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生物材料学-组织工程支架材料演示课件

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骨科生物支架研究45页PPT

骨科生物支架研究45页PPT
骨科生物支架研究
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了Байду номын сангаас护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔

组织工程ppt课件

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Page 25
生长因子研究与制备 ——骨形态发生蛋白（BMPs）
1965年美国首先从骨基质中分离出骨形态发生蛋白，经 过25年才得以纯化。随后克隆了相关基因。 原位状态下以ng/g骨基质剂量释放足以促发骨修复，人 工基质需要mg/g剂量才能促发骨修复，因此成本非常高。 利用转基因技术将BMP基因转染到骨髓细胞中，再将其 种植在矿化基质上，达到骨修复的目的。
（2）支架材料 聚羟基乙酸（PGA）。
Page 36
（3）构建成纤维细胞-PGA复合物 酶法消化收集真皮成纤维细胞，接种在PGA上，加入培 养液培养。 （4）接种表皮角质形成细胞在前面的复合物上，更换 表皮角质形成细胞培养基培养5天左右。
Page 37
（5）双层皮肤成熟
将复合物放在可渗透膜上，进行气-液界面培养，促进 表皮角质形成细胞的进一步分化。 再培养1周，形成含真皮和表皮两层结构的组织工程化 皮肤。
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难题： 1.血管化：血管生成是指内皮细胞构筑的毛细血管分支 和伸展。血管生成有助于损伤组织的修复。 2.毛囊、汗腺等再生。所以美容慎用。 3.排异性。 我国人造皮肤2007年第四军医大学开发成功，进入临床 阶段。
聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）
Page 20
（三）生长因子
细胞对外部环境产生的应答是通过感知某种化学信号或物理刺激， 并将之传递到细胞核中，促发或者抑制基因的表达实现的。细胞的 增殖与分化由各种因子调节。
Page 21
1.物理因子
主要是应力的作用： 流体切应力（Flow shear stress）：由血流对血管壁施加的 力。体外可采用常流和脉动流循环装置调节切应力大小。
1.定义
种子细胞(Seed cell)：是组织修复或再生的细胞材料。

生物医学工程先进制造：5.6 组织工程支架的制备

生物医学工程先进制造：5.6 组织工程支架的制备
– Closed pores
step 1. 组织工程材料和致孔剂制成悬浮液 step 2. 入模具 step 3. 溶剂挥发或冻干，成型 step 4. 除去致孔剂
• 溶剂浇注/粒子沥滤法
原理：组织工程材料和致孔剂不同的溶解性或挥发性
致孔剂： 体积分数≧70%，微孔相互连通
•水溶性：氯化钠、酒石酸钠、柠檬酸钠 •冰粒子 •明胶微球
仅适用于非晶相聚合物
支架制备方法: porous scaffold
• 相分离技术（phase separation）
– 热致相分离（ Thermally Induced Phase Separation , TIPS ）
聚合物溶液分相： •聚合物富相 •聚合物稀相（溶剂富相）
• Solid liquid separation of polymer solution induced by cooling:
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B、营养或生长因子对神经的修复和细胞的生长起着重要作用。
•在导管中，由于释放生长因子，能使较长的神经断头（15mm）
间隙慢慢吻合起来。
•而无释放因子存在时，神经断头一般为10mm •神经营养因子可从缓释材料中获得。
44
▪研究发现，许旺细胞种植在导管中分泌出多种营养物质，
而且还可分泌细胞粘连分子，促进细胞生长，因此目前神经 导管中均种植许旺细胞。
支架可培养更多的细胞，为再生器官提供足够的细胞。
理想的组织工程支架应该….
• 具有良好的生物相容性 • 具有高孔隙率的三维立体结构 • 具有一定的机械强度和良好的可塑性 • 良好的表面性质，便于细胞的黏附、分化和增殖
组织工程支架材料
• 天然生物材料:
– 胶原 – 聚糖 等

生物材料学 ppt课件

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19
生物材料的分类
按照研究对象和使用目的的不同，可将生物材料分为 三种：
一是天然生物材料，这是一类在生物过程中形成的材 料，如棉、麻、蚕丝、贝壳等；
二是生物医用材料，指植入活体内能有某种生物学功 能的材料，如制作各种人工器官的材料；
三是仿生和组织工程材料，它是生物材料学与化学、 工程学交叉的部分，包括各种仿生材料、智能材料和 组织工程材料。
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20
按生物材料的属性分类：
天然生物材料—再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。
合成高分子生物材料—硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、涤 纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃
医用金属材料—不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等
无机生物医学材料—碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料
杂化生物材料—指来自活体的天然材料与合成材料的杂化， 如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等
20世纪60年代初，用高分子聚乙烯和不锈钢制成的 人工髋关节被植入人体并取得成功。
发展时期
20世纪60年代末和70年代初，在美国克莱姆森大学举
行的生物材料讨论会上“biomaterial”一词开始被普遍
使用。
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11
飞速发展时期
20世纪末，以纳米科技为首的物理、化学的 科技迅猛发展，极大的带动了生物材料的研 究和发展，使得生物材料进入了全新的飞速 发展时期，产生了，如药物释放、生物传感 器、人工器官、仿生材料、智能材料、生物 医学材料等的多学科交叉、多应用前景的发 展局面。
生物相容性
生物材料前沿专题PPT课件
3
主要参考书
➢崔福斋 编著 北京：清华大学出 版社.
2004。
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组织工程学：第三章 生物支架材料

组织工程学：第三章 生物支架材料
➢ 例如控制特异性的细胞相互作用 ➢ 缓释生长因子 ➢ 对环境做出应答反应 ➢ 生物材料的独立信号
组织工程支架材料分类
按照来源分为：
1.天然支架材料: 珊瑚、海藻（酸盐类）、黏多糖、软骨素、胶原类、几丁质等； 2.人工合成支架材料: 各种多聚物类高分子材料、金属合金、陶瓷、硅胶等。
按可吸收性质可分为：
1.可生物降解性支架材料 2.非生物降解性支架材料
制备技术
（一）模具与造孔技术 （二）三维打印技术 （三）静电纺丝技术 （四）水凝胶技术
（一）模具与造孔技术
• 对于聚乳酸等油溶性的聚合物而言，常常采用盐析法，即在聚合物的溶液中 加入食盐、蔗糖等水溶性的致孔剂，采用浸沾涂层的方法加工成支架，然后 在蒸馏水中浸泡除去致孔剂，即得多孔支架。致孔剂的尺寸和含量决定材料 支架的孔径和孔隙率。
该技术的缺点在于形成的纤维材料非常致密，无法精确形成合适的 孔径以供细胞生长，所以细胞只能在材料的表面生长，而不能在材 料内部生长。
静电纺丝工作原理示意图
（四）水凝胶技术
水凝胶指的是亲水的同源聚合物互相交联形成不可溶 的大分子，这些大分子能够将水固定在材料中，从而 形成凝胶样结构：理化特性易控
记忆功能材料 电传导材料 多肽自组装材料
清华大学生物材料课题组
研发出的纳米晶胶原基骨修复 材料，具有人体骨（矿化胶原） 的微观结构，已发展出CFDA批 准上市的人体植入材料，商品 名为骼金。
矿化胶原基骨材料具有下图所示的人骨纳米有序结构。
胶原
矿化位点 HA
2021/5/10
45
儿童颅骨缺损修复例：
自体细胞最为理想 自体细胞来源有限 越来越倾向于使用干细胞
➢ 成体干细胞 ➢ 胚胎干细胞
囊胚

组织工程支架材料

组织工程支架材料

存在缺点 ： ( 1 ) 有机溶剂残留 ( 2 ) 高温拔丝损害分子稳定性 ， 且 喷涂技术难度大 、成本高 ( 3 ) 空隙分布不均匀 ( 4 ) 由于固有粘滞性限制 ，采用气体法和溶剂发泡等方法时开孔率低 （5）因聚合 物溶液流动或者使用粘合剂将导致部分NaCl颗粒被包裹
●低热高压法
●目的： 制作不含有机溶剂、三维结构良好的丙交酯 —乙交酯共聚物( P L GA) 支架，使之符合组织工程骨修复的需要。 ●需要克服的的问题： 有机溶剂残留、空隙分布不均匀、三维结构控制不稳定、支架 小并且开孔率计算不准确等。 ●原材料：
Figure 2. PLGA spinning with a microfluidic chip. (a) Fiber generation with the chip and (b) PLGA fiber scaffold for cell culture wound around a coverslip (18 × 18 mm) during spinning (at 60 rpm).
●传统开环聚合制备无规聚乙丙交酯：
单体:
乳酸
乙醇酸
聚合原理：
●三步法制备交替聚乙交酯丙交酯：
聚合原理：
第一步：O-氯乙酰-DL-乳酸的制备：
第二步：DL-3-甲基-乙交酯的制备：
第三步：Alt2PLGA的制备：
三步法的优缺点：
优点：该聚合物结构规整，组成固定，降解性
能较稳定。 缺点：工艺流程过长，生产成本高，不利于大 规模生产；辛酸亚锡催化剂对细胞有毒 害作用。
2 可加工性 3 孔隙的大小和孔隙率有可调控性
4 有足够的表面积用于细胞黏附
5 有足够的空间使细胞集落扩展 、增殖
支架材料-PLGA
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第八章 组织工程支架材料
8.1 概论 8.2 组织工程化组织简介 8.3 组织工程支架材料的基本要求 8.4 生物降解材料基础 8.5 天然组织支架材料 8.6 合成组织支架材料
8.1 概论
相关背景 基本概念 深远意义 组织工程四要素
8.1.1相关背景
自体移植：添新伤补旧伤 异体移植：排斥/供给不足 异种移植：排斥 人工器官：排斥/功能不足
8.2.6 神经组织工程
神经组织的类型、结构和功能：
中枢神经系统/周围神经系统 神经元/神经胶质细胞
神经组织工程的关键问题：
雪旺细胞的长期存活
8.2.7 其他组织工程
肝组织工程： 肾组织工程： 角膜组织工程： 胰腺组织工程：
8.3 工程支架材料的基本要求
良好的生物相容性 良好的生物机械性能 合适的生物降解性 良好的可塑性 可行的灭菌、消毒方法
8.1.2 基本概念
组织工程学：
细胞生物学+工程学→生物活体组织→修复或 重建组织器官的结构与功能
组织工程的基本方法：
体外培养高浓度组织细胞→扩增→人工细胞 基质(三维的支架材料)→生长，分化→生物 活体组织
8.1.3 深远意义
新兴学科，带来一场医学革命： 多学科交叉，促进众多学科的交叉、渗透
8.3.1 良好的生物相容性
材料组成无毒，化学结构稳定 降解产物安全 良好的血液相容性
8.3.2 良好的生物机械性能
为体外接种细胞提供扩增和 增殖场所
阻碍周围组织的生长 机械性能要与周围组织匹配
8.3.3 合适的生物降解性
降解产物无毒 降解速率可调 降级过程中，材料与组织有较
基本概念：
降解：分子量变小的化学过程 生物降解：
在生物体内的体验、酶和细胞等多种因 素的综合作用下，分子量变小的过程。
8.4.1 降解的基本概念与类型
按降解机制分：
生物降解/物理降解/化学降解/机械降解
按降解方式和程度分：
天然材料
完全降解材料 合成材料
非完全降解材料
8.4.2 降解机制与过程
8.1.4 组织工程四要素
组织构建
路线一： 功能细胞+支架材料→体外培养→成熟生 物组织→植入体内
路线二： 功能细胞+支架材料→体外短期培养→植 入体内，逐渐发育成形
8.2 组织工程化组织简介
软骨组织工程 骨组织工程 皮肤组织工程 韧带组织工程 肌腱组织工程 神经组织工程 其他组织工程
8.2.3 皮肤组织工程
人工表皮韧带组织工程
典型的支架材料体系：
聚羟基乙酸-涤纶复合物： 碳素纤维-聚乳酸复合物：
新型支架材料体系：
蚕丝纤维
8.2.5 肌腱组织工程
亚硝酸和戊二醛交联异体胶原纤维： 胶原和黏多糖的交联： 难点：手指腱损伤的修补
和发展：
支撑学科：生物材料/细胞生物学/分子生物学 /生物力学
其他学科：信息/工程/机械/电子/物理/化学
潜力巨大的高新产业：
8.1.4 组织工程四要素
种子细胞
胚胎干细胞：最理想 干细胞
成体干细胞：便于将来临床应用
组织细胞：可直接移植
8.1.4 组织工程四要素
支架材料
概念： 能与组织活体细胞结台并能植入生物体的 材料
功能： 为细胞提供获取营养、气体交换、排泄废 物和生长发育的场所，也是形成新的具有 形态和功能的组织、器官的物质基础
8.1.4 组织工程四要素
生长因子
概念： 对细胞生长、分化有一定的调节功能，能 在细胞间传递信息的多肽物质。
应用方式： 生长因子+支架材料→复合体 支架材料上培养能分泌生长因子的细胞
8.5.1 天然蛋白质类材料
胶原：
改性：
物理交联：高能辐射/紫外辐射/干热处理 化学交联： 胶原复合材料：
好的亲和性
8.3.4 良好的可塑性
高孔隙率：一般>90% 结构形状复杂
8.3.5 可行的灭菌、消毒方法
灭菌、消毒不可少 材料的结构和性能能够经受彻
底灭菌过程的考验
8.4 生物降解材料基础
降解的基本概念与类型 降解机制与过程 降解与吸收的研究方法 生物降解材料的安全评价
8.4.1 降解的基本概念与类型
天然蛋白质类材料 天然多糖类材料 天然无机物
8.5.1 天然蛋白质类材料
胶原：
组成：
一级结构：每链1050个氨基酸，富含脯氨酸 和羟脯氨酸 二级结构：α-螺旋结构 高级结构：三条肽链螺旋缠绕成1个胶原分子
8.5.1 天然蛋白质类材料
胶原：
生理作用：
结构蛋白：在人体，约占蛋白质总量的1/3 主要功能是组织的支持物 其他功能： 生物的生长、发育/细胞的分化和黏附/抗原抗 体结合反应
生物降解：
酶等作用下，发生的水解
8.4.3 降解与吸收的研究方法
评价方法
体外评价：外形、外观、力学性能、 失重和失效等物理变化的程度
植入动物体内特定部位评价
降解机制的研究
物理因素的影响 化学因素的影响 生物因素的影响
8.4.3 降解与吸收的研究方法
材料在体内吸收和排泄研究
组织和细胞生物学方法 直观方法：光镜或电镜观察 动力学方法：同位素标记
热降解：
解聚：链增长的逆反应 无规断链：受热后，分子量迅速下降 取代基的脱除：
机械降解：
外力作用引起的降解
8.4.2 降解机制与过程
氧化降解： 光解和光氧化：
前提：光能>化学键的离解能 有氧时，可按氧化机制降解，即光降
解
8.4.2 降解机制与过程
化学降解：
多指水解反应，即遇水发生水解反应
8.2.1 软骨组织工程
软骨组织的特点
基本结构简单，只有软骨细胞，无血管、 和淋巴组织等
软骨组织的现状
可用的支架材料多，成果丰富
8.2.2 骨组织工程
对支架材料的要求：
既要有一定的强度，有要有一定的韧性
支架材料的热点：
陶瓷材料：
成骨细胞与支架材料的三维培养：
材料的理化性能/表面微结构及微环境/ 新技术
8.4.3 降解与吸收的研究方法
降解速率的调控
亲水性 比表面积和多孔结构 加工过程
8.4.4 生物降解材料的安全评价
非植入性材料和制品
化学性能/物理性能/生物学性能
植入性材料和制品
组织学观察/致突实验/生物学老化实验
血液接触性材料和制品
体内外血液相容性实验
降解和吸收过程
8.5 天然组织支架材料