生物工程:生命科学与工程的完美融合

简短的评论

生物工程是生物学、物理学和工程技术的结合，以解决医学和相关问题。这是工程领域的先进阶段，也是生命科学的重大变革。它也是基因工程的一个分支，有助于制造再生医学。

并将其扩展到以组织为目标的分子水平，拓展其作为组织工程的研究。组织工程是一种用于重建或生成新的组织和/或器官的技术。供体供体的有限使得需要第二个手术部位，强调了替代方法如同种异体移植的必要性。我们知道移植排斥反应是移植的一个严重问题，它被自身组织的器官再生所超越，通过使用支架材料加速由生物信号触发的再生过程[1-5］．它为研究人员开发评估骨折、严重烧伤、失明、耳聋、心脏、血管、神经和肌肉损伤的愈合以及许多其他疾病的治疗提供了良好的促进。由支架和细胞组成的组织工程产品将成为目前使用的替代和再生受损或被移除组织的方法的替代品。

人体细胞是多细胞生物，具有内在的复制能力，在各自的调控约束下进行正常愈合过程的要求。干细胞是作为增殖分化过程的附加点，负责修复和替换受损组织，具有自我更新的能力或通过对称或不对称的细胞分裂过程生长的特性[6］．增殖速率极大地取决于初始细胞群的数量、细胞分裂速率、生长因子及其增殖能力。

基本步骤是对生长过程的补充，由于这一阶段细胞存活时间延长，组织和形态发生的功能负责在基因不稳定和突变生长的情况下创造一条路径[7-15］．增殖细胞群与实验假设趋同。

在组织修复和重建中使用细胞有几个潜在的方面。基于干细胞的组织工程被认为是替代缺失和再生受损器官的途径[16-19］．只有了解干细胞中细胞运作的分子机制的基本概念，才能成功地将所有类型的干细胞用于再生治疗。这将为确保其在再生器官中的安全使用做出重要贡献。

通过将干细胞植入支架材料并将支架植入身体其他部位而开始的过程。它们生长、成熟，最后按照要求提取并植入。在另一种方法中，从组织中释放出的干细胞被植入严重受伤的患者体内，以帮助和再生牙髓，从而恢复[20.］．

与自体移植物相比，同种异体移植物细胞化程度较差，血管供应减少，吸收率较高。近年来，间充质干细胞已被用于与支架和分化诱导因子联合发育器官[21-27］．器官再生的一般方法是刺激修复细胞从切口进入血流并移动，或以变形虫的方式移动到损伤部位。一旦到达损伤部位，它们就会分化成修复组织所需的细胞。一旦到达该部位，智能生物材料可用于进一步帮助细胞植入和分化。这种方法已被用于牙齿和牙周再生、肌肉骨骼再生和心血管疾病。

壳聚糖常被用作与骨髓干细胞结合的基质，在身体的某些部位生成骨骼[28-30.］．该模型设计成在现有的皮质骨上生成骨骼。这种超越骨骼包膜的骨骼再生的想法已经实现，使用钛网作为现有骨骼的屏障，而不使用任何移植材料。因此，4%的乙酰化度可以提供结构类似于细胞外蛋白聚糖的非蛋白质基质，用于3D细胞的生存、扩散和生长。

该骨再生技术有望应用于口腔颌面外科领域，主要用于牙槽嵴高度和宽度的修复，牙周缺损和牙槽裂隙的填充，以及面部表面轮廓的修整，如颧骨、下巴、下颌角的增骨[31］．它由β(1-4)-连接的n -乙酰- d -葡萄糖胺和d -葡萄糖胺亚基组成，工业上由几丁质碱性水解生产。

组织在生物学上不仅由细胞组成，还由细胞外基质组成，细胞外基质在提供细胞生长因子和产生使细胞再生的趋化因子方面具有动态和功能性作用[32］．它们还为种子细胞或原生细胞提供三维空间，使其与新组织融合。组织特异性因子作为器官基质的物理支撑，当骨髓来源间充质干细胞用于丰富移植基质时，几乎总是比载体基质更快、更一致地产生缺陷愈合[33］．研究证明，间充质干细胞骨髓诱导物为地塞米松、BMP-2、1,25 -二羟基维生素D等生长因子。

生物材料是天然的或合成的物质，在治疗过程中融入或整合到患者的组织。化合物应具有惰性、无菌、无致癌性、机械耐久、无炎症或免疫反应、价格低廉、使用方便、耐人体组织改性等特点。生物材料的目的是执行、补充或替代减弱或丧失的自然功能。用于组织工程的支架的降解率是及时维持生物力学性能的一个重要因素，同时在形成新基质时允许材料的再吸收[34-36］．

要使这种方法起作用，就需要对修复所需细胞的细胞运输机制有一个敏锐的认识。修复所需的细胞来源可能会随着年龄和疾病而减少。可能需要一种多线索的方法来刺激细胞离开它们的乳头，移动，迁移，分化和植入受损组织。许多研究表明，干细胞生长周期的调控机制可以通过参与这一过程的因素来描述。然而，与在体内不同，在实验室中对生长过程的研究面临着许多挑战，这取决于遗传的不稳定性、可变性和细胞污染，以及缺乏负责细胞活动的允许和抑制因素。体外实验的结果需要在实验室运行，以优化临床理解。在体内，体外研究在时域上面临伦理、财务和资源的限制。虽然这种方法有令人兴奋的可能性，但它也有局限性。

计算分析在推进生物工程的各个方面已经获得了更大的证明，其中正在进行更高水平的模拟研究，以了解重要科学事实的几个方面，包括心血管建模[37]、大脑或神经建模及其他神经信息学研究[38]、药物靶点分析[39-41]、基因及蛋白质的分子信息学[42-44]，肾脏模型[45)等。

因此，从上述讨论中可以明显看出，生物工程已经成为一门真正的跨学科、多层面的科学，它有助于人类的全面改善，主要强调医学、与医学和其他相关学科相关的分子生物学以及其他有影响的科学方面。

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