自人类诞生以来，因创伤、疾病等各种原因导致的组织、器官缺损就如梦魇一样从始至终伴随着人类。早期人们对此往往束手无策，只有等待残疾或死亡。现代医学的发展为组织器官缺损的治疗找到了多种有效的方法，目前临床常用的三种方法是：

(1)自体组织移植将病人自身的组织或器官用手术的方法移植到其自体发生病损的部位，以修复病损部位的组织损伤。但这种治疗手段在修复病损组织的同时也对正常部位造成了新的创伤，而且当病损组织范围过大时(如身体大面积烧伤)，往往缺乏足够的供区组织进行修复。

(2)异体、异种组织移植由于自体组织移植存在上述的问题，人们开始尝试应用异体或异种(动物)组织替代缺损的组织或器官，但异体、异种移植面临的最主要问题是免疫排斥反应，病人需要终身服用免疫抑制药物，生存质量得不到保证。异种移植存在的另一个问题是，未知的动物病源可能通过器官移植传染给人类，从而对人类的生存安全造成重大威胁。

(3)生物材料组织代用品应用天然或合成的生物材料植入体内以恢复组织的连续性，替代缺损组织的部分功能。但这种治疗手段只能部分地恢复缺损组织结构与功能，而且材料植入人体后常常因疲劳而发生老化等现象，时间过长还需要更换。

针对上述治疗中存在的问题，科学家开始设想，能否在体外预先制备好各种组织器官，当组织或器官发生故障时，像更换汽车零件一样对人体各种受损的组织或器官进行更换，同时不存在免疫排斥反应。大约在十多年前，美国哈佛大学外科医生Joseph P. Vacanti在海边上瞑思苦想器官供应来源问题，恰好碰到了麻省理工学院的化学生物工程师Robert Langer。Langer向Vacanti建议把细胞放在可吸收的合成材料中来形成组织或器官。这次偶遇引发了组织工程在美国的兴起和在全世界的发展。1987年，美国国家科学基金会正式提出“组织工程”一词并确定了这一门新兴学科的建立。

组织工程学是根据细胞生物学和工程学的原理，将正常的、具有特定生物学活性的人体组织细胞与生物材料相结合，在体外或体内再造组织和器官，以修复或替代人体损伤组织和器官功能的一门科学。

细胞是人体组织或器官最基本的结构与功能单位，通过分泌大量细胞外基质而构成特定的组织。组织中的细胞就像春蚕吐丝一样，细胞外基质就如同蚕丝将细胞包裹在中央，大量的由蚕与蚕丝组成的蚕茧相互连通就构成了不同组织。组织工程的原理，就如同钢筋混凝土进行浇注的过程一样，首先用生物材料(钢筋)预制成各种不同形状的支架，支架内部形成很多小的相互连通的腔室，再将细胞浇注于生物材料支架上，细胞在众多小腔室内通过粘附作用驻扎下来，开始像蚕一样合成大量的细胞外基质。随着各个小腔室被填充完全，生物材料构成的钢筋逐渐降解成对人体无害的物质，各个房间之间逐渐打通，最终形成了不含生物材料、完全由病人自体细胞组成的各种组织或器官。

主要研究内容

1.种子细胞

生物体的各种组织由组织特有一种或多种细胞与细胞所分泌的细胞外基质构成。细胞是执行组织功能的主要成分，细胞外基质为细胞生长提供了适宜的三维空间。组织工程中再造组织与器官所用的各类细胞统称为种子细胞，其来源主要有与缺损组织细胞同源或非同源的自体细胞，前者如自体软骨、皮肤、肝细胞等，这类细胞直接来源于损伤部位的正常细胞或其他生物体的同类组织；而来自其他组织的非同源细胞，经体外诱导后发生分化，成为所需组织类型的种子细胞，如骨髓中的基质干细胞、皮下的脂纺前体细胞在不同的培养条件下可分化成为骨、软骨、血管内皮等细胞。此外，胚胎干细胞也是种子细胞的来源，它取自着床前的胚胎内细胞团，是一种未分化的细胞，保持了进一步分化形成全身各种组织器官的潜能。

2.生物材料支架

用于组织工程种子细胞载体的生物材料主要有人工合成的生物可降解材料和天然材料，前者如聚乳酸，聚羟基乙酸，后者有胶原和源于藻类的藻酸盐。

人工合成的高分子生物可降解材料是一类生物相容性良好的材料，植入体内后能在体液、酶、细胞等作用下发生降解，变成小分子物质被吸收或通过新陈代谢排出体外。这些生物材料的表面能使细胞粘附并生长，植入体内后材料及其降解产物不会引起炎症或产生毒副作用，能加工成三维结构，保证细胞和高分子反应能大面积进行，并提供细胞外再生的足够空间。

天然材料主要取自植物或动物组织。如珊瑚或海藻中的藻酸盐提取物、动物皮肤或跟腱组织中的胶原等。天然材料有较好的组织相容性和亲和力，完整的天然材料还可能存在某些复合生长因子，可调节细胞的生长、繁殖和分化。但天然材料的物理形状如孔隙率、孔径大小等不稳定，也不易改造。

3.组织构建

将一定量的种子细胞接种于生物材料后即可构建组织工程化组织。构建方式主要有体内构建和体外构建。前者是将种子细胞与生物材料混合后直接种植于损伤或组织缺失部位，让细胞与生物材料的复合物在体内正常生理环境中进行增殖、分泌以及材料降解等过程，最终形成结构、功能和与正常组织相同的新组织或器官，完成结构修复与功能重建。

组织构建与修复

肌腱与韧带损伤或缺失是外科临床中的常见问题，长度超过3厘米的肌腱缺损一般不能直接缝合，常采用自体肌腱移植或高分子材料替代等方法进行修复。但由于在经常的力学作用下弹性减退、材料崩解较快，生物材料崩解后的大分子在体内其他部位沉积，目前临床已逐渐淘汰。曹谊林教授等应用自体肌腱细胞与未编织的聚羟基乙酸(PGA)网状支架形成复合物，回植自体肌腱缺损处并维持肢体活动，形成了组织学结构、生化组成与生物力学强度等与正常肌腱组织非常接近的组腱。Banes等研制了可用于体外构建肌腱组织的生物反应器，通过周期间歇性力的作用，前交叉韧带成纤维细胞与胶原纤维在体外形成的组织工程化肌腱，在组织结构、超微结构与生化组成等方面均与正常组织非常接近。

皮肤组织工程一直是组织工程研究中最为活跃的领域，经过多年研究，已有多种皮肤替代产品面市，并进行了广泛的临床应用。Apligraft(又称作Graftskin)是第一种商品化的组织工程化皮肤，其中既含有表皮层又含有真皮层，目前已在加拿大和美国获准用于临床治疗静脉性溃疡。其过程先将从新生儿包皮中获取的成纤维细胞溶于牛胶原中塑形，再在其表面接种新生儿表皮角朊细胞。10天左右，表皮角朊细胞融合成片，覆盖其下的“真皮层”，整个复合物随后被置于气-液界面以促使角朊细胞分化形成角质层，形成含有表皮与真皮结构的组织工程化皮肤组织。

血管移植是临床治疗血管疾病如动脉粥样硬化、动脉瘤、先天性血管畸形以及外伤性血管损伤等的主要手段。临床上至今尚未有合适的替代物。Shinoka等报道了应用组织工程技术构建血管并成功修复自体羊肺动脉缺损。该研究先从羊颈动脉获取少量组织，用组织块法在体外培养并扩增含有血管内皮细胞、平滑肌细胞和成纤维细胞的混合细胞，将上述细胞接种至管型可降解生物聚合材料PGA上。体外培养一周后，回植自体羊体内，修复长2厘米肺动脉缺损，平均观察11~24周，管腔均保持通畅。该项研究令人鼓舞，并提示体内血流动力学环境对形成血管组织具有重要作用。

据世界卫生组织统计，全世界糖尿病患者总数已达1. 43亿人，预计到2025年这一数字将增加一倍。胰腺组织工程研究的目的是再造人体胰腺组织以永久替代病损胰腺，恢复系统精确的糖代谢功能。胰腺组织工程研究目前尚处于初步探索阶段，其中动静脉瘘结合胰岛细胞接种、中空纤维、细胞包囊技术等均可使血糖水平得到有效控制，而包囊细胞移植的研究应用最为广泛。细胞包囊移植实验已在大鼠、犬、灵长类糖尿病动物模型进行，包囊植入后血糖水平均在几小时内即可恢复到正常水平，稳定时限可维持数月至一年。