組織工程（Tissue Engineering）是近年來正在興起的一門新興學科，組織工程一詞最早是由美國國家科學基金會1987年正式提出和確定的。它是應用生命科學和工程學的原理與技術，在正確認識哺乳動物的正常及病理兩種狀態(tài)下結構與功能關系的基礎上，研究、開發(fā)用于修復、維護、促進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。
組織工程的核心就是建立細胞與生物材料的三維空間復合體，即具有生命力的活體組織，用以對病損組織進行形態(tài)、結構和功能的重建并達到永久性替代。共基本原理和方法是將體外培養(yǎng)擴增的正常組織細胞，吸附于一種生物相容性良好并可被機體吸收的生物材料上形成復合物，將細胞-生物材料復合物植入機體組織、器官的病損病分，細胞在生物材料逐漸被機體降解吸收的過程中形成新的在形態(tài)和功能方面與相應器官、組織相一致的組織，而達到修復創(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胞外基質(zhì)（ECM），其功能是為細胞提供生存空間，使細胞獲足夠的營養(yǎng)物質(zhì)，進行氣體交換，并使細胞按預制形態(tài)的三維支架生長。在細胞和生物材料的復合體植入機體病損部位后，生物支架被降解吸收，但種植的細胞繼續(xù)增殖繁殖，形成新的具有原來特殊功能和形態(tài)的相應組織器官。
組織工程是繼細胞生物學和分子生物學之后，生命科學發(fā)展史上的又一新的里程碑，它標志著醫(yī)學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，組織工程學作為一門多學科交叉的邊緣學科，將帶動和促進相關高技術領域的交叉、滲透和發(fā)展，并由此演化出新的高技術產(chǎn)業(yè)。組織工程將是21世紀具有巨大潛能的高技術產(chǎn)業(yè)，必將產(chǎn)生巨大的社會和經(jīng)濟效益。
組織工程的概念一提出，就受到各國學者的廣泛關注，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，美國已有相當數(shù)量的研究機構（包括NASA、DOE、NIH等），許多相關大學（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、角膜等領域取得了可喜的進展。組織工程研究包括以前四個方面。
一、種子細胞研究
種子細胞的培養(yǎng)是組織工程的基本要素，細胞主要來源于自體、同種異體、異種組織細胞等。自體組織細胞應為首選。由于組織工程細胞培養(yǎng)多需要高濃度的細胞接種，自體組織細胞存在著數(shù)量上的局限性及長期傳代后細胞功能老化的問題�，F(xiàn)在的研究多集中于以下的幾個方面：
1．載體等技術用于細胞的快速增殖。
2．干細胞工程 干細胞工程是利用現(xiàn)代生物醫(yī)學和組織工程技術，通過對間充質(zhì)干細胞、胚胎干細胞、血管-造血干細胞、神經(jīng)干細胞和皮膚、肌肉等前體細胞，進行體外分離純化、定向誘導分化、轉(zhuǎn)基因及核移植、大量擴增和整合構建，在體外重構人骨、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和替代具有極其重要的作用和深遠的影響。在組織器官的細胞來源、細胞擴增與定向誘導分化、重構組織器官的種類、重構效率、重構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)與延緩細胞的老化。
4．采用各種方法（包括自身轉(zhuǎn)化、化學、物理、病毒等方法）誘導細胞發(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胞，需要解決以下問題：①增加細胞的增殖能力；②延長細胞的生命期；③提高細胞的分泌能力；④優(yōu)選不同組織來源的同一功能的最佳細胞；⑤建立標準細胞系，使研究工作有更好的可比性和科學性；⑥同種異體與異種移植的免疫學；⑦細胞與人工細胞外基質(zhì)的相互作用及影響因素。
采用同種異體細胞來源，在目前僅對少數(shù)組織細胞（如軟骨組織的組織工程培養(yǎng)）有望獲得成功。
二、細胞外基質(zhì)的研究
細胞外基質(zhì)（extracelluarmatrix,ECM）包括均質(zhì)狀態(tài)的基質(zhì)（蛋白多糖、糖蛋白）和細絲狀的膠原纖維。ECM是細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成的組織形態(tài)和功能。
理想的ECM應具有以下特點：①生物相容性好，在體內(nèi)不引起炎癥反應和毒性反應；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構，植入后在體內(nèi)仍可保持特定形狀；④表面化學特性和表面微結構利于細胞的粘附和生長；⑤降解速率可根據(jù)不同細胞的組織再生速率而進行調(diào)整。
目前組織工程所應用的材料很多，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，限制了它的應用�，F(xiàn)在主要研究集中于采用脫細胞技術制造天然的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)可能存在著某些復合生長因子，可誘導調(diào)節(jié)細胞的生長、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，但有望通過進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全物 如膠原-PCA的復合特等。
4．有機材料同無機材料的復合物
如羥基磷灰石-甲殼素的復合物，羥基磷灰石-PLA的復合物等。
三、組織器官的構建
組織和器官的構建因應用于不同的方面，方法也不相同。但其本質(zhì)都是把種子細胞與支架材料結合得到設計的組織或器官。在此，僅以組織工程骨的構建和血管的構建為例。
1．骨組織構建
構建組織工程骨的方式有幾種：①支架材料與成骨細胞；②支架材料與生長因子；③支架材料與成骨細胞加生長因子。
生長因子通過調(diào)節(jié)細胞增殖、分化過程并改變細胞產(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用前景。常用的生長因子有：成纖維細胞生長因子（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系，可復合使用。目前國外重點研究的項目之一，就是計算機輔助設計并復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）復骨誘導性的骨移植、修復大鼠顱骨缺損，證實了復合人工骨具有良好的骨誘導性和骨傳導性，可早期與宿主骨結合，并促進宿主骨長大及新骨形成。用rhBMP-膠原和珊瑚復合人工骨修復兔下頜骨缺損，結果顯示：
2個月時，復合人工骨修復缺捐贈 的交果優(yōu)于單純珊瑚3個月時，與自體骨移植的修復交果無明顯差異。
目前，用組織工程骨修復骨缺損的研究，已從取材、體外培養(yǎng)、細胞到支架材料復合體形成等都得到了成功。有人用自體骨髓、珊瑚和rhBMP-2復合物修復兔下頜骨缺損，結果表明：術后3個月，單獨珊瑚組及空白對照組缺損未完全修復；珊瑚-骨髓組和珊瑚-rhBMP-2組及單獨骨髓組已基本修復了缺損；而骨髓、珊瑚和rhBMP-2復合物組在2個月時缺損即可得到修復。我們用骨基質(zhì)成骨細胞與松質(zhì)骨基質(zhì)復合物自體移植修理工復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胞種植于預制帶管蒂的生物支架材料上，將它作為一種細胞傳送裝置。我們將一定形狀的thBMP-2、膠原、珊瑚復合物植入狗髂骨區(qū)預制骨組織瓣，3個月時，復合物已轉(zhuǎn)變成血管化骨組織。
組織工程骨的構建又可以分為體內(nèi)構建和體外構建兩種形式，體內(nèi)構建是將成骨細胞-支架復合物植入體內(nèi)，修復骨缺損。體外構建則是通過體外組織培養(yǎng)的方法應用水降解支架材料，接種成骨細胞，構建骨組織。體外構建雖然具有一些在體內(nèi)構建難以實現(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。生物反應器和灌注培養(yǎng)系統(tǒng)的先后出現(xiàn)，改善了細胞、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，和促進組織工程產(chǎn)品實現(xiàn)商品化。
2．組織工程血管構建
構建組織工程血管有兩種：①用正常動脈壁細胞與細胞外基質(zhì)重建血管；②用正常血管壁細胞、細胞外基質(zhì)和可降解材料構建血管。
血管壁中切取彈性基膜，并在其上培養(yǎng)鼠動脈平滑肌細胞；或用工型膠原制備基質(zhì)材料與各型血管壁細胞成分合成血管模型。首先將平滑肌細胞與成纖維細胞分別培養(yǎng)形成細胞層，將成纖細胞層脫水去細胞形成內(nèi)膜（IM），再將內(nèi)膜繞在中軸上，外裹平滑肌細胞和成纖細胞層，經(jīng)過體外8周長時間成熟后，內(nèi)壁注入內(nèi)皮細胞使之內(nèi)皮化。各項檢測及動物實驗，結果從機械強度、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，其后期效果有待進一步觀察。
由于生物基質(zhì)材料機械性能差，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胞，培養(yǎng)血管平滑肌組織。N iklason將平滑肌細胞種植于管狀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，縫合強度達90g，膠原含量達50%。
血管模型對特定藥物具有收縮反應，平滑肌細胞還表現(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、組織工程臨床應用
組織工程中臨床應用是在組織構建完成了動物試驗之后，在人體上的應用，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到了這一步。