好，但織物平面內的抗張強度比其他結構要弱很多。 與機織物相比針織物有較高的孔隙率，非常適宜為細胞提供足夠的生長空間。 根據工藝特點的不同針織可分為緯編和經編兩大類，如圖 3 所示。 通常，緯編結構包括 3 個主要的類別： 緯平結構和它的衍生物、羅紋織物及其衍生物和雙反面織物及其衍生物。 整塊織物可由 1 根紗線嵌套而成。 然而，在經編結構中，1 根紗線只能串套成一縱列線圈，1 塊織物由眾多根紗線嵌套形成。 因此，緯編結構更容易扭轉和拉伸，而經編結構更加穩定不易發生變形。 為了獲得特殊的性能和結構，有時也在織物中添加額外的紗線系統，形成浮線和集圈的結構。 總之可以通過改變線圈嵌套的規律制備出結構性能各異的結構，這些結構可以為組織的生長提供足夠的孔隙和內部連接力[35]. 所以，目前紡織結構在組織工程應用的研究中，針織結構占了很大部分[36].

單層的針織結構由于其薄、輕、彈性好、較高的頂破強力等特點，非常適宜做疝氣修補、盆腔器官脫垂、盆底功能障礙、體壁缺損等人體補片材料[37]. 其主要使用聚丙烯，聚（ 對苯二甲酸乙二醇酯） 和 PLA 等高聚物，經過經編工藝成型，復合以生物性能良好的生物涂層得到強韌的補片材料。

Urita 等[38]采用了 PLGA 針織物復合膠原支架作為替代假體材料修復膈疝，并指出，混合支架促進原位組織再生的功能優于簡單的 PLGA 織物。 Pu等[39]開發了一種 PLLA 針織物和多孔海綿狀膠原復合的組織工程支架，在血流灌注生物反應器中進行 7 天的纖維母細胞的培養，進行腹壁修補。

針織物的性能和結構同樣適用于作為韌帶和肌腱類的修復材料[40 ~43]. Chen 等[44]設計了一種蠶絲針織物復合膠原材料的肌腱修復的支架，此支架的力學性能良好，并且等夠誘導韌帶的再生和膠原的沉積。 他們得到結論，針織物不僅能夠提供力學支撐，同時對目標組織的再生有一定的促進作用。 Liu 等[45]也設計出了一種蠶絲織物復合絲素涂層的多孔復合支架。 并隨后接種成人骨髓間充質干細胞（ MSCs） ,與單純的蠶絲織物作為人工韌帶相比較具有更高的細胞活性。 隨后，Fan 等[46]以蠶絲編織紗作為芯紗，在其周圍卷起了一片針織物，用作前交叉韌帶，實驗結果顯示了骨間韌帶的成功再生。 Ouyang 等[47]用針織 PGLA 支架修復了兔子跟腱中 10 mm 的間隙，實驗顯示針織物誘導跟腱再生作用良好。 針織結構經過一定的三維折疊或者結構設計，同樣能夠提供足夠的支撐力，應用于軟骨組織的再生[48,49]. Chen 等[24]致力于PGLA 針織物和膠原復合結構的軟骨組織工程支架的研究。 這類支架利用了天然材料良好的生物相容性和合成材料良好的機械性能的優勢互補，且支架厚度可調節。 聚合物針織結構不僅作為一種骨 架 結 構，而 且 有 利 于 細 胞 的 接 種 和 分化[50,51]. 人造皮膚是最早且使用較廣泛的組織工程產品，一般使用海綿狀多孔膠原-殼聚糖制備。

但是這樣的結構力學性能達不到要求，因此通常也在膠原中加入增強的織物層來制備人造皮膚[52,53]. 增強層的材料多選用降解速率較快的PGLA 或 PLACL[54 ~56]. 由于人造皮膚需要較大彈性這一特點，也多考慮使用緯編針織結構作為增強層[55]. 針織管狀結構，用于人工輸尿管、氣管，食道管均有報道和研究，這主要歸功于針織結構良好的彈性，即具備一定的順應性，適合用于體內的軟管狀結構[57 ~59].

用作組織工程支架設計時，針織織物多與其他材料或結構進行一定的復合。 針織織物在其中不僅僅是提供了增強力學性能的作用，而且也作為移植物中保證一定的微孔結構的骨架支撐[60].

這樣的結構可以促進細胞的粘附，誘導組織的再生。 在進行支架設計時，用到了蠶絲、PGLA 和PLACL 等生物材料進行針織物的制備，賦予了針織物良好的生物物理特性。

3 紡織復合支架材料的成型技術

3. 1 一次成型法

一次成型法指的是在制備復合結構的支架時，織物部分和其他部分同時結合成型。 由于其制備程序簡潔，是目前設計制備紡織基組織工程支1最常用的方法之一。 這種支架的數量、形狀和位置可以根據需要來調節，也可通過層壓或者卷起單張的網狀片層來獲得一定厚度的網狀三維結構的支架。

Dai 等[55]系統地研究了 PGLA 針織物復合膠原的復合結構軟骨組織工程支架。 他們使用冷凍干燥法設計了 3 種復合結構的支架，有薄型、厚型，及三明治式 3 種結構之分，其中厚型的織物增強層在膠原層底部，而三明治型的增強層在膠原的中間層。 他們的結果顯示后 2 種較厚結構的性能要優于薄的結構。 同樣，在 Chen 等[18]和 Fan等[28]和 Liu 等[26]的研究中，都使用了蠶絲為原料，制備織物，以冷凍干燥法復合以膠原來制備人工韌帶。 Liu 等使用脫膠的蠶絲機織物作為增強層，利用冷凍干燥法復合多孔絲素膜制備雙層血管支架。

使用這種成型方法的原理是直接在織物上涂覆或浸漬可以形成多孔結構的一些生物相容性材料，如凝膠、膠原、絲素等，然后使用交聯、冷凍干燥、或溶劑析出等方法，使得織物外的溶液固化，形成復合結構的組織工程支架。 制備的樣品工藝比較簡單，一般不需要設計其他的成型設備來完成支架的制備。 織物和復合膜間靠物理機械力結合，織物與復合膜之間的結合力影響支架的使用性能，但對這種結合力或者衡量這種力的方法尚鮮見報道。

3. 2 組裝法

組裝法是指通過多個單元部分的組裝來制備支架，這些復合工藝不僅包括織物材料本身，還包括一些有助于支架不同部分連接的輔助元件。

Ananta 等[54]設計了一種快捷便利的裝置，如圖 4所示，將經編的 PLACL 織物置于 2 塊膠原之間，通過一定時間和壓力的擠壓來制備復合結構的組織工程支架。

Ng 等[55,56]用組裝的方法來制備多層結構的人工皮膚，其工藝是將淀粉二醛交聯的膠原-透明質酸海綿狀物以鋪在 PGLA 針織物上，形成類似于皮膚性能的三維結構，用于種植角質細胞來形成人工皮膚。

3. 3 組合法

一些研究人員試圖通過結合一次成型、組裝法，將多種織物組合起來，以制造更復雜的支架。如圖 5 所示，Torikai 等[25]制備了 1 種血管膜支架，采用機織結構，選取降解速率最慢的 PLA 材料作為血管膜的外壁，為血管膜提供了良好的機械支撐。 選取針織結構 PGA 復合多孔膠原的結構作為血管的內壁，其降解速率快生物相容性好易于血管的內皮化。 內膜與外膜之間使用 PCL 作為涂層粘結，形成三層復合的結構，提升了血管支架的性能。 Tatekawa 等[24]結合多種工藝制備出一個結構復雜的人工氣管支架。 支架的主要支撐部分是 P（ CL/LA） 編織的管狀支架。 支架管內壁襯墊一層 PGLA 針織物-膠原復合結構的海綿狀三維多孔內襯。 支架管的外部附一層可生物降解的明膠凝膠片材料，為了成纖維細胞生長因子（ bFGF）的控制釋放。 這種復合結構的支架各層的降解周期不同。 雖然這種復合結構支架并沒有完全誘導氣管軟骨的再生，但是它的設計代表了紡織基復合組織工程支架可以朝向性能全面的復雜結構設計思路的邁進。

4 結論

綜上，紡織增強型結構對細胞活性及組織再生具有促進的作用： 第一、織物由柔軟的紗線集合體組成，因此具有優良的張力的變化和壓力的分布，并能夠保持支架在體外和體內的三維形態。 第二、織物可以作為骨架結構保持多孔結構良好形狀，促進營養物質的擴散和代謝廢物的排出，它們提供足夠的空間用于細胞遷移和血管向內生長。

第三、因為細胞是黏附在多孔材料的孔中的，良好的機械性能有助于維持支架的多孔結構，因此可以調節細胞的生長行為和組織的形成。 因此具有三維微孔結構和力學性能的紡織基支架，在調控細胞活性和組織再生方面有至關重要的作用。

支架的三維微孔結構和支架的機械性能在支架誘導組織再生方面有至關重要的協同作用。 因此，應該逐漸完善該類材料的評價體系，使得材料更好的發揮其在組織工程的作用。 盡管織物增強型組織工程支架已有一定的研究，但是整體水平還是處于初級實驗室研制階段。 目前，材料特點與活性體的作用機理并不清楚，許多問題仍需要有進一步的研究。 例如，原料形態對細胞行為的影響，包括纖維的尺度、纖維的集合方式等； 材料聚集形態對降解行為的影響； 以及材料降解行為對細胞/組織的作用。 該類研究涉及材料學、生物學、醫學等交叉學科等學科，因此，共同努力才能使材料的加工更符合組織再生的要求。