Abstract

As an emerging frontier science and technology in modern medicine，development of regenerative medicine holds the most promising application in future.Stem cell technology，gene engineering，tissue engineering，tissue/organ xenotransplantation etc.are the most fundamental technologies to support the development of regenerative medicine.The revolution of these technologies is largely dependent on the use of biomaterials.Biomaterials can offer accommodation and niche for cell differentiation and migration，provide targeted delivery and controlled release for gene therapy，and create dynamic mechanical and biological environment for tissue/organ to remodel.This chapter presents several recent developments of biomaterials’ application in regenerative medicine.Firstly，it was proven that through tailoring of a biomaterial，activated signal cascade and guided cell differentiation towards target tissue can be achieved，without addition of cells or cytokines.In other words，the biomaterial itself can stimulate specific host response，recruit stem cells and enrich endogenous cytokines.These biological cues can then be transmitted as intracellular signals and finally induce regeneration of host tissue.Based on the precursory research on osteoinductive biomaterial，the induced regeneration of cartilage，ligament and central nervous system were subsequently achieved.Secondly，biomaterials with nano-level size possess specific antitumor ability without affecting healthy normal cell growth and differentiation.Furthermore，calcium phosphate-based nanoparticles can promote osteogenesis and has proven its antitumor effect in pilot clinical trials.These findings suggest the therapeutic potential of biomaterials to be applied in regenerative medicine as a future direction.

再生医学是通过功能组织或器官结构的再生来治疗疾病、先天性缺陷和损伤的科学与技术，是当代医学的新兴和前沿领域，是未来30年科学与技术最有发展前景的方向之一。按照美国食品药品监督管理局（U.S.Food and Drug Administration，FDA）的观点，器官移植、细胞治疗、基因治疗、组织工程、刺激内源性修复等是目前支撑再生医学发展的主要技术（图1-1），其发展均离不开生物材料。

生物材料的首要功能是为细胞、细胞产物和细胞外基质提供过渡性容器，即组织工程支架，支撑组织再生修复；生物材料亦能为药物、细胞及基因治疗提供靶向运输和控释载体，达到时间和空间上的可控释放，如免疫疾病及肿瘤治疗等；生物材料还能作为激发机体发生特定内源性反应的刺激物，刺激机体内源性修复等（图1-2）。简言之，生物材料为再生医学中组织或器官的重建提供了动态变化的生物环境及物理化学信号，特别是大范围的组织器官缺损修复更离不开作为组织工程支架的生物材料。因此，生物材料是再生医学的一个重要基础。

自20世纪40年代中期现代生物材料产生以来，生物材料在组织器官的修复与替代方面的应用不断扩大，并获得了巨大的成功。但是，其对组织器官的修复主要是缺损组织的形态和简单力学功能的恢复，或是被动地作为组织工程中的细胞、细胞外基质和细胞产物的支架或容器，以及药物控释系统中作为药物、基因等的载体，而不具有调控细胞行为和分化途径、诱导组织再生的生物功能。当代科学技术，特别是医学的进步，已使组织器官的修复发展到一个新的阶段：再生组织或器官，实现被损坏的组织或器官的永久康复。在传统生物材料面临着严峻挑战的情况下，可刺激机体发生特定反应，调动机体自我康复能力，通过与细胞和生物环境相互作用，改塑材料为细胞外基质，调控细胞沿特定组织细胞系分化，再生特定组织或器官，成为当代生物材料发展方向和前沿。但是，传统观念认为，无生命的生物材料不可能诱导组织器官的再生，只有活性生物物质可以诱导或刺激组织再生。可喜的是，经过近30年的研究，生物材料已取得突破性进展，可以通过自身的优化设计，赋予其调控细胞行为和分化方向，诱导特定组织再生或重建的生物功能，从而为再生医学的发展开拓了一条新的途径。本章将对此作简单介绍。