目前已介绍了通过植入材料进行气管和咽部重建的现有治疗选择。尽管存在多种选择且可获得非常不同的材料，但这些用于气管重建的方法均未成功引入临床常规。主要问题包括吻合口不足、狭窄、缺乏黏膜纤毛清除功能和血管化。组织工程 (TE) 的进展也为气管重建外科领域提供了新的治疗选择。目前在咽部重建方面，尚未看到可对其临床应用成功进行预测的深远发展。在我们自己的研究中，应用了一种由多嵌段共聚物组成的新型聚合物植入材料，由于其物理化学特性，该材料被视为用于上消化道 (ADT) 重建的有前景材料。为了测试这种材料在极端化学、酶、细菌和机械条件下在上消化道中的应用，我们将其用于动物模型中胃壁完全缺损的重建。在所有测试的动物中，均未发生胃肠道并发症或负面全身事件，且胃壁出现多层再生，这意味着黏膜结构规则。未来，先进的干细胞技术将遵循组织工程原理，在头颈外科领域的各种组织重建方面实现进一步进展。
️ 一、引言
️01. 植入材料的历史
早在古代，人体外来材料就已用于医疗目的。在埃及，浸有橡胶的亚麻布被用于伤口缝合。在厄瓜多尔，人们发现了可追溯至古代、牙齿中镶嵌黄金的头骨。罗马人已有关于泌尿科导管的记载。文艺复兴时期，人们开发了手臂、手部、腿部和足部假体。然而，直到 19 世纪下半叶，无菌和灭菌重要性的知识缺失一直是最大的问题，因为感染会危及植入手术。
20 世纪可称为合成聚合物时代。1920 年，研究人员发表了关于由较小亚结构（单体）构成的大型大分子（聚合物）的理论。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）于 1937 年引入牙科医学，尽管 PMMA 植入物的优势特性最初是通过二战中受伤的飞行员为人所知：飞机驾驶舱碎片（PMMA）导致的软组织和眼部损伤仅引起轻微的异物反应。1958 年，研究人员首次报告了聚对苯二甲酸乙二醇酯（商品名：Dacron®）作为血管动脉假体的临床经验。上世纪 60 年代，英国整形外科医生 John Charnley 博士开发了一种基于钢和超高分子量聚乙烯嵌体的功能性骨水泥全髋关节假体，使用 PMMA 作为 “骨水泥” 将其固定在股骨中。从上世纪 90 年代末开始，研究重点转向可降解聚合物植入材料的开发。
从那时起，生物材料的要求越来越适应其应用。所谓的聚合物系统允许材料特性（如机械性能和水解降解）的大规模变化，从而使这些材料适应生物体的特定局部需求。如今，植入材料的功能甚至得到了扩展，现在可以在现场评估和影响细胞和生物过程。这些新型植入材料的技术潜力巨大，据信它们将推动医学新治疗选择的发展。
️02. 再生医学
由于过去几十年发病率的变化和西方世界的现代人口结构发展，临床医学不得不越来越多地应对逐渐导致重要细胞和器官系统功能丧失的疾病。在许多情况下，这些疾病无法通过目前可用的疗法治愈，这些患者不得不接受长期治疗，造成高昂的费用。再生医学有望为许多此类疾病开发新的疗法。其中包括许多广泛传播的高发病率疾病，这些疾病严重降低生活质量，并给公共卫生系统带来高昂成本。预计再生医学提供的解决方案将能够完全功能性替代受损或损坏的组织，从而使永久性对症治疗变得不必要，这符合患者和公共卫生系统的利益。
再生医学具有高度跨学科性，涉及通过生物替代（例如通过体外生产的组织或通过刺激人体自身的再生和 / 或修复过程）来恢复、替代、再生无功能或功能或多或少受损的细胞、组织、器官。这一领域不仅侧重于器官和组织替代（组织工程），还包括经典移植医学和细胞治疗（包括干细胞技术）的新治疗选择和进一步发展。还包括旨在特定刺激组织 / 器官再生的药理学选择的开发。该领域最近启动的所有行动都旨在将研发成果转化为临床医学的新治疗选择。
干细胞研究的重要临床成功以及用于移植目的的软骨、肌肉和血管内皮组织在生物反应器中的体外生长显示了再生医学的巨大潜力。然而，目前在体外培养完整且功能性器官的乐观愿景被认为为时过早，这使人们认识到我们对生物体再生知识的了解仍然存在严重不足。这意味着需要在细胞和发育生物学、细胞分化以及组织和器官的生长和成熟、免疫耐受、组织和器官再生和伤口愈合、干细胞发育、多功能植入材料的开发以及功能性分子成像等领域进行基础研究。在应用研究领域，需要创新的解决方案来将技术系统与生物体耦合。这对于适配的生物反应器系统、具有生物传感器调节生物分子局部释放的药物递送系统，尤其是对于再生过程局部成功的非侵入性评估和持续验证都是必要的。
在国家和国际层面，再生医学领域的特点是进展速度惊人。为了获得创新的问题解决方案，需要将大量不同的科学和技术领域结合起来。自 1990 年以来，德国研究与教育部（BMBF）和德国研究基金会（DFG）已在再生医学领域投入 2.3 亿欧元用于基础研究和转化。近年来，再生医学领域的出版物数量呈指数级增长。截至 2008 年 8 月，年出版物数量已达 9000 篇。然而，新治疗选择的开发从一开始就需要临床医生的参与。特别是临床医生认识到创新治疗发展及其适应临床实践的必要性。
人们认为，基于再生医学的新疗法在临床上确立的一个主要障碍是财务方面。BMBF（2007 年 4 月）发表的一项研究认为，公司的报销做法是开发用于临床常规的产品的最大障碍。该研究还提到了药品和临床研究批准的法律规定。据推测，公司只愿意在进行广泛和长期的研究后为新产品报销。
从临床角度来看，进一步的发展障碍来自复杂的法律规定，例如欧洲和德国特别是关于移植 / 胚胎干细胞的法律规定。只要《药品法》（Arzneimittelgesetz, AMG）继续适用于组织和组织相关产品，基于生物反应器中体外培养组织的疗法的批准过程将非常广泛和漫长。根据新的德国组织法，所有不含器官的人体含细胞部分均被定义为适用 AMG 的组织。联邦医师协会（Bundesärztekammer, BÄK）认识到可能危及德国体外培养组织供应的进一步法律和实际障碍。尤其是《移植法》（Transplantationsgesetz, TPG）中对组织取出机构和组织处理机构的定义，该法是根据欧盟指令制定的。这些定义既不符合欧盟指令，也不符合《药品法》（AMG）。
️03. 功能化植入材料
以下将描述的医学中使用的聚合物植入物的经验及其开发和治疗应用，为未来聚合物植入材料的使用带来了明确的要求。植入材料的功能必须扩大，使其具有刺激敏感性，例如在植入部位对外部刺激或诱导的生物过程作出反应时改变其物理化学行为。聚合物可固定生物活性物质（如肽、蛋白质或碳水化合物），或通过植入物以明确的过程释放。聚合物科学中最新的趋势是开发具有多功能性的可降解生物材料。这意味着特定功能（如水解降解、生理和生物力学组织相容性和形状记忆）可以适应植入部位的区域特定要求。
AB 共聚物网络是一种可功能化的植入材料示例。这些网络是通过寡聚（ε- 己内酯）二甲基丙烯酸酯和聚丙烯酸丁酯链段的光交联制备的。柔性聚丙烯酸丁酯链段的加入允许例如材料弹性的调整，这是该聚合物系统在室温至体温范围内的生物力学功能的重要条件。AB 共聚物网络由于其可水解断裂的聚酯链段而具有生物降解性。除了可水解的酯键外，聚合物网络还包含不可水解断裂的寡甲基丙烯酸酯和聚丙烯酸丁酯链。随着水解降解的进行，从这些链段衍生出越来越多的甲基丙烯酸和丙烯酸衍生物低聚物。这些物质水溶性好，低剂量无毒。对于 AB 共聚物网络，预计低聚丙烯酸丁酯衍生物的残留聚合物重量较高。在生物医学应用中，200,000 g/mol 的分子量被认为是水溶性生物稳定大分子的临界上限，因为超过这个分子量限制可能会在血液循环中积累。由于其可降解性、刺激敏感性、生物相容性和功能性，这些共聚物网络被称为多功能网络。生物力学特性以及降解类型和周期也可以调整。
️04. 聚合物基可降解植入材料的灭菌
植入材料的灭菌是其生物医学应用的前提。聚合物基，尤其是水解可降解的生物材料，通常比陶瓷或金属材料具有低得多的热稳定性和化学稳定性。这就是为什么它们通常不使用常规灭菌方法（如热灭菌（160–190°C）或蒸汽灭菌（121–134°C））进行灭菌，否则聚合物可能会受损。应用电离辐射灭菌可通过链降解或链的新交联改变聚合物的化学结构，从而强烈影响表面特性以及热和机械本体性能。植入材料化学表面结构的变化可影响其在体外和体内的生物相容性。由于聚合物基生物材料的灭菌对灭菌方法提出了很高的要求，因此低温灭菌方法（如等离子体灭菌（低温等离子体灭菌，LTP）和环氧乙烷（EO）灭菌）是当前 intensive 研究的重点。
️ 二、再生医学在上消化道重建中的应用
头颈外科涉及因先天性异常、进行性疾病以及治疗性干预而受损的局部组织（如黏膜、软骨、骨或皮肤）的重建。不同成因的瘘管与头颈区域最严重的并发症相关。这些瘘管通过脓毒症、肺炎或颈动脉壁破坏引起的出血导致高发病率和死亡率。瘘管的持续分泌物和颈部软组织缺损（尤其是咽皮肤瘘）会极大降低患者的生活质量并使其受到污名化。由于肿瘤患者术后唾液瘘，可能无法在计划的时期内进行放疗，从而无法达到治疗目的。自从德国卫生系统引入 DRG（诊断相关组）以来，唾液瘘是一个相关的成本因素。目前治疗咽皮肤瘘的治疗选择取决于瘘管的大小和术后辅助放疗的适应症。
️01. 不同植入材料在气管外科中的首次应用
现代气管外科始于 1881 年 研究人员在狗身上首次成功的颈段气管再吻合术。1948 年，Daniel 首次发表了使用植入材料进行气管重建的结果。用玻璃或金属制成的刚性管用于切除狗的气管段（切除 1 至 13 个气管软骨环）后的缺损重建。这些管子的近端和远端有唇部，通过结扎与气管末端固定（图 1）。术后观察期长达 6 个月。在存活的动物（14/15）中，植入材料嵌入肉芽组织后出现大量异物。还出现了呼吸困难。1950 年，研究人员发表了另一项关于狗气管和支气管缺损重建的研究。在第一篇论文中，科学重点放在手术方法上，而作者在第二篇论文中讨论了功能方面。使用刚性金属假体进行气管重建的愈合或狭窄率取决于作者所述的解剖位置：胸段气管重建的成功率较高，狭窄率较低，而颈段气管则不然。在所有实验中，植入材料周围均形成大量肉芽组织，并继发气管狭窄。其他问题包括缝线断裂和感染。在 50 年代，使用不同材料（如丙烯酸树脂、钽、不锈钢、聚乙烯、尼龙和聚四氟乙烯）在动物身上进行了大量气管重建实验。使用的材料众多且动物存活时间短，表明当时使用植入材料进行气管重建的问题无法解决。50 年代末，植入材料的生物相容性以及取决于植入部位的不同要求的重要性变得显而易见。1958 年 Dacron® 作为动脉假体成功应用后，人们意识到没有适合气管重建手术的材料，该材料需要具备必要的弹性、刚性和生物相容性。50 年代末和 60 年代初，首次尝试在气管重建中临时应用聚合物植入材料。这些材料覆盖有来自泌尿或胆囊的黏膜，以在气管支架周围诱导结缔组织或骨形成。临时应用意味着植入材料应在先前气管缺损区新生长的软骨或骨提供足够稳定性后取出，以使重建的气管组织不会塌陷。尽管在组织学上可以在植入部位观察到软骨和骨组织，但在任何动物中都无法获得足够的气管稳定性，并且所有动物在取出不同涂层的植入材料后均因气管阻塞导致呼吸衰竭而死亡。在 60 年代和 70 年代，进一步测试了用于气管重建的材料，例如 Marlex 网（聚乙烯 / 聚丙烯网）、硅橡胶以及覆盖有软骨和 / 或气管黏膜的 Marlex 网。这些新材料也不符合气管重建在机械强度和足够柔韧性方面的综合要求，以避免机械刺激引起的血管侵蚀。这些材料缺乏生物相容性，植入材料与邻近身体组织的气液密封性不足，抗细菌入侵的足够稳定性，尤其是植入物的功能性气管上皮的上皮化。1987 年，研究人员表明，通过应用成纤维细胞胶原基质修复局限性气管缺损，可以显著降低气管狭窄率。1989 年，研究人员证明了植入材料的生物力学特性取决于植入部位的重要性，并且材料表面的孔隙率对于植入物与周围组织的整合很重要。这些作者应用了一种在管腔和管腔外表面具有不同孔隙率的等弹性聚氨酯假体，用于重建 19 只狗的 38 毫米长的颈段气管缺损。除了端端吻合术外，这些作者还应用了内翻和外翻吻合技术。内翻技术组动物的平均存活时间为 27.7 天，外翻技术组为 11.3 天，端端吻合术组为 19.5 天。导致这些试验终止的最严重并发症是 12 只动物的局部感染和吻合口不足，7 只动物的广泛狭窄伴呼吸衰竭。作者观察到，具有多孔表面的聚氨酯假体与周围组织紧密整合，但在任何动物中，假体管腔表面均未被黏膜纤毛上皮占据。作者将高并发症率主要归因于所选择的动物模型，因为据说狗的颈部活动度远高于人类、猪或大鼠。
图1. 用结扎线固定犬气管缺损近端和远端气管的金属硬管方法，来源：Daniel RA、Taliaferro RM、Schaffarzick WR。《气管和支气管伤口及缺损修复的实验研究》。《胸部》。1950；17：427。
️02. 气管重建的新方法和途径
影响治疗成功的关键因素似乎是能够实现黏膜纤毛清除的功能性黏膜纤毛气管上皮的再生、植入材料引起的异物反应、感染以及在术前区域再次手术的必要性。组织工程技术由 Langer 和 Vacanti 于 1993 年描述，具有三个关键组成部分：用于组织再生的细胞、作为支持细胞迁移、增殖和分化的基质的聚合物支架，以及特异性影响细胞行为的调节因子。对气管假体提出了以下要求：它应该是一种灵活但抗压稳定的结构，由功能性呼吸上皮占据。假体的完全上皮化被认为是实现足够的黏膜纤毛清除并保证可靠的抗感染和结缔组织入侵屏障的主要条件。应用组织工程方法生产气管替代品并在体外和体内进行检查的研究仍然很少。研究人员于 1994 年引入的研究具有引领趋势的作用，其中基于聚乙醇酸（PGA）并由牛软骨细胞和气管上皮细胞占据的构建体被用于闭合大鼠的环形气管缺损。在随后的研究中，分离呼吸上皮细胞并将其注射到体外培养的软骨圆柱体中。对这些构建体的检查显示成熟的软骨组织以及具有黏膜下结缔组织的上皮结构。培养 3 周后，可以观察到多层高柱状上皮的不同分化阶段，也显示出一些纤毛细胞。在随后的实验中，这些作者开发了一种基于软骨细胞和成纤维细胞的气管替代品，并将其植入绵羊体内。由此产生的气管替代品无法在呼吸上皮细胞内形成动纤毛，因此功能不全。
在过去 50 年的实验和临床试验中，除了使用不同的植入材料外，还有许多其他尝试使用不同来源的自体或异体组织，如筋膜、皮肤、骨和骨膜、软骨和软骨膜、肌肉、食道、心包、肠和硬脑膜。据报道，并发症发生率很高，例如狭窄和坏死率高、吻合口不足以及缺乏黏膜纤毛清除功能。
90 年代末和 2000 年初，可生物降解支架被引入气管重建外科。1997 年，研究人员首次描述了使用由聚乳酸 910 长丝与聚二氧六环酮共聚制成的可吸收气管内支架，用于临时稳定大鼠的气管狭窄。研究人员在动物模型中应用了一种由聚（L - 乳酸）（PLA）制成的螺旋形加固支架来桥接气管狭窄。2000 年，研究人员描述了使用可生物降解的聚（L - 乳酸 - 共 - 乙醇酸）（PLGA）支架，通过阔筋膜对兔气管前壁的重建局限性缺损进行气管内稳定。接受气管内可吸收支架的动物的狭窄明显小于未接受支架的动物。植入组 17% 和对照组 23% 的高死亡率主要由功能性相关的气管狭窄引起。这就是为什么结合使用自体材料和可生物降解支架的方法未被接受的原因。作者假设，通过从可生物降解聚合物支架中控制释放生长相关因子，可以增强该方法的潜力，尤其是软骨生长的增强将使重建的气管段更加稳定。
尽管手术取得了所有进展，但声门下狭窄的治疗，尤其是在儿童中，仍然是一项巨大的挑战。1980 年，研究人员引入了前环状软骨劈开术。经过对该技术的几次修改并考虑到禁忌症，现在超过 90% 的儿童可以毫无问题地拔管。尽管取得了进展，但在接受单步手术治疗声门下狭窄的儿童中，术后需要进行几天的气管内插管作为气管内夹板。1991 年，Zalzal 和 Deutch 首次描述了在手术气管重建中使用金属微型板进行外部夹板固定。Weisberger 和 Nguyen 在重建气管外科中使用金属 Vitallium 微型板对软骨移植物进行外部夹板固定，13 名患者中有 10 名（77%）在手术后立即成功拔管。研究人员在重建气管外科中引入了可吸收微型板。这些可吸收板通过缝线固定在气管缺损区域，与通过螺钉固定相比稳定性降低。继 PLGA 制成的可吸收板和螺钉在儿科颅面外科成功应用后，研究人员于 2001 年描述了在狗声门下狭窄的气管重建中使用 PLGA 微型板和螺钉对肋软骨移植物进行外部固定。所有 10 只手术动物均可在术后直接无问题地拔管。在所有这些动物中，声门下狭窄在整个观察期内（术后长达 90 天）均得到充分扩大。其中 2 只动物在软骨移植物中出现坏死，但尽管如此，组织学上仍显示管腔内上皮化。其他 8 只动物显示移植物完全上皮化。由于 PLGA 在体内的降解明显超过本研究中的 90 天观察期，因此缺乏关于 PLGA 在气管应用中的吸收以及 PLGA 降解产物对黏膜纤毛清除的影响的长期结果。
2003 年，研究人员描述了从圆柱形软骨片生产组织工程气管类似物，并配备管腔内上皮。从绵羊的鼻中隔软骨中收获软骨和上皮细胞，并在体外培养。在体外增殖和培养后，将软骨细胞接种在 PGA 基质上。为了塑形，将细胞聚合物支架固定在硅管周围，为了在体内条件下培养，将整个构建体植入裸鼠背部的皮肤下。将预培养的上皮细胞悬浮在水凝胶中，并注射到软骨圆柱体中。植入 4 周后，取出稳定硅管，收获组织工程构建体。据描述，组织工程构建体的形态与天然绵羊气管相似。组织学上显示成熟软骨和假复层上皮的生成。构建体的蛋白聚糖和羟脯氨酸含量与天然软骨相当，因此作者假设这种构建体在体内可能具有足够的稳定性。人们认为，与早期应用的方法相比，这种组织工程构建体在体内植入后可能具有进一步生长的潜力，这可能为儿童气管重建开辟新的前景。到目前为止，软骨是从肋骨、鼻中隔和耳朵以及气管和关节软骨中获取的。虽然研究人员认为来自耳朵的弹性软骨可能不具备生产气管构建体所需的理想生物力学特性，但其他作者在将来自耳朵的弹性软骨应用于气管重建的组织工程中则不太挑剔。
目前，成人气管长度小于 50% 且幼儿气管长度小于 1/3 需要切除时，气管切除后进行端端吻合术是治疗气管狭窄的治疗 “金标准”。较长狭窄的重建是目前尚未解决的治疗挑战。通过移植物重建此类长段需要充足的血液供应，以避免移植物坏死。研究人员在动物中检查了不同的三成分移植物，以模拟由黏膜、软骨和外膜组成的气管解剖结构。由耳软骨和口腔黏膜组成的移植物通过兔的胸外侧筋膜重新血管化。通过应用穿孔黏膜，三成分移植物的上皮化显著增强（应用穿孔黏膜后构建体上皮化 40%，而应用非穿孔黏膜后上皮化 10%）。在所有 20 只手术动物中，均有足够的血管化，移植物中未检测到坏死。作者认为，血管化复合移植物的生产是重建较长气管狭窄的一种选择。然而，这些构建体在动物和临床研究中的成功应用尚缺乏。
其他研究小组采用了完全不同的方法来重建较长的气管段，他们在猪和绵羊中应用主动脉自体移植物进行气管重建。在这两种动物中，植入物术后均通过硅支架稳定。两种动物模型均未应用免疫抑制。在猪中，植入物中显示出化生上皮细胞、新生长的软骨和未组织化的弹性纤维的上皮化。在绵羊中，最初出现炎症反应，随后生长出黏膜纤毛上皮并形成新的软骨气管环。2006 年，该小组发表了在人类患者中应用主动脉自体移植物重建较长节段气管的结果。一名 68 岁患者因位于环状软骨正下方且明确位于气管内、无区域淋巴结或远处转移的气管癌，切除 7 厘米长的颈段气管段后，应用该患者自体肾下主动脉段进行气管重建。切除的主动脉段由 Dacron® 假体替代。该患者已知患有慢性阻塞性肺疾病（COPD）、周围动脉闭塞性疾病（PAOD）和心肌梗死（气管重建前 17 年）。患者术后 12 小时无问题拔管。术后 3 个月应用硅支架进行气管内稳定。术后第 15 天开始对整个气管进行 30 Gy 的辅助放疗。术后 4 周，患者因近端吻合口区域的肉芽组织出现急性呼吸困难，通过在第一个支架近端进一步应用支架进行治疗。3 个月后，两个支架均可无问题地取出。此后，内镜检查未在吻合口处诊断出进一步的肉芽肿组织。临床上不再出现呼吸困难状态。患者术后 6 个月因双肺肺炎导致感染性休克死亡。由于家属不接受尸检，无法透露基于主动脉的气管构建体性能的进一步细节。
尽管基于主动脉的同种异体气管构建体在猪中的表现不太好，但这种在 2 种动物模型和人类中的方法从临床和科学角度来看都很显著。从临床角度来看，主动脉段的使用提供了一种直径与气管相当的管状结构，具有气液密封性、灵活性和高机械强度，并且可按需获得。然而，存在生物力学稳定性不足、无法避免气道塌陷以及缺乏上皮化的问题。从科学角度来看，这种方法允许使用脱细胞组织（甚至是同种异体组织）作为预制的长距离支架进行气管重建，使患者自身的前体 / 干细胞能够生长和分化，这被认为是再生功能组织所必需的。在能够按需工程化生物力学可负载的节段性软骨生长以及组织工程气管构建体被完全功能性上皮细胞占据之前，基础科学和临床研究仍需付出大量努力。
0201. 气管支架的上皮化
2005 年，Omori 发表了首例根据再生医学原理生产的人工气管在人类中的应用。一名 78 岁女性甲状腺乳头状癌需要进行半甲状腺切除术和气管前壁切除。气管壁缺损通过覆盖有胶原的 Marlex 网片进行重建。术后 2 个月，内镜分析显示支架上皮化。支架还具有足够的机械稳定性。手术后 2 年，仍无呼吸并发症或功能不全。尽管缺乏长期结果，作者相信再生医学将为重建气管外科提供新的治疗选择。
在气管重建中应用的补片需要 2 个月的相对较长时间才能上皮化，这指出了一个尚未充分解决的问题。在应用新型聚丙烯胶原支架修复狗的局限性气管缺损后，仅在术后 8 个月才能证明支架完全上皮化。功能性气管上皮作为抵御气管外环境的物理屏障、作为包括液体和离子运输在内的气道综合代谢功能的调节器以及黏膜纤毛清除和气道通畅的调节器至关重要。气管支架的完整和功能充分的上皮化的早期发展对于遵循组织工程原理生产的植入物和构建体的生物功能至关重要。与组织工程构建体接触的呼吸上皮细胞的再生和分化机制的研究直到最近才开始。在此之前，关于呼吸上皮细胞分化机制的研究主要集中在胚胎期的分化以及前体 / 干细胞的上皮细胞的发育和分化。研究表明，人类气管的基底细胞可能是呼吸上皮细胞的前体。用特定凝集素标记细胞并应用流式细胞术可以从分化程度较高的细胞中识别基底细胞。细胞角蛋白在此作为分化标志物发挥重要作用。气管上皮主要由纤毛细胞、杯状细胞和基底细胞组成。这些细胞在气道稳态的生理学中发挥重要作用。纤毛细胞通过高度协调和定向的纤毛运动调节液体和离子含量并清除异物颗粒。杯状细胞分泌黏蛋白等产物，这对于维持黏膜层的屏障功能和细胞粘附的调节非常重要。基底细胞对于前体细胞的产生至关重要，前体细胞是上皮损伤再生的基础。
研究人员在体外将 Omori 使用的支架材料接种大鼠气管上皮细胞。这些上皮细胞在体外表达细胞角蛋白 14 和 18（作为上皮细胞的典型中间丝）以及闭合蛋白（上皮细胞紧密连接的组成部分，是阻止可溶性物质扩散到细胞间隙的屏障的主要成分）。体外在支架上生长的上皮细胞与体内气管上皮细胞在免疫细胞化学上没有差异。体外接种上皮细胞的支架被用于重建大鼠 3 毫米长的颈段气管缺损。在体内的整个观察期（30 天）内，人工气管被上皮覆盖。然而，在气管上皮细胞的分化阶段观察到变化。部分区域发现单层或双层上皮，不携带纤毛，而其他部分则显示具有功能性纤毛的柱状上皮细胞。在该技术的进一步发展中，应用薄的 3-D 胶原基质（Vitrigel®）用于支架中细胞的 3-D 生长。与未涂层的支架相比，这种 3-D 基质增强了上皮细胞的生长以及间充质细胞的侵入。在使用 Vitrigel® 涂层支架的大鼠气管重建后，携带纤毛的功能性上皮细胞的再生明显加速。
多年来，文献中已充分了解上皮 - 间充质相互作用对上皮的形态发生、稳态和再生的重要性。在上皮再生期间，上皮前体从上皮损伤边缘到达并在那里增殖和分化。位于上皮下方的间充质细胞通过产生适当的生物基质以及合成和释放生长相关因子来调节上皮生长和分化。成纤维细胞也是上皮和间充质细胞相互作用的重要参与者，并在伤口愈合中强烈影响上皮再生。它们能够分泌多种生长因子，如角质形成细胞生长因子、表皮生长因子（EGF）和肝细胞生长因子（HGF）。成纤维细胞的重要性已在表皮伤口愈合、口腔和角膜上皮再生中得到证明，2006 年研究人员也在气管上皮再生中证明了这一点。体外共培养上皮细胞和气管成纤维细胞诱导产生包含带有纤毛的上皮细胞、杯状细胞和基底细胞的分层上皮。此外，在体外在上皮细胞和成纤维细胞之间形成基底膜，其中证明了整联蛋白 β4 的存在，这是基底膜和上皮黏蛋白分泌的特异性标志物。
在进一步的研究中，作者证明了异位成纤维细胞（来自真皮、鼻和口腔黏膜）在气管上皮再生中的潜力。与不同异位成纤维细胞接触的上皮细胞再生在结构、纤毛发育、黏蛋白分泌以及离子和水通道（如水通道蛋白和 Na/K ATP 酶）的表达方面显示出不同特征。然而，在与鼻成纤维细胞接触时，体外未产生成熟和功能充分的气管上皮。真皮成纤维细胞诱导产生类似表皮的上皮。特别是与口腔黏膜成纤维细胞共培养诱导产生形态和功能正常的气管上皮，这与与气管成纤维细胞共培养后体外上皮的再生相当。来自气管和口腔黏膜的成纤维细胞表达角质形成细胞生长因子、表皮生长因子和肝细胞生长因子。来自口腔黏膜的成纤维细胞在体外增强上皮细胞的增殖和迁移，类似于气管成纤维细胞。由于口腔黏膜的取出明显比气管黏膜的取出侵入性小，现在似乎有一个非常有前途的方法来开发具有功能充分上皮的支架用于气管重建。
2008 年，同一小组使用这种上皮细胞和气管成纤维细胞共培养技术在体外生产接种细胞的气管支架，并将组织工程支架应用于大鼠的气管重建。作者能够在体内证明完全功能性的上皮。除了气管上皮细胞和成纤维细胞的共培养外，文献中还描述了气管上皮细胞和间充质干细胞的共培养，用于 “体外” 重建完全功能性的气管上皮。由此产生的上皮显示出气管黏膜的形态、组织学和功能特征。作者假设，与间充质干细胞共培养可能在未来的组织工程中发挥主要作用。
0202. 气管构建体的血管供应
迄今为止，一个尚未充分解决的问题是支架和由这些支架在体内发育的组织构建体的血管供应。气管构建体上的长期功能性上皮需要充足的血管供应。与其他实质器官不同，气管由小血管网络供应，显然不易生成。显微吻合术在动物模型中未成功，因此未进一步研究。从文献中可知，气管重建后，吻合口处的毛细血管网络最多仅向植入物方向延伸 2 厘米，并且这种再血管化过程需要数月时间。在长度超过 3 厘米的气管植入物中，上皮溶解，随后基底膜破坏，继而形成肉芽肿组织，产生气管狭窄。虽然生物反应器允许自体细胞和功能组织的生长，并常规用于生成骨软骨构建体和组织工程心脏瓣膜，但显示生物反应器用于生成气管支架的研究很少。阻碍气管支架在人类中应用的决定性问题是构建体缺乏上皮化和血管化。2006 年，研究人员发表了用于生成气管构建体的所谓 “体内生物反应器” 概念。他们提出了层状支架，其内层有一个多孔导管，用于持续供应细胞和营养培养基，构建体的外层提供必要的稳定性。与传统生物反应器中营养培养基主要在构建体周围流动不同，现在计划在支架内建立类似于体内血管分布的灌注系统。该小组在下一步中将人气管上皮细胞接种到相分离多嵌段共聚物（DegraPol®）上，并通过支架内的多孔导管持续供应细胞和营养培养基。他们还检查了灌注培养基中存在的血管内皮生长因子（VEGF）对绒毛膜尿囊膜（CAM）测定中血管化的影响。管状可生物降解支架的持续灌注与构建体的充分上皮化和 CAM 测定中血管化的加速同时发生。作者认为，体内生物反应器的概念允许组织重建中更生理的过程，并为迄今未解决的气管支架血管化问题提供了更好的初始条件。
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️03. 再生医学在咽部缺损重建中的应用
使用可降解、多功能聚合物材料重建咽部将是头颈外科的一种新型治疗选择。目前，使用植入材料重建咽部缺损尚处于早期阶段。到目前为止，仅有关于在口腔黏膜和腭区域使用植入材料的数据可用。研究人员在大鼠的背咽壁注射交联透明质酸以治疗腭咽闭合不全。在所有动物中均发现由透明质酸引起的早期炎症反应。注射后 6 个月，仍可在原注射部位检测到透明质酸，并被结缔组织包围。尽管缺乏长期结果，作者认为注射交联透明质酸适用于人类轻度腭咽闭合不全的增强。研究人员将体外接种口腔角质形成细胞的皮肤基质植入狗的腭部伤口中，作为通过组织工程构建体闭合腭裂的模型。在所有 6 只动物中，均可检测到上皮丢失和皮肤基质的明显降解。作者得出结论，这些组织工程构建体的充分整合需要体内支架的早期和充分再血管化。目前，口腔黏膜组织工程的主要焦点是使用新型真皮支架和包括 3-D 模型的上皮细胞培养方法。研究人员给出了最新综述。
尽管组织工程构建体在几乎所有医学领域都有众多生物医学应用，但迄今为止，在动物模型或人类中，尚无关于肿瘤切除后使用植入材料重建咽部的文献数据。多功能聚合物植入材料的可用性（可根据解剖、生理、生物力学和外科要求进行调整）也促进了头颈外科新治疗选择的开发。本小组的一个主要科学主题是弹性可降解 AB 共聚物网络在体外和体内的生物相容性测试，由于其物理化学特性，该网络似乎适用于咽部缺损的重建。
️ 三、头颈外科的方法和新治疗选择
️01. 上消化道原代细胞培养
细胞培养的使用是几乎所有生物和医学研究实验室的基本工具。生物相容性测试应根据生物医学应用使用特定部位的细胞培养物进行，以评估生物材料与特定部位不同细胞之间的特定相互作用。因此，对似乎适用于咽部缺损重建的聚合物材料的生物相容性测试应使用咽部原代细胞培养物进行。关于植入材料与细胞 / 组织之间相互作用的知识是根据上消化道的特定需求理想地调整聚合物材料的基本要求。在自己的研究中，建立了口腔、咽部和食道的原代细胞培养物，并进行了生物化学表征。免疫细胞化学研究显示，根据取出的解剖部位，上皮细胞、成纤维细胞和平滑肌细胞的相对数量不同。关于咽部上皮正常和延迟伤口愈合的机制知之甚少。因此，咽部原代细胞培养物的全面表征是开发和建立新治疗选择的第一步。
️02. 基质金属蛋白酶的评估和调节与伤口愈合
细胞粘附、迁移、增殖、血管生成、细胞外基质降解和肉芽组织重塑是伤口愈合的决定性步骤。正常伤口中细胞外基质的数量和组织由整体基质合成、沉积和降解之间的动态平衡决定。细胞外基质的严格控制降解是正常伤口愈合的重要过程。伤口愈合过程中基质降解和合成之间的不平衡将导致伤口愈合延迟，在细胞外基质降解失衡的情况下出现瘘管和溃疡，或在基质合成失衡的情况下出现肥厚性瘢痕和瘢痕疙瘩。
基质金属蛋白酶（MMPs）是一类结构相关的锌依赖性内肽酶，共同负责细胞外基质蛋白的降解。MMPs 在伤口愈合中具有重要功能。在体内正常条件下，MMPs 的表达和激活受到严格控制。MMPs 的活性在转录和酶原激活水平上受到调节，并可被特异性抑制剂 —— 金属蛋白酶组织抑制剂（TIMPs）抑制。最近，已鉴定并克隆了 4 种不同的 TIMPs（TIMP 1-4）。文献中报道了正常和延迟伤口愈合中不同的 MMP 和 TIMP 水平。MMPs 和 TIMPs 活性之间的微妙平衡在构建功能性细胞外基质中起关键作用。到目前为止，关于上消化道细胞在体外和体内的伤口愈合和 MMP 表达机制知之甚少。
上消化道细胞的 MMP 和 TIMP 表达的全面表征是在手术治疗后延迟伤口愈合的情况下开发和建立头颈外科新治疗选择的基本要求。自己的生物相容性测试的主要焦点是分析上消化道原代细胞培养物在接种到聚合物植入材料的不同修饰表面后 MMP 和 TIMP 的表达，以获得将这些材料最佳适应上消化道特定需求的知识。
在研究的原代细胞培养物中，咽部细胞被接种到多功能共聚物表面以及市售聚苯乙烯细胞培养皿表面作为对照。在两种表面上，细胞均贴壁、增殖并达到汇合。在接种后第 1、3、6、9 和 12 天，细胞生长的平均细胞数没有统计学显著差异。在两种表面上生长的细胞第 1 天的 MMP-1、MMP-2 和 TIMP 水平最高。在接下来的研究时间内，水平呈下降趋势（图 2）。在聚合物和对照表面之间，MMP 和 TIMP 表达没有统计学显著差异。在蛋白质水平上分析了 MMP-2 表达的动力学，并通过 RT-PCR 在 mRNA 水平上进行了分析（图 3）。根据当前结果，多功能共聚物不影响咽部原代细胞培养物的粘附、增殖和分化。
图2. 分别在聚苯乙烯（对照表面）和多嵌段共聚物表面上生长的咽部原代细胞培养物中MMP-2、MMP-1和TIMPs的出现和活性水平的动力学。A图显示了MMP-2明胶溶解活性的扫描密度单位。B图显示了MMP-1活性以每108个细胞的单位数表示。C图以MMPs的抑制百分比计算TIMP活性。在细胞生长的第1、3、9和12天测定MMP-2水平。在细胞生长的第1、6和12天分析了MMP-1和TIMP的水平。进行统计学分析以确定第1天与细胞生长后各天MMP-2、MMP-1和TIMP水平的差异。具有统计学意义的差异（p≤0.01）用星号表示。数据为三次独立实验的平均值，每次实验包含9个细胞培养物（数值为平均值±标准差）。
图3. 生长于聚苯乙烯（对照）和多嵌段共聚物表面的咽部原代细胞培养物的MMP-2 mRNA水平。左侧显示在聚苯乙烯（对照）上生长的第1天和第3天的咽部原代细胞的MMP-2 mRNA水平。右侧显示在共聚物上生长的第1天和第3天的细胞的MMP-2 mRNA水平动力学。 RT-PCR 所用的引物为大鼠 MMP-2 和大鼠 GAPDH。缩写：RT-PCR = 逆转录酶聚合酶链式反应
️03. 植入物拓扑结构的影响
材料与周围组织的整合是植入材料在体内成功临床应用的基本要求。材料的表面特性（包括其表面拓扑结构和化学组成）对于材料与细胞和组织之间的相互作用非常重要。到目前为止，已知一些细胞过程可用于评估植入材料上的细胞行为。这些知识大多基于细胞培养研究，尚不清楚这些机制在体内是否也存在。可降解植入材料在体内用于咽部重建的成功应用的基本要求是材料与周围组织的唾液密封性整合。此外，需要植入材料具有足够的化学稳定性，以避免唾液瘘和邻近软组织的破坏。用于咽部重建的长期可降解聚合物支架的开发必须保证足够的生物相容性和生物功能性，以及考虑到上消化道特定生理和机械要求的功能性组织形成的生长。近年来，生物材料研究的重要进展是通过针对体内不同植入部位的特定要求优化支架设计来改善细胞粘附和增殖。研究工作的主要方面集中在不同宏观和微观设计参数对可变细胞局部分化的影响。其他方面涉及生长因子的控制释放。到目前为止，关于聚合物植入材料的不同表面拓扑结构对直接参与细胞外基质重塑的酶的基因表达和合成的影响知之甚少。
我们自己的结果表明，聚合物植入材料的表面结构对细胞行为的影响取决于表面粗糙度（光滑与粗糙表面）。根据细胞类型和共聚物的表面结构，细胞粘附、增殖以及 MMP-1、MMP-2 和 TIMPs 的分泌动力学和活性显著不同。接种到粗糙表面的口腔和咽部原代细胞的平均总细胞数明显多于光滑聚合物表面。食管细胞在对照聚苯乙烯表面显示出最高的细胞数。口腔和咽部细胞显示出 MMP-1、MMP-2 和 TIMPs 的出现和活性动力学相似，在第 1 天值最高，随后在粗糙聚合物和对照表面上活性水平下降。接种在光滑聚合物表面的口腔和咽部细胞表现出相反的模式，第 1 天 MMP-1、MMP-2 和 TIMPs 的活性最低，第 12 天值最高。食管原代细胞培养物在所有三种不同表面（光滑和粗糙聚合物表面、对照表面）上显示出相似的出现和活性动力学模式，第 1 天 MMP-1、MMP-2 和 TIMP 表达最低，第 12 天最高。
细胞外基质的存在与否决定了上消化道不同原代细胞培养物的增殖、分化和生物化学活性。这些结果得到了文献数据的证实，文献数据也显示了表面拓扑结构对直接参与细胞外基质重塑的酶的基因表达和合成的影响。
这些实验的结果表明，表面拓扑结构对与植入材料接触的细胞行为具有特定影响。细胞 - 生物材料相互作用的确切机制的知识是开发 “理想” 植入材料的基本要求，以便基于聚合物植入材料在头颈外科中建立细胞和组织优化的新治疗选择。
️04. 新植入材料在动物模型中的应用
在上消化道区域使用可降解植入材料对材料的化学、酶、细菌和机械稳定性提出了很高的要求。植入材料的过早降解会导致广泛的唾液瘘，死亡率高，可能导致颈动脉破裂。由于上消化道中随着 pH 值变化、酶、细菌以及吞咽和消化过程中的特定机械负荷的化学条件，使用可降解植入材料重建上消化道需要支架材料具有足够的化学、酶、细菌和机械稳定性。到目前为止，这些综合需求只能在动物模型中进行测试。在我们自己的小组中，建立了一种动物模型，在大鼠中创建标准化的胃壁完全缺损，并用弹性长期可降解聚合物植入物闭合（图 4）。胃被用作 “最坏情况” 应用部位，以测试植入材料在极端化学、酶、细菌和机械负荷下的稳定性。在该模型中，缝线胃破裂和瘘管伴局部或全身性腹膜炎的死亡率与咽部功能不全和唾液瘘的死亡率相当。植入组包括 42 只动物。对照组（n=21）进行了无生物材料植入的胃壁缺损一期闭合。此外，还研究了所谓的基线组（n=21），该组动物在相同条件下未进行任何外科手术。植入期或观察时间为 1 周、4 周和 6 个月。
图4. 图 4A 显示了胃壁缺损。图 4B 显示了植入组中用多嵌段共聚物封闭缺损的情况。在胃小弯和大弯之间的腹侧，进行了直径 10 mm 的标准化胃切开术。胃壁缺损以箭头标记（图 4A）。植入组中，用共聚物补片（直径 10 mm；厚度 200 µm）封闭缺损。用共聚物补片封闭缺损的情况以箭头标记（图 4B）。用单丝不可吸收 8/0 线，以不间断的浆肌缝合技术将共聚物补片缝合到胃壁缺损处。
在该动物模型中研究的基本参数包括聚合物与周围组织的紧密闭合、植入材料的化学和机械稳定性、聚合物与周围组织的整合以及用聚合物植入物重建缺损后的组织再生问题。在任何动物中均未发生胃肠道并发症，如瘘管、穿孔或腹膜炎。植入组的所有动物中，聚合物与相邻胃壁之间存在液密和气密吻合（图 5）。为了测试植入材料与相邻胃壁之间的不渗透性，在通过空气吹张使胃最大扩张后测量胃内压力（图 6）。在植入组和对照组中，分别在植入 1 周、4 周和 6 个月后或一期闭合后，宏观和微观上均未观察到伤口愈合延迟。1 周后，检测到胃壁从胃壁缺损边缘区域开始的再生。4 周和 6 个月后，在胃壁的前缺损区发现了组织学上已知的规则的多层胃组织（图 7）。在对照组中，缺损被瘢痕组织替代。植入材料与相邻组织整合的机制以及组织再生的机制是当前正在进行的检查的主题。植入材料的生物相容性和生物功能性对组织再生的重要性通过使用聚 - L - 乳酸作为当前可降解植入材料 “金标准” 的动物实验中的完全不同结果进一步阐明（未发表结果）。在相同的动物模型中尝试用聚 - L - 乳酸重建胃壁后，由于 12 只动物中有 9 只（75%）出现胃壁穿孔和广泛腹膜炎，该检查在 12 只动物后不得不终止（图 8）。
图5. 共聚物植入1周后离体胃的形态。箭头标示聚合物植入部位。十二指肠内插入一根用于充气的柔性管。通过探针测量切除的食管内的压力。箭头标示压力探针。大鼠胃的一个特殊解剖特征变得明显：植入共聚物的胃腺部分（箭头标示）与非腺部分之间严格分离。这种特殊解剖特征对聚合物材料生物功能性的影响目前尚不清楚，需要在其他动物模型中进行研究。缩写：Duod. = 十二指肠；Esoph. = 食管。 = 食管
图6. 胃最大扩张后充气测量胃内压（mm Hg）的图形表示。植入组、对照组和基线组在1周、4周和6个月后充气测量胃内压（mm Hg）。
图7. 植入1周、4周和6个月后的组织学发现。在两种放大倍数（1.5倍和5倍）下，植入1周后，胃壁缺损（箭头所示）的特征是胃上皮缺失。缺损区附近的边缘区域显示规则的胃上皮，并以星号标记。植入1周后，在缺损区附近的边缘区域可检测到组织再生。由于二甲苯和乙醇处理以及石蜡切片的切割，用于闭合缺损的聚合物材料被去除，在大多数组织学切片上无法检测到。植入4周和6个月后，所有动物在原缺损区域（箭头标记）均检测到组织学上规则分层的胃壁。原缺损的边缘区域以星号标记。缩写：H.E.染色 = 苏木精-伊红染色
图8. 大鼠胃壁应用聚-L-乳酸（A）或共聚物（B）后腹腔的宏观观察。在胃壁应用聚-L-乳酸（A）1周后，发现整个腹腔明显粘连。由于75%的动物出现胃壁穿孔和严重腹膜炎，聚-L-乳酸的动物实验在12只动物后终止。与这些发现相反，在重建后，植入组的所有动物（n=42）均检测到镜像腹膜共聚物成功修复胃壁，且无肠袢粘连。植入组动物未出现穿孔、腹膜炎等胃肠道并发症。
此外，还研究了共聚物的全身影响。从文献中可知，腹膜是生物体对植入材料的生物相容性依赖的炎症反应非常敏感的腔室。植入材料的不相容性和 / 或其过早降解预计会引起局部炎症反应，引发急性期反应，并伴随急性期蛋白基因表达的诱导。然而，急性期蛋白 α1 - 酸性糖蛋白和触珠蛋白的浓度在多嵌段共聚物和对照组之间没有统计学显著差异。
在迄今为止进行的实验中，聚合物植入材料在胃的极端条件下显示出化学、水解和酶稳定性以及生物力学功能。动物术后体重增加、植入材料与胃壁相邻组织的不渗透性、急性期蛋白 α1 - 酸性糖蛋白和触珠蛋白的浓度以及缺乏胃肠道并发症表明，在研究期间，可降解多嵌段共聚物未对伤口愈合产生负面影响。相反，检测到植入材料对组织再生的支持。生物材料 - 组织整合、组织再生、组织重塑以及聚合物降解的机制必须在未来的实验中进行分析。
迄今为止关于组织相容性的结果允许将共聚物网络视为基于可降解生物材料的头颈外科新治疗选择开发的非常有前途的植入材料。下一步，共聚物将首先在大型动物模型中用于上消化道的重建。如果未来和临床研究中得到积极评价，这种聚合物的应用对于人类咽部的重建是可以想象的。
️ 四、组织工程构建体的血管化
组织工程构建体的活力和功能性取决于氧气和营养物质的充足血液供应以及代谢物的清除。迄今为止，成功进行组织工程的大多数组织 / 器官相对较薄和 / 或无血管，如软骨、皮肤或膀胱。因此，在许多情况下，受者伤口愈合驱动的血管生成被认为足以向组织工程构建体供应氧气和营养物质。有人提出，用于咽部重建的支架的血液和营养供应可能足够，因为所使用的植入材料相对较薄（<100 µm）。在任何情况下，所应用的支架都应支持血管生成。因此，研究聚合物植入材料对血管生成的影响是生物相容性测试的一个重要方面。
在我们的研究中，我们表明肾上腺皮质的牛毛细血管内皮细胞（EC）附着在共聚物表面并形成汇合细胞层。此外，在绒毛膜尿囊膜（CAM）测定中，未检测到共聚物样品对血管化的负面影响。根据药物递送原理，从聚合物表面的囊泡中控制释放血管生成因子以支持血管生成是当前正在进行的研究的科学主题。
目前，体内细胞定植支架的充分血管化是心脏或肝脏等复杂和代谢挑战性器官的组织工程的最关键点之一。在实质器官的情况下，组织工程微循环必须与受者的循环系统连接。目前可用的组织工程构建体血管化技术可分为 “体外” 和 “体内” 方法。在过去几年中，在解决为复杂的 3-D 构建体建立微循环网络的问题方面取得了相当大的进展。研究人员开发了一种 3-D 细胞培养系统，共培养人皮肤成纤维细胞和脐带动脉内皮细胞。他们发现成纤维细胞支持内皮细胞的迁移、活力和管状结构的发展。基于这样的模型，可以获得关于毛细血管结构在工程组织中的整合的知识。研究人员提出，组织工程支架血管化的方法是将构建体与血管细胞（如内皮细胞和周血管细胞）共培养。作者证明，将支架与特定部位的细胞以及内皮细胞和周血管细胞共植入导致体内血管结构的发展，连接支架和受者的循环系统。这些血管结构的稳定性和充分功能性维持了 1 年以上。基于这些结果，作者认为这种共植入技术是组织工程构建体血管化的有前途的方法。
另一方面，仍然存在许多未解决的问题，如支架与受者血管化的连接、随着组织或器官质量或活动的增加维持或增加血管密度、功能不足的血管的成熟以及血管结构的不必要退化。未来，通过全面了解不同器官中异质内皮细胞的调节，可能会获得这些问题的答案之一。此外，需要广泛了解内皮细胞、周细胞和平滑肌细胞之间以及血管和实质细胞之间的细胞相互作用的分子过程的机制。除此之外，必须分析血管的机械特性（如通透性、弹性和可压缩性），并设计植入材料的非血栓形成表面。研究人员对微循环工程作为实质器官成功组织工程的基本要求的当前知识进行了综述。
️ 五、干细胞在再生医学中的应用
干细胞具有自我更新能力和向各种细胞谱系分化的能力。因此，它们是再生医学和组织工程的重要组成部分。这些细胞可广泛分为胚胎干细胞和非胚胎干细胞或成体干细胞。胚胎干细胞被称为多能干细胞，可以分化为三个胚胎 germ 层的所有细胞类型。另一方面，成体干细胞是多能干细胞，这些细胞的分化仅终止于 germ 层之一。胚胎干细胞具有巨大的潜力，但其使用受到若干伦理和科学考虑的限制，这些考虑是德国法律的基础。除了伦理考虑外，胚胎和成体干细胞使用的限制因素包括与广泛的体外细胞扩增相关的问题、在植入材料上的体外培养问题、植入后细胞凋亡、血管化以及干细胞技术的财务问题。
1963 年，研究人员已经研究了干细胞，他们将骨髓细胞注射到辐照小鼠体内，并注意到小鼠脾脏中形成的结节与注射的骨髓细胞数量成比例。他们得出结论，每个结节都来自单个骨髓细胞。后来，他们发现证据表明这些细胞能够无限自我更新，这是干细胞的核心特征之一。
干细胞已在实验和临床研究中成功用于骨、软骨、脊髓、心脏和膀胱再生。研究人员对干细胞在再生医学领域的应用进行了最新综述。
2001 年，研究人员报道了远端指骨的成功组织工程，并在一名 36 岁拇指部分撕脱伤患者中替代了该骨。然而，仅获得了正常强度的 25%。研究人员报道了自体培养扩增的骨髓基质细胞（BMSCs）与多孔羟基磷灰石结合用于重建胫骨、尺骨和肱骨的临界大小缺损（4–7 厘米长的骨节段缺损）。结果令人鼓舞，移植物整合良好并恢复功能。2006 年，研究人员发表了使用组织工程结合垂直牵引成骨（DO）通过骨皮腓骨移植物在放疗后重建下颌骨时促进人类骨形成的研究。DO 是一种用于骨延长的方法，除其他外，用于面部颅骨的外科重建以桥接不同成因的骨缺损。为了促进 3-D 骨形成并缩短巩固期，作者在一名接受垂直 DO 和骨皮腓骨瓣重建下颌骨的患者中应用了组织工程成骨材料（“可注射骨”）。该材料包含自体间充质干细胞，经培养扩增后诱导成骨特性。富血小板血浆（PRP）用凝血酶和氯化钙激活，并在牵引结束时渗入牵引组织，并在植入时注入钛网在唇部形成的空间中。尽管牵引区域的唇侧骨膜撕裂和开放，重建的下颌骨高度从 10 毫米扩展到 25 毫米。作者认为，组织工程辅助的 DO 可能是未来骨缺损外科重建的首选治疗方法。此外，作者还成功地将这种组织工程成骨材料（“可注射骨”）技术用于一名 9 岁女孩的腭裂骨成形重建。
尽管干细胞多年来已成功临床用于关节软骨再生，但通过组织工程完全重建耳廓仍然是头颈外科的一大挑战。原因很复杂，尤其与尚未解决的支架设计问题和干细胞分化诱导产生弹性耳软骨的问题有关。头颈外科还有许多其他不太受关注的研究领域需要干细胞技术，例如上消化道的黏膜重建。第一个方法是通过干细胞与特定部位细胞的共培养开发纤毛上皮。
虽然这些技术已用于泌尿道黏膜和角膜的重建以及牙齿再生，但除了唾液腺组织外，头颈外科黏膜重建的发展仍处于相对初级阶段。
️ 六、结论
植入材料的质量仅在成功的临床应用中体现。因此，需求概况由体内条件决定。上消化道的化学、酶、细菌和机械条件对该区域黏膜重建的植入材料提出了很高的要求。在气管重建外科中，通过多种方法研究的不同植入材料均未成功引入临床使用。基于再生医学原理的咽部缺损重建，迄今为止既没有动物模型，也没有在人类中的临床应用。基于聚合物化学的进展，如今已有多功能植入材料可用，它们可以在生理环境中选择性地启动生物过程和 / 或对外界刺激作出反应而改变其物理化学特性。此类多功能植入材料的可用性和组织工程的进展导致了不同医学领域新治疗选择的建立。应用干细胞技术，预计将根据组织工程原理在不同组织的重建方面取得进一步进展。为了从这些技术的潜力中受益，开发和建立头颈外科的新治疗选择，临床医生必须参与再生医学的这些跨学科科学项目。
