由于人口快速老龄化、环境因素、压力、肥胖和糖尿病等生活方式障碍的增加以及创伤病例的增加，有效的再生治疗的需求正在增加。生物医学和生物技术领域是发展有效再生治疗的关键。在生物医学科学和工程的广阔领域中，有许多令人兴奋的子领域，如再生医学、生物医学工程等。在本文中，我们将讨论组织工程，这是非常密切相关领域再生医学，生物材料，和生物医学工程．

组织工程:介绍、市场、应用和未来领域

合著者Ankita Murmu

表的内容

什么是组织工程?

组织工程是一种跨学科纪律，以创造组合支架，细胞和/或生物活性分子的功能三维（3D）组织。组织工程是科学的应用来改善，恢复和维持受损的组织或整个器官。它通过组合支架，细胞和生物活性分子使组织官能。虽然它被认为是生物材料的子场，但它已被广泛出现。

组织工程是一个专门的分支生物医学工程(生物工程)．该领域涉及科学领域，如细胞生物学，材料科学，化学，分子生物学和医学。组织工程由生物材料发展领域演变而来，指将支架、细胞和生物活性分子结合成功能组织的实践。

组织工程不断发展吸收来自邻近科学领域的投入及其技术进步，包括纳米技术的发展。的组织工程的目的是组装功能性结构，以恢复、维持或改善受损组织或整个器官。

组织工程市场

的全球组织工程市场规模价值在2016年50亿美元预计会达到2022美元的115亿美元，根据一份新报告大观研究公司组织工程治疗组织损伤的潜力不断增长，这支持了市场的增长。组织工程可以提供替代目前使用的组织修复解决方案，包括移植、外科重建和机械设备。

最组织工程的关键应用段癌症、脐带血和细胞库、胃肠道和妇科、皮肤或皮肤科、牙科、泌尿科、肌肉骨骼科、骨科、脊柱科、心血管科和神经内科。

组织工程的应用 — 组织工程市场在美国（来源：www.grandviewResearch.com）

北美占2015年最大的份额，可能在美国组织工程市场推动的2023年以来，可能会继续占主导地位。增长可以归因于政府的高度财政支持以及私人组织进行研发和领先公司的存在。

由于存在严格的监管规范，欧洲组织工程市场估计在预测期内记录温和的增长前景。在未来七年内，预计再生手术和干细胞研究的持续研发和干细胞研究会提供大量增长机会。

预计亚太地区将在未来7年成为最具吸引力的地区。该地区的增长是由大量的人力、先进的技术程序以及政府的支持和资金推动的。

组织工程行业的主要全球参与者包括Zimmer Biomet, Medtronic, Acelity, Organogenesis, Athersys, Stryker和RTI surgical。其他知名公司包括Integra lifescience、Advanced Cell Technology、CryoLife、Sanofi、BioMimetic Therapeutics、StemCellsInc、LifeCell Kinetic Concepts、Cook Biotech和Arteriocyte。

因此，组织工程的市场需求和范围是非常明确的。现在，我们将深入研究组织工程的基本概念。我们将从生物材料开始，因为它是组织工程的基本组成部分。

生物材料

生物材料是组织工程中不可分割的组成部分。许多材料已被发现可用于组织工程。生物材料可用于治疗或诊断目的。生物材料和生物材料是两个不同的概念。理想的生物材料是满足以下要求的生物材料:

可注射性
合成制造
生物相容性
non-immunogenicity
透明度
纳米纤维
低浓度
揽予利率

脚手架- - - - - -支架是用于形成新功能组织并用于医疗目的的材料。支架重现细胞外基质提供的体内环境。根据其起源，脚手架分为两种类型。自然支架参与体内环境中不同细胞类型的形态发生和功能采集过程。这些支架的组成取决于动物来源，分离和纯化程序和测定。在受控条件下使合成支架模仿特异性ECM（额外细胞基质）性质。

支架的用途包括-

细胞附件和迁移
保留细胞和生化因子
重要细胞产物和表达产物的扩散允许量
通过施加生物和机械的影响来改变细胞相的行为。

支架需要满足组织工程的特定要求。它们是:

适当的孔径，高孔隙率，便于细胞播种和扩散到整个结构。
生物降解性是其中一个因素。支架应该提供结构完整性，而细胞正在自身形制地制造它们的天然基质结构。一旦新的组织形式，它应该分解。降解必须与组织形成速率一致。

他们三个生物材料的类型用于制造支架的材料有:

陶瓷- 由于其化学和结构相似，它们具有优异的生物相容性。它们构成高机械刚度和极低的弹性。实例包括 - 羟基磷灰石（HA）和三钙磷酸钙（TCP），用于骨再生应用。

合成聚合物-它们具有受控的降解特性，易于定制结构制作。例如-聚苯乙烯、聚l-乳酸(PLLA)、聚乙醇酸(PGA)和聚dl-乳酸-co-乙醇酸(PLGA)。

天然聚合物-它们具有生物活性，允许宿主细胞产生自己的细胞外基质并取代降解的支架。

细胞- - - - - -细胞来源的选择对组织工程至关重要。但是，在大量培养特定类型的细胞方面遇到了困难。因此，干细胞(胚胎干细胞或成体干细胞)已成为有前途的替代细胞来源。ESC是多能细胞，而ASC是多能细胞。与esc相比，ASC的分化能力更有限，因此更适合于组织工程。

生物重组- - - - - -信号分子与支架和细胞来源同样重要。这些信号对每个器官来说都是独一无二的，并且受到严格控制。生长因子、趋化因子和细胞因子等因子的存在在生物现象中起着重要的作用。信号分子的使用有两种方式，一种是添加到体外培养基中，另一种是通过共价和非共价相互作用附着到支架上。

组织工程的应用

组织工程和再生药物是如何工作的?

再生药物修复受损组织和器官。它们刺激身体自身的修复机制，修复之前无法修复的组织或器官。如果身体不能自愈，组织或器官可以在实验室中生长，然后移植。再生医学还涉及使用干细胞或通过定向分化获得的祖细胞。

这个过程首先是制造支架并将细胞引入其中。一旦有了合适的环境，组织就会发育。在某些情况下，自我组装涉及到所有细胞、支架和生长因子的混合。

另一种方法可以通过剥离供体器官的细胞并使用剩余的胶原支架来生长新组织。这种方法是对生物工程的心脏，肝脏，肺和肾组织有前途的。

一些关键的研究领域包括-

人肝植入小鼠：工程化人肝进入小鼠的植入可以使药物相互作用与人体系统中发生类似。研究人员可以容易地理解毒性，物种特异性响应。

新肾脏的再生肾支架以器官组织中发育的上皮和内皮细胞为种子。在大鼠体内和体外，该组织都产生尿液。再生一个新的肾脏的能力在克服捐献器官短缺的问题上是一个飞跃。

组织工程如何帮助受损组织的再生?

组织工程的应用有助于克服任何损伤组织的问题。

骨组织工程-骨骼由胶原蛋白组成，并具有重新生成的性质，以应对伤害进行修复。在创伤后发生的大骨缺损期间发生骨移植的要求，感染，肿瘤切除或骨骼异常发生。

在体外生成骨骼特征是非常具有挑战性的。因此，获得理想的骨组织再生支架也是一个难题。科学家已经能够开发出与骨骼成分相似的3D多孔支架，为了更好的相容性，使用了生物陶瓷支架。骨诱导支架利用生物分子信号和祖细胞促进新骨形成。在骨缺损模型中，为释放成骨因子而设计的纳米颗粒显示出体外和体内成骨分化的增加。

软骨组织工程 -软骨是肘部、膝盖和脚踝的结缔组织。与骨组织工程一样，软骨组织工程也面临挑战。有几种支架已经被用于软骨修复，但最相关的是合成支架，如聚氨酯，聚乙二醇(PEG)，弹性蛋白聚合物。软骨是由软骨细胞组成的，因此，理想的软骨修复供体细胞类型是自体软骨细胞。然而，它们很难获得，需要侵入性技术。因此，从脂肪组织或骨髓等不同来源收集的间充质前体细胞(Mesenchymal Precursor, MSCs)被用作一种替代来源。它们可以很容易地在体外培养，并具有增殖和向成骨、成脂肪、成软骨和成肌谱系分化的能力。

除了骨骼和软骨组织工程，心脏组织工程、胰腺组织工程、血管组织工程等其他一些组织工程也已经完成。