综述：壳聚糖-聚乙烯亚胺复合支架在组织工程中的进展：挑战与机遇的全面评述

本综述系统探讨了壳聚糖（CS）与聚乙烯亚胺（PEI）复合支架在组织工程领域的最新突破。文章重点分析了CS-PEI复合材料如何通过增强机械性能、生物活性和转染效率，克服传统CS支架的局限性（如力学强度不足）。同时，综述也客观评估了高浓度PEI可能带来的细胞毒性挑战，并展望了通过化学交联、3D生物打印等先进制造技术优化支架性能的未来方向，为再生医学、伤口愈合及可控药物递送等应用提供了重要见解。

　　

组织工程：传统策略的局限与新希望

每天，都有大量手术用于切除或替换因创伤或疾病而受损的组织。传统修复方法如缝合、移植物和假体，往往只能实现有限的功能恢复，并可能导致炎症、感染和植入物排斥等并发症。这些方法难以实现真正的组织再生，常导致瘢痕组织形成，影响器官功能，并伴随长期生活质量的下降。组织工程作为一种多学科领域，通过结合细胞技术、生长因子和生物材料支架，为这些挑战提供了变革性的解决方案。支架作为细胞粘附、增殖和分化的锚定平台，并提供结构支持以促进血管化，是组织工程的核心。

组织工程支架中的常用聚合物

理想的支架材料需要模拟天然细胞外基质（ECM）的复杂信号和特性。聚合物因其生物相容性、可降解性和易加工性而被广泛应用，主要分为天然聚合物和合成聚合物两大类。

天然聚合物来源于生物体，如微生物、植物和动物。它们毒性低，与宿主组织相似度高，能有效促进细胞附着、迁移、分化和增殖。然而，它们也存在对温度敏感、机械强度较低、可能存在免疫原性以及批次间差异大等缺点。

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  蛋白质基聚合物：如胶原蛋白、明胶、纤连蛋白、纤维蛋白、弹性蛋白和丝素蛋白（SF）。胶原蛋白生物相容性极佳但力学性能弱；明胶（Gelatin）是胶原蛋白的水解产物，具有凝胶形成能力；丝素蛋白则以其卓越的机械强度著称。
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  多糖基聚合物：如几丁质、壳聚糖（CS）、透明质酸（HA）、细菌纤维素（BC）和海藻酸盐。CS以其良好的生物相容性、生物可降解性和抗菌性备受关注，但其机械强度和形状稳定性较差，常通过与其他材料（如明胶、羟基磷灰石）交联或共混来改善。HA因其出色的保水性和生物相容性被广泛使用，但降解快，需通过交联增强稳定性。
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  天然聚酯：如聚羟基脂肪酸酯（PHA），由微生物产生，具有生物可降解性和生物相容性。

合成聚合物如聚酯（PCL、PLA、PGA、PLGA）和聚氨酯（PUs），其降解速率和机械性能可调。例如，PCL降解缓慢，适合长期植入；而PGA降解较快。合成聚合物的局限性在于其柔韧性较差，且缺乏生物活性表面。

智能聚合物能响应外部刺激（如pH、温度、光、电）而发生性质变化，包括智能水凝胶、压电聚合物和光固化聚合物（如明胶甲基丙烯酰基（GelMA））。这些材料为创建动态、响应性的组织工程支架提供了可能。

理想组织工程支架的要求

一个理想的支架应具备以下关键特性：

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  生化行为：支架的表面和本体特性（如亲水性、电荷密度）影响细胞与支架的相互作用，调控细胞增殖、迁移、分化和组织发育。通过点击化学等方法进行化学修饰可增强其功能。
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  结构与形态：可定制的参数如纤维直径、孔隙率、纤维排列和表面粗糙度对细胞行为有显著影响。例如，排列整齐的纤维能促进干细胞分化，而较大的孔径有利于细胞浸润。
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  生物降解性：支架的降解速率必须与新生组织的生长速率相匹配。降解过快会导致支撑丧失，过慢则可能引起免疫反应或植入物包裹。
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  机械行为：支架的刚度、弹性等机械特性通过机械转导影响细胞的命运决定（如分化）。调整聚合物的混合比例或交联度可以模拟不同组织的机械环境。

壳聚糖支架的最新进展

近年来，CS基支架从简单的生物相容性支撑材料发展为用于骨组织再生的先进多功能平台。通过与羟基磷灰石（HA）、生物活性玻璃等材料复合，其机械强度和骨形成潜力得到增强。创新的“智能”支架能够响应生理信号（如pH、温度）以可控方式释放治疗剂。4D打印技术使得CS支架能够在体内动态适应形状或特性，促进与宿主组织的整合。CS支架的性能依赖于多种机制的协同作用：促进成骨细胞粘附、增殖和分化；其质子化氨基有助于止血和刺激血管生成；降解产物可触发骨形态发生蛋白（BMP）表达。

将PEI接枝到CS上的理论依据

将PEI接枝到CS上能显著增强CS的性能。PEI丰富的氨基基团提高了CS对重金属和染料的吸附能力，也增强了其作为基因递送载体的转染效率。接枝过程还改善了CS的耐久性和稳定性。CS-g-PEI复合材料表现出强大的吸附能力、生物相容性、增强的抗菌性能以及可重复使用性。

CS-g-PEI复合材料的特性

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  物理特性：粗糙多孔的形貌增加了比表面积；PEI的加入提高了机械强度；表面正电荷（高Zeta电位）有利于吸附带负电的物质；高亲水性促进与水的相互作用；良好的热稳定性确保结构完整。
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  化学特性：高密度的氨基（–NH₂）和羟基（–OH）基团赋予其高化学反应活性；表面正电荷增强对阴离子污染物的吸附；吸附机制主要基于静电吸引和氢键。
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  生物特性：具有良好的生物相容性和生物可降解性；增强的抗菌性能有助于预防感染；促进细胞附着和生长；展现出成骨活性，有助于骨再生；可作为控制药物释放的载体；细胞相容性好。

壳聚糖-PEI支架的制备方法

CS-g-PEI支架的制备方法多样，包括化学交联（如使用京尼平或EDC）、亚胺反应、冷冻干燥和阳离子聚合等。这些方法影响着支架的结构稳定性、孔隙结构和功能。然而，将这些实验室方法放大到大规模生产时，面临着保持支架性能（如孔径、表面电荷、载药量）均一性和可重复性的挑战。先进制造技术如3D生物打印有望解决这些问题。

组织工程应用的先进性能

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  生长因子递送：CS-g-PEI支架可用于递送生长因子（如EGF）或其基因，促进特定组织（如鼓膜、神经）的再生。
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  控制药物释放：功能化的CS-g-PEI纳米颗粒能够靶向特定细胞（如巨噬细胞），用于治疗疾病（如利什曼病），实现药物的可控释放。

CS-PEI支架面临的挑战与临床转化

尽管CS-g-PEI支架在实验室和临床前研究中表现出色，但其走向临床和工业化仍面临挑战：CS固有的机械强度不足和溶解性问题；潜在的免疫原性；需要精确控制PEI的接枝量和降解速率以避免细胞毒性；大规模生产时的方法放大难题（如冷冻干燥、电纺丝）；以及严格的监管审批要求，需要全面评估其纯度、生物降解性、免疫原性和长期安全性。

结论

CS-g-PEI复合材料凭借其优异的物理、化学和生物学特性，在组织工程、药物递送和环境修复等领域展现出巨大潜力。通过先进的制备和表征技术，可以构建出具有良好生物相容性和功能性的支架。尽管在机械强度、降解控制和潜在毒性方面仍存在挑战，但通过持续优化（如控制PEI浓度、改进制备工艺），CS-g-PEI支架有望成为再生医学和先进治疗领域的重要工具。未来的研究重点应集中在克服这些障碍，推动其向临床应用转化。