組織工程簡介

組織工程學是一門包含生物學、現代醫學、材料與工程學的跨領域學 科，組織工程學主要應用於替代、修復或改善人體各種受到損害的組織或 器官，使其恢復功能。目前國際間技術發展以研發製作人工皮膚、軟骨、

硬骨、肝、血管、眼角膜、肌腱、結締組織、內分泌腺體還有神經再生、

細胞治療及幹細胞等為主要項目。

2.2.1 組織工程學的發展

早期組織工程研究的發展會伴隨著人造生醫材料的發展而進步。在 1960 年代，開始嘗試使用人造材料合成的人工皮膚來治療燒燙傷的病人。

在 1970 年代末，麻省理工學院的 Eugene Bell 實驗室成功在體外培養出皮

膚與血管等組織。在 1980 年代，麻省理工學院化工系教授 Robert Langer 與哈佛醫學院教授、麻州總醫院外科醫師的 Joseph Vacanti 等人想到利用科 學的方法製造人體組織與器官的零件，以解決器官捐贈來源不足的問題，

因此他們結合醫學與工程材料的知識，研發能修復人體組織與器官的零件，

此為組織工程研究的開端。1992 年他們透過實驗證實了使用可分解的多孔 狀結構高分子材料植入軟骨細胞可培養出新生的軟骨組織[16]，並且在老鼠 背上成功地培養出人耳形狀的軟骨。

組織工程概念的確立是在 1987 年，由美國國家科學基金會提出和確定，

並在 1988 年於加州太后湖舉行第一次組織工程會議。在 1990 年舉辦第一 屆組織工程學術研討會。在 1995 年專業期刊《組織工程》（Tissue Engineering）

正式發行。美國與世界的組織工程學會分別於 1996 和 1998 年正式成立，

此後組織工程成為生物技術研究領域的顯學[17]。許多國家都投入了大量的 人力物力，進行包括軟骨、硬骨、肌腱、皮膚、神經、肝臟和胰臟等組織 工程的研究，對於輸尿管、尿道、食道、小腸、腎臟和血管等的組織工程 化研究也取得某些進展。

目前人體整形或受損組織修復替代的發展已經提升到高水平程度，除 了腦以及大多數內分泌器官外，都可利用自體、同種異體、異種或人工的 組織與器官來代替以達到美容或恢復受損組織的部分功能等目的。但是仍 然存在異物排斥反應的可能性，像大面積燒燙傷病患在自體完好皮膚非常

有限的情況下，只能以覆蓋移植豬皮、遺體捐贈皮膚或含藥物敷料的方式 來進行手術與治療，否則會有生命危險，但是往往可能存在嚴重的排斥反 應，使其長時間得不到自體組織或器官的接受，最後造成手術與治療失敗。

因此，如何在體外培養出對人體無排斥與免疫反應正常的組織以提供 醫療上的使用，這是醫學界和生物醫學工程學界共同追求的目標。組織工 程使此目標得以實現，未來也許可以藉由組織工程在工廠生產大量的組織 或器官，再利用手術替換因生病或傷害引起的受損組織，甚至是沒長好的 組織或器官。

2.2.2 組織工程的定義與基本概念

組織工程的定義為應用生物與工程的原理發展活組織的取代物，用來 修復、維持或改善人體組織的功能，此取代物將成為人體的一部分，並可 對疾病提供特定的醫療，也就是移植具有正常或類似功能的人工組織或器 官於損傷處，以期能夠達到修復之目的[18]。

組織工程的基本做法如下：

1. 由人體取出細胞。

2. 在體外將細胞培養至足夠數量。

3. 將細胞植入並培養於人工支架內。

4. 必要時添加一些所需的化學藥劑或生長因子以促進細胞的生長與

分化。

5. 將此體外培養的人工組織移植到人體內。

組織工程的三大要素如下：

1. 細胞（Cell）

2. 支撐細胞生長所需的支架（Scaffold）

3. 影響細胞行為的訊息因子（Signal）

細胞可分為已分化完全的成熟細胞、具有分化成其他細胞能力的幹細 胞與基因改質細胞。成熟細胞可依其來源分為自體、同種異體及異種細胞。

自體細胞是最理想的細胞來源，不會產生免疫排斥的問題。如何有效地促 進成熟細胞在體外的增生能力與取得來源受限等問題是其有待解決的課題。

幹細胞是指未分化且分裂增生能力極強的原始細胞。找出誘導幹細胞分化 為特定成熟細胞的方法是其主要研究方向。基因改質細胞是利用基因工程 技術改質後具有特殊功能的細胞。支撐細胞生長所需的支架主要是利用可 分解的天然或合成高分子材料製備而成，具有多孔性的結構，以模擬原本 體內細胞外間質的環境，使細胞能夠遷入並增生，之後支架會逐漸分解，

讓受損的組織逐漸再生與修復。影響細胞行為的訊息因子是指各種生長因 子與荷爾蒙，這些物質與細胞的受體結合後會於細胞內引發化學反應，啟 動某些基因的表現，影響細胞生長、趨向與分化的行為，使組織可以成型。

組織工程可利用體外（In Vitro）或體內（In Vivo）的方式來進行，如

圖 2-1 與圖 2-2 所示[17]。所謂體外的方式，是指結合上述組織工程的三大 要素，在實驗室無菌操作的環境下，培養出人體組織與器官，再由外科醫 師植入人體；而體內的方式，則是僅提供人工細胞外間質與生長信息蛋白 質分子，由醫師植入患部，使周遭組織與器官的細胞自行完成修復的動作。

本研究主要研討的對象，著重於支撐細胞生長所需的支架結構上，研 究如何製備出可應用在組織工程上之管狀細胞生長支架結構。

2.2.3 細胞生長支架

組織的構成包括細胞、細胞外液體以及細胞外間質（ Extracellular Matrix），細胞外間質是由基底層與許多相互交聯網狀結構的蛋白質和多醣 所組成，其中最重要的是膠原蛋白（Collagen）纖維。膠原蛋白分為很多型 式，各組織間或同組織的不同區域內所含之膠原蛋白形式會有所不同。這 些細胞外間質及網狀纖維結構基本上就是細胞生長支架，支撐著組織的形 狀。

胚胎的發育先由受精卵分裂，大約至桑葚期（約 128 個細胞時）細胞 開始製造分泌細胞外間質（初期只是膠原蛋白），如果此時膠原蛋白的合成 受到抑制，胚胎的發育就會停頓，由此可見細胞外間質對於細胞分裂以及 組織的形成極為重要。而組織工程的做法卻相反，首先架好支架，讓細胞 依附與生長在支架上，再逐漸形成組織。細胞生長支架的外型可以依照所

需來建構，以配合將植入人體組織的缺陷處。

細胞生長支架的來源有很多，可以分為天然與人工兩類。目前最常用 的天然材料是由動物取得的膠原蛋白和一些含水膠質（如藻膠與洋菜膠）；

人工合成的材料則有更多種類，如聚乳酸與聚甘醇酸（Polyglycolate, PLGA）

等。膠原蛋白、聚乳酸與聚甘醇酸等高分子化合物經常被塑造成多孔性的 結構，如同我們日常使用的海綿縮影，以便讓細胞進入黏附。

理想的細胞生長支架必須具有以下特性：

1. 材料在架構和功能上與天然的細胞外間質相似，具有良好的生物相 容性（Biocompatibility）（無毒、無菌且不會引發其他免疫系統問題）、 生 物 可 分 解 性 （ Biodegradability ） 還 有 生 物 可 吸 收 性

（Bioresorbability）。

2. 製作方法簡易、快速且利於應用，並可以調節材料在物理、化學、

生物及力學等多方面的性能。

3. 架構穩定，具有一定力學強度以支援新生組織的生長。

電氣紡絲所製作之纖維支架因為具有高孔隙率與面積體積比，所以很 適合作為細胞生長的環境。

組織工程主要致力於組織和器官的再生與形成之研究，藉由材料科學、

醫藥技術、生物科技與工程相關領域的進步，在模仿人體組織與器官形狀 的模型支架中植入細胞，使細胞依模型生長成新的組織或器官，以修復人

體。此項技術對許多因器官衰竭而急需救治的患者而言，無疑是一大福音。