作者：北华扬天

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首先需要说明的一点是，PHA本来存在于微生物体内，所以不能直接用于医学组织工程，而是需通过提取过滤和纯化，除去细菌碎片、有毒溶解物和热原成分（如内毒素），最后得到的，才是医用级的PHA材料。这些PHA，可加工成膜、纤维、管、三维支架、微球等不同的PHA形态（图1）。

PHA从在细菌中生产，到可以用于细胞生长，简直是华丽的转变——完美！！！

图1. 医用级的PHA材料（上图）、PHA膜（下左图）、三维支架（下中图）及纤维（下右图）的微观结构

是不是很高大上啊！！！！

这些医用级PHA材料，可应用于骨组织工程、人工心脏瓣膜、血管组织工程、软管组织工程、神经导管组织工程、肌肉组织工程、食管组织工程、皮肤组织工程等多种领域。接下来，让我为大家逐项进行介绍。

骨组织工程

高机械性能是骨组织的显著特征，因而更适合采用较硬的PHA材料，如PHB和PHBV。

有人将PHB支架植入兔腿骨和小型猪的前颅底的缺损处，都发现PHB能够促进新骨生成，这样的人工支架与周围组织生物相容性良好，长时间的体内修复过程中没有出现严重的炎症反应。

除了PHB，PHBV在骨组织工程中也有很大的优势：成骨细胞在PHBV支架上增殖和矿化水平更优；骨髓干细胞在PHBV发泡材料上碱性磷酸酶活性增加，骨钙素等因子分泌增多，表现出更佳的成骨分化特征，这在体内实验中也得到了证实；与磷酸钙胶原支架相比，PHBV支架的修复效果更好（损伤处愈合更快，且植入3周后出现的纤维组织更少）。

除了PHB和PHBV，其他的PHA材料也可用于骨组织工程的应用，效果也不错，如PHBHHx。

人工心脏瓣膜

使用PHA制作人工心脏瓣膜已有成功的例子。

表面包被有P4HB的PGA无纺布制成的三尖瓣心脏瓣膜支架，依次接种上自体的肌成纤维细胞和内皮细胞，在体生长14d后，形成细胞支架复合三尖瓣心脏瓣膜（图2），植入生长期的羊羔体内20周后，瓣膜大小由19 mm增加到23 mm，让人们看到了人工制备“可生长”瓣膜的可能性。

同时，还有人尝试过用PHB灌注和PHBHHx 包裹的方法改良脱细胞的猪动脉支架，结果显示，PHA的加入可增大支架的弹性并降低支架表面细胞钙化。

另外，一种新的PHA料，聚3-羟基己酸辛酸（即PHHxHO），被用于制作一个三尖瓣心脏瓣膜形状的支架，该支架接种上自体的血管细胞后植入了羔羊肺部血管，虽然120天后发生了血管轻微狭窄，但未见血管栓塞。

血管组织工程

应用于血管组织工程的PHA主要有PHBHHx、 PHO（聚3-羟基辛酸）和P4HB（聚4-羟基丁酸）；其形态既有管状的血管支架，也有可降解的大血管补片。

用PHO对PGA管状支架进行表面包被，替换3-4cm长的羊羔腹主动脉，101天后，所有实验动物均存活，且无动脉瘤形成，力学性能以及支架内总蛋白和总DNA含量逐渐接近正常动脉血管。

同样,P4HB与血管细胞复合培养构建的血管补片（图3）,被植入羊肺动脉近端169天后，能形成具有功能的血管组织，无血栓、再狭窄或者膨大现象，且P4HB支架几乎被完全吸收。

相对于其他的PHA材料，PHBHHx的表面血小板黏附较少，溶血反应程度较低，也是一种良好的血液接触材料。使用PHBHHx 材料包裹修饰的脱细胞血管支架，植入兔腹主动脉，12 周后发现复合血管补片表面细胞再生形成汇合细胞层，且与无PHBHHx 包裹修饰的支架相比，其细胞矿化程度更低。

软骨组织工程

研究表明，PHB、PHBV和PHBHHx三种PHA材料都能支持软骨细胞增殖并保持表型，且混合使用效果更佳。相比于单一PHB材料制成的支架，使用PHBHHx/PHB混合材料的支架，其上的软骨细胞增殖更快、效果更好。这是因为，PHBHHx材料可促进软骨细胞分泌更多的有助于细胞生长的Ⅱ型胶原和蛋白多糖胞外基质。

将用PHBV制成的多孔支架植入全层关节软骨缺损处（直径4.5mm，深度4mm），与使用磷酸钙胶原（CaP-Gelfix）支架相比，PHBV组织工程软骨可帮助损伤组织更快修复，支架表面形成了与正常关节软骨类似的新生软骨组织，并且其植入后的异物反应更少。

图4. PHA支架在软骨组织工程的应用

除了单纯的PHA支架植入，也有人尝试先将支架与软骨细胞在体外复合培养，待形成人工关节软骨后，再植入受损的兔膝关节的软骨层（图4）。16 周的修复过程中，支架没有出现明显的炎症反应，缺损区逐渐被新生软骨组织所填充；由于预先植入了软骨细胞，这些细胞分泌的软骨基质使支架环境更加有利于与周围组织融合，因而人工软骨比空白支架实现了更加完整的表面愈合和更多的胞外基质积累。

除了关节透明软骨修复，PHA支架还被用于纤维软骨修复。

神经导管组织工程

有报道称，PHB导管实现了大鼠坐骨神经缺损的修复，具有与自体神经移植类似的修复效果。为进一步改善PHB导管的生物活性，将外周神经的支持细胞（施旺细胞）接种到导管支架的内表面，再植入神经缺损处。后期观察发现，带有神经丝的神经元逐渐填充了PHB导管内部，并与支架上预先植入的细胞建立了联系。PHBHHx也表现出与神经细胞的良好相容性（图5）。实验证实，PHBHHx 神经导管支架同样对长度为10mm的大鼠坐骨神经神经缺失有显著的修复效果。

图5. PHA导管在神经导管组织工程的应用

肌肉组织工程

PHB被证实具有一定的成肌诱导活性。研究人员将PHB支架置入到大鼠背阔肌肌袋中进行异位骨生成的实验时，意外的发现，与支架接触的肌肉组织细胞表达了更多的Ⅰ型肌球蛋白、胰岛素样生长因子IGF1 和血管内皮生长因子VEGF，而细胞中肌肉细胞抑制因子（GDF8）转录水平下降，这说明PHB支架具有一定的成肌诱导倾向。也有报道称，将PHB材料用电纺丝的方法加工成定向纳米纤维，会促使成肌细胞增殖减慢而开始向肌细胞分化。

食管组织工程

PHBHHx曾被加工成管状支架，作为食管组织工程支架，植入实验动物狗来替代其缺失的食管组织（图6）。经过2个月的动物培养，实验动物没有出现任何明显的排斥反应，体内的细胞能很好的迁移并贴附在人工食管上。尽管如此，实验动物最终还是因无法进食而死亡。其原因是：PHBHHx支架的植入虽然有助了新生组织生成，但是该材料并没有按预期降解、分裂及被吸收，从而妨碍了实验动物的正常生理功能，最终，因食物在人工食管中阻塞而无法通过，导致了动物死亡。

皮肤组织工程

多种PHA材料（包括PHB、PHBV、PHBHHx、P4HB、P3HB4HB及PHBVHHx）都表现出与皮肤角质细胞HaCaT的良好的生物相容性。而且，上述PHA材料中，PHBVHHx 材料上的HaCaT细胞生长速率最快，与细胞培养板上的细胞增殖速率一致。另有研究者，使用PHB与PVA料混合制成纳米级电纺丝纤维，作为基底来培养HaCaT细胞和真皮成纤维细胞，发现HaCaT细胞在PHB/PVA(1:1)混合材料上增殖最快，而成纤维细胞更偏爱纯PHB材料。

四大特点

我们小结一下，PHA作为一种生物材料，在医学组织工程的应用的一些特点。

1 需替换的组织特征和PHA材料特性应一致

PHA材料多种多样，有硬的脆的，如PHB和PHBV；也有软的有韧，如PHBHHx、P4HB、PHO及其他中长链PHA。通常，骨组织工程等需要硬的PHA，所以PHB和PHBV是重要的研究对象；而血管、肌肉、心脏瓣膜等都是韧性强且柔软的组织，所以P4HB等材料更理想。

2 PHA的生物相容性是普遍现象

不管应用于软骨组织工程还是人造的神经导管，PHA都没有导致强烈的组织排异反应，这主要是由于PHA的降解比较缓慢（比PLA慢），且降解产物主要为3-羟基丁酸（3HB），无毒无害。可见PHA的生物相容性是一个普遍现象。

3 PHA的医学组织工程研究受到生产的制约

我们发现，在使用PHA的所有组织工程研究报道中，PHB、PHBV、PHBHHx三种材料被研究最多、应用最广。主要是因为，它们是目前能大规模生产的三种材料，分别被行内人命名为第一代、第二代和第三代PHA。其他种类的PHA，在某些应用中，其性能可能更佳，但受限于低产量，未能得到充分的研究。

4 PHA在医学组织工程领域的研究多但产品少

我们可以发现，虽然PHA是一种不错的生物材料，是很多组织器官潜在的替换候选人，但目前却并没有什么成熟的产品出现在我们身边。这是为什么呢？现在先卖个关子，等下一期一起介绍。

最后来两句，真的只有两句！

PHA是一个庞大的生物材料体系，我很难一两期节目介绍完，所以先谈应用再聊生产，谢谢大家的关注，也欢迎提问。Bluepha目前致力于PHA的生产和应用，当然也包含本期讲的医学组织工程应用，期待不久的将来我们能生产出PHA医疗产品，我们一直在努力。