0引言

近年来，随着组织工程和再生医学的快速发展，寻找具有良好生物相容性和功能仿生性的生物材料正在成为该领域的研究热点之一。在致力于合成和开发出新型生物材料的同时，人们也立足于对现有生物材料进行结构和功能改造，使之能够最大限度仿生天然组织的成分、结构和功能特征，为细胞和组织生长提供最佳的生理环境，实现理想的功能替代。可以预见，阐明纤维蛋白基生物材料的成分、结构及生物学特性，从人体损伤的自修复机制中寻找线索无疑对设计新型组织工程材料具有重要的指导意义。文章旨在回顾近年来纤维蛋白基材料在组织工程和再生医学领域中的应用现状，探讨其在组织修复中的独特作用，展望其用于组织工程材料的应用前景。

1学术背景

纤维蛋白基材料是一种性能良好的天然材料，早在20世纪70年代纤维蛋白胶就作为止血剂和封闭剂而被广泛应用于临床。后来人们通过对凝血机制的研究，认识到将纤维蛋白原和凝血酶在体外配合并应用于临床可以得到很好的效果。近几年纤维蛋白基材料用于组织工程支架中，由于纤维蛋白基材料具有良好的生物相容性和生物降解性能，现已被广泛应用于开发各种组织工程支架和生长因子释放系统。但是纤维蛋白基材料自身的缺点，即降解速率过快和力学强度不够等都限制了其更广泛的应用。

2目的

介绍纤维蛋白基材料的主要性能，总结此类材料在组织工程中的应用现状和面临的问题，为以后组织工程支架材料的发展提供新的研究方向。

3资料和方法

3.1文献检索

检索人相关内容：第一作者。

检索时间范围：1996/2008。

检索数据库：SCIE(ISI Web of Science)数据库（http://apps.isiknowledge.com）；中国期刊全文数据库（http://202.120.146.5/kns50/single_index.aspx）。

检索词：英文检索词为：“fibrin，fibrinogen，tissue engineering”；中文检索词为：“纤维蛋白，纤维蛋白原，组织工程”。检索文献量：检索文献数量总计207篇。

3.2检索方法

纳入标准：①与纤维蛋白结构性质紧密相关。②纤维蛋白在组织工程领域中的应用。排除标准：重复性研究。

文献选择：计算机初检得到207篇文代写论文献，包括英文和中文。通过阅读标题和摘要进行初筛，排除研究目的与此文无关的111篇，内容重复的研究53篇，保留43篇文献做进一步分析。文献质量评价：43篇文献中，4篇论述了纤维蛋白和纤维蛋白原的结构性质[1-4]，7篇论述了纤维蛋白基材料的发展[5-11]，32篇论述了纤维蛋白类在组织工程各个领域的研究现状[12-43]。

4文献证据综合提炼

4.1纤维蛋白原和纤维蛋白的结构和转化纤维蛋白的发现源于对凝血机制的研究。凝血过程是由血小板和众多凝血因子参与的复杂生物化学反应过程，其实质是纤维蛋白凝胶的生成，即血浆中纤维蛋白原在凝血酶作用下降解为纤维蛋白并聚合成不溶性的网状结构的过程。纤维蛋白原转化成纤维蛋白需经历3个阶段，即纤维蛋白原水解、单体转化成多聚体、在XIII因子参与下形成稳定的网络结构。而纤维蛋白胶，也称纤维蛋白黏合剂，主要包括以上所提及的纤维蛋白原、凝血酶、因子XIII及钙离子等组分。

人血纤维蛋白原是相对分子质量为340 000的生物大分子[1]，由3对α、β及γ肽链组成，其中α链由1 220个氨基酸组成，相对分子质量为1 340；β链由922个氨基酸组成，相对分子质量为1 120；γ链由822个氨基酸组成，相对分子质量为9 400。分子中有29个二硫键，其中有3个二硫桥（-S-S-）。这3个二硫桥将纤维蛋白原的两组α、β、γ亚基连接为一个整体，α及β肽链的N端分别有一段16个及14个氨基酸的小肽，称为纤维肽A及B。凝血酶能特异性作用于α和β链上的精－甘肽键，切除带较多负电荷的A、B纤维肽，使单体间的互补结合位点外露，纤维蛋白单体形成聚合链，再通过XIIIa因子和Ca2+的作用结成牢固的纤维蛋白网。XIIIa因子为转肽酶，能催化一个单体谷氨酸残基的γ-COOH与另一单体赖氨酸残基的-NH2之间形成共价结合[2]。

4.2纤维蛋白基材料的特性由于纤维蛋白原是从血浆中提取而来，因而具有良好的组织相容性，能够为细胞黏附和细胞间相互作用提供必要的生物信号，促进组织再生。已有研究表明，在纤维蛋白（纤维蛋白原）的Aα572~575位和Aα95~98位上分别含有RGDS和RGDF活性肽，细胞通过整合素介导而与之作用并引发信号转导[2]。实际上，纤维蛋白在创伤愈合中不仅发挥着天然细胞支架的作用，还能够在凝血过程中为各种细胞的迁移和募集提供生物信号，激活各种细胞上的相关创伤愈合受体，并刺激血管生成[2-3]。

生理条件下，由纤维蛋白原聚合成纤维蛋白需要很多因子的参与。因此纤维蛋白的特性主要受纤维蛋白原、凝血酶、钙离子的浓度和pH值等因素影响。根据所含组分和制备方法的不同，纤维蛋白可制备成凝胶、黏胶、微珠和纳米纤维等形式用于组织工程支架[3-4]。4.3纤维蛋白基材料的发展历程早在1909年，Bergel[5]就首次报道了纤维蛋白可用于临床上促进伤口愈合。但直到1940年，Young等[6]才尝试将凝血反应用于皮肤移植中。到1944年，纤维蛋白原和凝血酶得以配合使用以提高烧伤患者皮肤移植的黏附性[7]。1972年Matras等[8]报道了纤维蛋白胶在兔外周神经修复中的成功应用，3年之后，纤维蛋白胶也被成功用于人的神经接合[9]。20世纪80年代，由奥地利Immuno AG公司开发的商品名为Tissucol和德国Behringwerke公司开发的商品名为BeriplastP的纤维蛋白胶产品相继问世并在欧洲获得广泛应用，成为最早的商用纤维蛋白胶产品[10]。由于担心潜在的病毒污染，美国食品药品管理局（FDA）直到1998年才批准纤维蛋白胶的临床应用。中国早在20世纪80年代初就从人血中提取了纤维蛋白，并研制出医用纤维蛋白黏合剂，同时在临床应用中也取得了较好的效果[11]。目前，纤维蛋白胶被普遍用作各种外科手术的止血剂和封闭剂。

4.4纤维蛋白基材料在组织工程中的应用在纤维蛋白胶使用的初期，人们更关注纤维蛋白基材料作为一种凝血因子使用的潜能。随着生物医学工程研究的深入，纤维蛋白基材料在组织工程中的应用日趋广泛。纤维蛋白基材料可单独使用或与其他材料复合制成组织支架，也可制备成凝胶用于释放活性肽、生长因子和种子细胞。

作为生物活性物质释放载体：纤维蛋白基材料独特的物理化学特性和形态可控性使其成为各种生长因子、基因、细胞因子和其他生物活性物质的优良释放载体，这是很多其他生物材料无法比拟的。在组织工程化器官和组织的培养过程中，生物活性物质的受控释放有利于控制细胞的黏附、增殖、迁移、分化和细胞外基质分泌。很多生长因子如胰岛素样生长因子1、转化生长因子β等能够在聚合过程中直接包埋在纤维蛋白支架中[12-13]。纤维蛋白能够保护这些生长因子在体内外培养时免于变性和被蛋白酶降解，通过改变纤维蛋白原和凝血酶的浓度可以调节生长因子的释放速率[14]。Trentin等[15]还开发了一种纤维蛋白凝胶基因释放载体用于缓释HIF-1αΔODD（一种氧依赖降解结构域缺失的低氧诱导因子1α）基因，并研究了这种非病毒基因释放体系在促进工程化组织血管化过程中的重要作用。此外，一些治疗性药物如抗生素等也可以加入到纤维蛋白凝胶中并实现受控释放，以利于纤维蛋白移植物的抗感染和治疗效果的提高。

Sakiyama-Elbert等[16]成功开发了一种利用纤维蛋白凝胶释放肝素结合类生长因子的新技术（图1）。首先合成一种双域多肽，其C端和N端分别含有肝素结合域和转谷氨酰胺酶底物。利用因子XIIIa的转谷氨酰胺酶活性，可将双域多肽的N端共价结合到纤维蛋白凝胶上，肽段的C末端可通过静电相互作用结合肝素和肝素结合生长因子。这种方法已经成功用于碱性成纤维细胞生长因子、神经生长因子、神经营养素3等肝素结合类生长因子的释放[17-19]。这种方法可通过体内肝素酶和血清酶的活性来实现生长因子的长期控制释放。

作为组织工程支架材料：近年来，纤维蛋白类材料几乎被应用在所有的组织工程领域，包括骨、软骨、角膜、心脏、肝脏、神经、血管、肌腱和韧带等。文章主要介绍此类材料在皮肤、血管、骨和软骨等组织工程的应用。在皮肤组织工程中的应用：自1871年Reverdin首次从患者健康部位获取皮肤来源用于皮肤修复以来，自体移植一直是皮肤修复的黄金标准[20]。但对于大面积的皮肤创伤，往往缺乏足够的皮肤供体，且皮肤创面需要及时覆盖保护层以防止感染、保持水分并激发自体修复机制，各种皮肤替代物应运而生。皮肤组织工程的发展为大面积皮肤损伤修复提供了新的方法，虽然各种组织工程皮肤相继问世，但尚不能在功能和外观上完全满足创面修复的需要，主要的挑战是难以重建毛囊、皮脂腺、汗腺、血管等皮肤附属器官，降低了皮肤对环境的适应能力[21-22]。因此，采用在自体修复过程中产生的纤维蛋白基材料来构建组织工程皮肤具有重要的应用前景。Meana等[22]以纤维蛋白胶为基质制备人造皮肤，发现在接种了成纤维细胞的纤维蛋白基质上培养角质细胞，在培养10~15 d内可形成新的上皮细胞层，且细胞层可轻易从培养瓶中分离出来并移植到皮肤缺损处。Horch等[23]将角质细胞悬浮在纤维蛋白胶中培养，用于慢性皮肤创伤的治疗，发现这种方法能够缩短表皮细胞层的体外培养时间，且操作简便、费用低廉。上述研究表明纤维蛋白基材料在修复轻度表皮损伤方面具有较好的效果。

最近，将纤维蛋白基材料用于构建兼具表皮和真皮双层结构的组织工程皮肤研究也获得了重要进展。2007年，Mazlyzam等[24]提出了一种新的构建双层皮肤替代物的方法，采用从人血浆中提取的纤维蛋白作为皮肤支架，将人成纤维细胞包埋于纤维蛋白基质中，再将人的角质细胞叠加在纤维蛋白基质的上面，最后将复合支架植入裸鼠背部皮肤缺损处。4周后进行组织学分析和RT-PCR检测，发现移植物能很好地诱导角质形成细胞K14基因的表达和真皮层中Ⅰ型胶原的产生。同时表明了该皮肤替代物与人的天然皮肤具有类似的结构，且表皮层和真皮层衔接良好。

在心血管组织工程中的应用：理想的血管支架应能够仿生天然血管的结构和功能，有一定的柔顺性和较高的力学性能，能够承受跨壁压力和血流对血管壁的切应力，有较好的抗血栓形成、抗血小板黏附的作用[25]。Carmeliet[26]研究表明当血管创伤修复后，生理条件下纤维蛋白可被血浆中纤维蛋白溶酶系统逐渐溶解，防止血栓形成并保持血流通畅。纤维蛋白基材料作为血管支架具有独特的优势。

纤维蛋白基材料最早以凝胶的形式用于血管构建，但由于凝胶体系缺乏结构完整性，力学性能相对较低，难以单独构建组织工程支架，限制了其在组织工程中的广泛应用。Swartz等[27]将绵羊平滑肌细胞和内皮细胞先后接种到纤维蛋白凝胶中构建4.0~5.0 mm小口径血管，体外培养后，植入10~12周龄羔羊颈静脉。发现血管在体外培养的8周时间内力学强度没有显著变化，且对血管紧张素或松弛素产生相应的收缩或松弛反应。超声探测显示移植血管的血液流速与自体对照组无明显差别，其通畅率在实验的15周内保持良好，组织学结果表明植入血管产生大量的胶原和弹性蛋白，好于此前很多胶原基组织工程血管的效果，原因是胶原凝胶通常抑制平滑肌细胞和成纤维细胞合成胶原基质，并影响血管的力学性能。Yao等[28]进一步研究表明胶原材料中纤维蛋白原和Ca2＋含量增加使血管力学强度和活性显著降低；培养液中加入抑肽酶能使血管强度提高但血管活性降低，加入转化生长因子β1和胰岛素对生成血管力学强度影响较小，但能显著改善其血管活性。因此，通过改变各成分的配比，可望构建力学强度和血管活性俱佳的组织工程血管。

Ye等[29]以人血浆纤维蛋白原制备纤维蛋白凝胶，将人升主动脉肌成纤维细胞接种到该支架上进行体外培养，并在培养液中添加适量的抑肽酶。由于采用同源的支架材料和细胞，培养物具有无毒和低免疫原性特点。研究结果表明高浓度的抑肽酶可明显延缓支架的降解，在未添加抑肽酶的条件下，支架培养2 d即被降解；当培养液中含有20 mg/L抑肽酶时，支架在4周的培养时间内未见纤溶现象发生，且细胞在支架上分布均匀并分泌更多的胶原蛋白。随后，Jockenhoevel等[30]采用注射成型技术将人血浆纤维蛋白原和人肌成纤维细胞复合制备成带瓣膜管道。这些研究也表明在人体组织修复时，可以采用患者的自体血液制备纤维蛋白凝胶用于组织培养，以避免使用异体材料引起的免疫排斥反应。

为弥补纤维蛋白类凝胶材料的不足，人们尝试进行纤维基支架的研究。2006年，Liu等[31]在Science上首次报道，纤维蛋白是已知天然纤维中延展性和弹性最高的纤维。其单根纤维拉伸应变平均达到332%，最大应变甚至超过500%。且当应变在180%时，纤维仍能够恢复原状，其结构不会被永久破坏。纤维蛋白纳米纤维超强的延展性正好顺应了血管组织工程的要求。McManus等[4,32-33]采用静电纺丝技术制备了纤维蛋白原纳米纤维并以戊二醛交联，纤维的典型直径为80~500 nm，干态下纤维膜的拉伸模量可达68.5 MPa，与常用的血管支架材料聚已交酯电纺膜的力学性能相当。细胞培养实验表明成纤维细胞能够顺利迁移到支架内部并分泌胶原基质。

本课题组在上海市自然科学基金等项目资助下，正在开展纤维蛋白基纳米纤维用于血管组织工程的相关研究工作。以广州倍绣生物技术有限公司生产的天绣医用生物蛋白胶为原料，本课题组已成功制备了纤维蛋白原电纺纳米纤维（图2，未发表），纤维的平均直径为（179±42）nm。下一步将深入研究材料的降解机制及各种交联剂和生物酶对其降解过程的影响，并评价材料与细胞之间的相互作用及体外构建血管的反应性和力学性能。在骨组织工程中的应用：理想的骨材料应具备骨传导性和诱导成骨双重作用。从当前的研究结果来看，纤维蛋白基材料具有较强的诱导成骨能力。因此，将纤维蛋白基材料与骨传导材料（如生物陶瓷和生物玻璃等）复合使用，可赋予支架骨传导和骨诱导的双重性能，发挥理想的骨修复作用。

Abiraman等[34]采用Swiss albino小鼠为动物模型，将生物陶瓷和生物玻璃的复合物植入受试动物皮下，研究了纤维蛋白胶的诱导成骨能力。发现表面涂覆纤维蛋白胶的材料组具有明显的异位成骨能力，而对照组却未见任何新骨生成。其研究表明纤维蛋白胶具有诱导成骨潜能。Yamada等[35]将纤维蛋白胶、β-磷酸三钙和间充质干细胞复合，植入小鼠皮下，8周后组织学检测表明植入部位有新骨生成，该实验结果进一步证实了纤维蛋白胶的成骨诱导作用。Bensa?d等[36]研究了在不同纤维蛋白原和凝血酶浓度下制备的纤维蛋白胶对人骨髓间充质干细胞伸展和增殖的影响，发现在纤维蛋白原浓度为18 g/L、凝血酶活性为1.667 mkat/L时制备的纤维蛋白支架最有利于人骨髓间充质干细胞的伸展和增殖。纤维蛋白胶复合支架的形态和结构通常与凝血酶的浓度有关，高浓度的凝血酶使纤维蛋白形成细小的短纤维且纤维间的孔隙较小，可能导致体内移植时宿主细胞和组织很难长入其中，影响治疗效果。Karp等[37]将纤维蛋白胶填充到聚乳酸-已交酯共聚物和磷酸钙复合支架中，用于修复20只Brown Norway大鼠股骨远端的环形缺损，植入11 d后通过组织学观察，发现填充有纤维蛋白的复合支架对骨愈合有明显的延缓作用，表明纤维蛋白胶在复合支架中形成的短小纤维和较小的孔隙不利于骨细胞的长入和爬行替代。

除了发挥类似生物胶的作用参与骨支架构建，纤维蛋白基材料还可以制成水凝胶，用于骨缺损修复。Peled等[38]采用纤维蛋白原与聚乙二醇复合制成水凝胶，用于修复大鼠胫骨节段性骨缺损，发现这种新型水凝胶更易于控制材料的结构和降解率，比其他纤维蛋白基材料具有更好的骨修复效果。

在软骨组织工程中的应用：早在1996年，Haisch等[39]就首次将纤维蛋白胶与聚合物复合用作软骨支架。迄今为止，纤维蛋白基材料已被成功应用于包括纤维软骨、弹性软骨、颅面软骨和关节软骨等软骨组织的再生。纤维蛋白类材料用于软骨修复时通常会面临力学强度不够和降解过快等问题。为解决这一问题，可采用与其他降解速率较慢的材料复合的方法；也可在纤维蛋白基质或培养介质中添加纤维蛋白溶解抑制剂，如抑肽酶、ε-氨基己酸、氨甲基环己酸等，以调节降解速率，保持纤维蛋白胶的形状稳定[3]；还可以采用交联剂（如京尼平Genipin等）进行交联[40]。Eyrich等[41]研究了纤维蛋白胶用于软骨修复时的稳定性，确定纤维蛋白胶的最佳制备条件为：纤维蛋白原浓度在25 g/L或者更高、Ca2+浓度为20 mmol/L、pH值为6.8~9.0。将牛软骨细胞悬浮培养在制备的纤维蛋白胶中，此支架能在3周内保持完整的结构，且细胞在支架上增殖状况良好并正常分泌糖胺聚糖和II型胶原等细胞外基质成分。

用于关节软骨的再生时，纤维蛋白类材料通常与其他聚合物材料复合使用，以发挥两种材料的优势。Lee等[42]将纤维蛋白水凝胶加入到大孔的聚氨酯支架中以改善支架性能，并提高细胞的黏附性能。为提供与软骨生长相匹配的力学支撑和降解速率，Park等[43]尝试在纤维蛋白胶中加入透明质酸作为软骨细胞载体，用于关节软骨修复，结果表明透明质酸的加入可延缓纤维蛋白支架的降解。

5结论

纤维蛋白基材料已经在各种组织工程中获得了广泛应用，与其他生物材料相比，其具有以下几个明显优势：①良好的生物相容性。不同来源的纤维蛋白种属差异小，免疫原性低，采用自体来源的纤维蛋白可完全排除免疫原性。纤维蛋白基材料也能够为细胞的黏附和生长提供丰富的生物信号，在体内环境下有利于募集细胞并促进组织的血管化。②良好的结构可控性。纤维蛋白既可以单独作为支架材料，也可以与其他材料复合，且易于塑造至各种形状，如制成凝胶、黏胶、微珠甚至纳米纤维。③良好的生物活性物质释放载体。可制备成凝胶用于释放生长因子、细胞因子、基因和种子细胞等。通过与生物活性肽结合可用于特异性生长因子如血管内皮生长因子、神经生长因子等的释放。但纤维蛋白基材料也有自身的缺陷，如降解速率过快和力学强度不够等都限制了其更广泛的应用。为了克服这些不足，可通过调节不同组分的浓度或通过化学、生物交联的方法控制纤维蛋白支架的力学强度和降解率。可以预见，随着材料制备和复合技术的不断发展，纤维蛋白类材料将在组织工程中获得更多的应用。