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医学课件生物材料学-组织工程支架材料

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生物材料学-组织工程支架材料

生物材料学-组织工程支架材料


8.2.3 皮肤组织工程
人工表皮: 人工真皮： 人工复合
8.2.4 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
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
8.4.1 降解的基本概念与类型
基本概念：
降解：分子量变小的化学过程 Байду номын сангаас 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
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
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：
8.5.1 天然蛋白质类材料
第3讲 组织工程多孔支架制造-2

第3讲 组织工程多孔支架制造-2


发泡工艺的主要方法有：化学发泡法和物理发泡法。
化学发泡法：将在较高温度下能够分解产生气体，或能发生化学 反应产生气体的物质与陶瓷粉体浆料混合成型，在一定温度下加 热处理发泡，再烧结生成大孔陶瓷。要求成孔剂和发泡剂的残留 物不影响陶瓷的性能和组成，或残留物经简单的方法可以除去。 用来做发泡剂的化学物质很多，应用较多的是双氧水，聚乙烯醇 等。 物理发泡法：向水中摻入少量的表面活性物质，通过强烈搅拌卷 入空气，使其体积增大而发泡，随后将陶瓷混合料加入其中不断 搅拌，使浆体内形成细小的、均匀的大量气泡。
• 造孔剂的形状：规则球形或其他。
二、发泡法
发泡工艺是向陶瓷组分中添加有机或无 机化合物质，在处理期间形成挥发性气体， 产生泡沫，经干燥和煅烧得到多孔陶瓷（包 括网眼型和泡沫型），此种方法更易制得一 定形状、组成和密度的多孔陶瓷。但孔径大 小、孔隙率等参数不易控制，重现性低。
7/31/2013
与聚乙烯醇的交联杂化等
3
生物材料的发展趋势
复合型 杂化型 功能型 智能型
组织工程支架制造
1.1 1.2 1.3 1.4 无机生物材料支架的制造 有机生物材料支架的制备 有机无机复合支架的制备 基于医学图像的快速成型技术
7/31/2013
8
1.1 无机生物材料支架的制备
临床用于修复骨缺损的无机材料主要有生物活性陶瓷（BGC）、 羟基磷灰石（HA）、磷酸三钙（TCP）、磷酸钾钠钙及珊瑚转化 的羟基磷灰石（CHA）等。多孔生物陶瓷材料制备的成孔工艺：
7/31/2013
碳化二亚胺交联
• 1-乙基-3（3-甲基氨丙基）碳化二亚胺 （EDC）。 • EDC的作用是促使蛋白质链间羧基和伯氨基 侧链集团之间形成酰胺键交联，并不直接参 与形成交联的一部分。 • 不带入有毒化学交联剂。
(可直接使用)骨组织工程支架材料..pptx

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具有良好的生物相容性和可降解性，成为支架材料研究应用中重要的天然材料，
但各自有缺点而限制临床进一步的应用，若利用特殊的实验方法按照一定比例将
两种材料结合为复合材料，则有可能优化该两种材料的生物性能。 壳聚糖-脱细胞真皮三维材料 : 该支架材料具有良好的细胞相容性，对细胞
有很好的亲和性，能促进细胞黏附、生长、增殖和分化。壳聚糖-脱细胞真皮支 架材料在组织工程中是一种很好的生物相容性材料，满足组织工程新型支架材料 的基本要求。
理想的支架材料孔径最好与正常骨单位的大小相近(人骨 单位的平均大小约为223 μm)，在维持一定的外形和机械强 度的前提下，通常要求骨组织工程支架材料的孔隙率应尽可 能高，同时孔间具备连通孔隙，这样有利于细胞的黏附和生 长，促进新骨向材料内部的长入，利于营养成分的运输和代 谢产物的排出。
5）机械强度和可塑性
精品文档
5
骨组织工程实施过程
种子细胞
支架材料
新骨
支架材料降解
骨缺陷修复完成
精品文档
6
2. 性能要求
生物相容性和表面活性 骨传导性和骨诱导性 合适的孔径和孔隙率 机械强度和可塑性
精品文档
7
2. 性能要求
1) 生物相容性和表面活性
有利于细胞的黏附，无毒，不致畸，不引起炎症反应， 为细胞的生长提供良好的微环境，能安全用于人体。
骨组织工程支架材料
精品文档
1
支架材料
组织工程支架材料是指能与组织活体细胞结合并 能植入生物体的不同组织，并根据具体替代组织具备 的功能的材料。
为了使种子细胞增殖和分化，需要提供一个由生 物材料所构成的细胞支架，支架材料相当于人工细胞 外基质。组织工程支架材料包括：骨、软骨、血管、 神经、皮肤和人工器官，如肝、脾、肾、膀胱等的组 织支架材料。
组织工程支架和载体材料

组织工程支架和载体材料


历史 组织工程的历史
组织工程的产生
Robert Langer和 Joseph P. Vacanti
Robert Langer
Joseph P. Vacanti
20世纪80年代中期提出一
个新的概念，即在一种可降解 的支架材料上种植人体活细胞， 使之在生长因子的作用下，再 生成为组织。
1987年，在美国科学基金会
序 什么是组织工程。
同时，蚯蚓体内的消化道、血管，以及神经系 统等组织的细胞，经过 许多分裂，快速地向再生芽里不断生长。于是， 切面上就会快速地再 生出另外一个头来，并且另一端也会自然生出 一条尾巴来。这样一条 蚯蚓被截成两截以后不会死，且能够再生，于 是就变成两条蚯蚓了。
序 什么是组织工程。
他们是尿毒症患者。由于没有医疗保险， 或者医保报销比例太低，他们进不了医 院，而是买来3台二手血液透析机给自 己透析，在北京郊外一个农家小院维持 着生命，被政府取缔。这是新医改方案 即将出台前，一个让人尴尬的故事。
最早的异体器官移植报道
《列子》
战国时代的典籍《列子》记载过一例很奇特 的移植手术。鲁国的公扈和赵国的齐婴得了 痼疾去找神医扁鹊医治。扁鹊对公扈说： “汝志疆而气弱，故足于谋而寡于断。齐婴 志弱而气疆，故少于虚而伤于专。故换汝之 心，则均善矣。”
历史 组织工程的历史
最早的异体器官移植报道
《列子》
扁鹊先给他俩喝了一种自治的 麻醉药。然后为两人做了开胸 术，取出心脏互换。接着给他 俩灌服了一种神奇的药物，公 扈和齐随即苏醒过来，怪疾得 以治愈。
组织工程原理
原理 组织工程的原理
组织工程的概念
组织工程概念图
组织工程是应用细胞生物学和工程学原理,将人体某部分的组织细胞种植和吸附在 一种生物材料的支架上进行人工培养繁殖,扩增,然后移植到人体内所需要的部位, 从而达到器官修复或再造的治疗目的的一种技术。
生物材料与组织工程ppt课件

生物材料与组织工程ppt课件


由于裂纹扩展导致力学性能失稳(断裂) 几种断裂类型
延性断裂：有明显塑性变形，永久变形 脆性断裂：无或少量永久变形 疲劳断裂：交变载荷，低应力脆性断裂 蠕变断裂：恒应力下，变形不断发展
没有明确的价值取向和人生目标，实 现自我 人生价 值就无 从谈起 。人生 价值就 是人生 目标， 就是人 生责任 。每承 担一次 责任
弹性变形、塑性变形及蠕变、强度和断裂、硬度
惰性生物陶瓷和生物活性陶瓷
包括羟基磷灰石、生物活性玻璃和生物活性玻璃 陶瓷
没有明确的价值取向和人生目标，实 现自我 人生价 值就无 从谈起 。人生 价值就 是人生 目标， 就是人 生责任 。每承 担一次 责任
陶瓷材料的结构
多晶结构：由晶体相、玻璃相和气相组成
陶瓷材料的硬度
陶瓷材料的硬度一般很高，耐磨性远高于金属
没有明确的价值取向和人生目标，实 现自我 人生价 值就无 从谈起 。人生 价值就 是人生 目标， 就是人 生责任 。每承 担一次 责任
第5章 医用高分子材料
高分子材料的基本概念
单体、链节、聚合度、均聚物、共聚物
高聚物的分类 聚合反应的分类 高聚物的结构特点
面缺陷
二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷 主要出现在晶界和亚晶界处 面缺陷能提高金属的强度和塑性
没有明确的价值取向和人生目标，实 现自我 人生价 值就无 从谈起 。人生 价值就 是人生 目标， 就是人 生责任 。每承 担一次 责任
第4章 医用陶瓷材料
陶瓷材料的结构
晶相、玻璃相、气相
陶瓷材料的机械性能
没有明确的价值取向和人生目标，实 现自我 人生价 值就无 从谈起 。人生 价值就 是人生 目标， 就是人 生责任 。每承 担一次 责任
第1章 绪论
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
生物医学材料 ppt课件

生物医学材料 ppt课件


用电弧等离子体溅射或电子束加热碳源而制取的 各向同性的碳薄膜，其膜厚度一般在1μm左右
应用
碳素材料是用于心血管系统修复的理想材料， 至今世界上已有近百万患者植入了LTI碳材的人 工心脏瓣膜。 碳纤维与聚合物相复合的材料可用于制作人工 肌键、人工韧带、人工食道等； 玻璃碳、热解碳可用于制作人工牙根和人工骨 等。
➢主要应用为脸部和额部的骨缺损、填补牙周 的空洞，还可作为药物的载体；
➢最早应用的生物降解材料是石膏，石膏的相 容性虽好，但吸收速度太快，通常在新骨未 长成就消耗殆尽而造成塌陷。
第三节 陶瓷生物医学材料
生物活性陶瓷
钛基合金
✓Ti密度小，比强度（强度／密度之比）高， 是不锈钢的3.5倍； ✓Ti与氧反应形成的氧化膜致密稳定，有很好的 钝化作用，因此， Ti合金具有很强的耐蚀性； ✓对人体毒性小，密度小，弹性模量接近于天然 骨，纯钛与钛合金植入物很少与周围组织反应， 采用钛基合金则有利于进一步提高植入金属材料 的性能。
※ 提高含碳量，形成马氏体组 织，有利于提高硬度；
※ 目前主要用于医疗器械。
第二节 金属生物医学材料
奥氏体不锈钢
性能
➢较好的耐蚀性； ➢具有高的塑性，易于加工变形制成各种形 状，无磁性，韧性好； ➢较好的生物相容性和综合力学性能，得到 广泛应用。
➢ 骨科：各种人工关节和骨折内固定器； ➢ 口腔科：镶牙、矫正和牙根种植等各种器件; ➢ 心血管科：传感器的外壳与导线、介入性治疗导丝
生物医学材料的定义 用于与生命系统接触和发生相互作用 的，并能对其细胞、组织和器官进行诊 断治疗、替换修复或诱导再生的一类天 然或人工合成的特殊功能材料，亦称生 物材料。
第一节 生物医学材料的用途、基 本特性及分类
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

第5章 生物高分子材料的成型加工
5.6 组织工程支架的制备
组织工程技术的原理： • 组织工程 • 生命科学
组织工程研究的三要素： • 可溶性调节因子 • 种子细胞 • 支架材料
支架材料是组织工程的核心
组织工程
种子细胞，支架材料和可溶性调节因子是组织工程研究的三大因素。
支架材料的功能：
• 提供细胞增殖分化并保持其功能的场所 • 引导组织再生、控制组织结构
支架制备方法: porous scaffold
• 溶剂浇注/粒子沥滤法 Solvent Casting and Particulate
Leaching Technique (SCPL)
– 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
Biomaterials 34 (2013) 9451-9461
• 纤维黏结法（fibre bonding）
Lack of mechanical strength of bonds
– 提高机械强度
• 热处理 • 聚合物包埋
喷洒
PLLA 溶液， 干燥
热处理
J. Biomed. Mater. Res. 41 (1998) 322–332.
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:
– Solvent crystallisation – Polymer precipitation
• 相分离技术（phase separation）
组织工程与生物材料PPT幻灯片

组织工程与生物材料PPT幻灯片


细胞培养
皮肤细胞 结缔组织细胞
肌肉细胞
骨细胞

软骨细胞
微粒细胞
组织工程支架材料
组织工程支架作为组织工程的平台，不 仅提供了细胞生长的框架，使之形成特定 的组织或器官形状;而且作为细胞外基质成 分之一，是细胞间信号传导和相互作用的 媒介，同时也是细胞生长所必需的生物活 性剂。
类型； • 成本低。

概述
2. 细胞生长因子 在组织器官的再造中，各类组织诱导因子、生
长因子和血管形成刺激因子将有利于组织的形成。 例如，促进骨细胞的分化与再生的是一些蛋白
质生长因子，其中起主要作用的是骨形态发生蛋 白(BMP)。这种活性蛋白质可诱导血管周围游动间 充质细胞转转化为不可逆性骨系细胞．

概述
基本方法：将在体外
培养、扩增的功能相
关的活细胞种植于多
孔支架上,细胞在支架
上增殖、分化,构建生
物替代物,然后将之移
植到组织病损部位,种
植的细胞在生物支架
逐步降解吸收过程中，
继续增生繁殖，形成
了新的具有其原来特
殊功能和形态的相应
组织工程再生过程：①提取自体细胞，②繁殖细胞 ，③将细胞移植在合适的支架上并控制其生长因子 ，④细胞培育，⑤将支架移植的需要修复的组织内
• 高的表面积和合适的表面理化性质以利于细胞粘附、增 殖和分化,以及负载生长因子等生物信号分子
• 特定的三维外形（厚度和形状） • 合适的可生物降解吸收性 • 与植入部位组织力学性能相匹配的结构强度

组织工程支架材料
二、支架材料的原料
• （1）天然可降解高分子材料。如胶原（collagen），其 本身就是天然骨的组织成分。壳聚糖（chitosan），是 甲壳素的衍生物。还有明胶、琼脂、葡聚糖、透明质酸。 降解产物易被机体吸收，但强度和加工性能较差，降解 速度无法调节。
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


组织工程概念的发表 ——一个新学科的诞生
• 1987年Y.C. Fung在NSF会议上的演讲 • 1988年召开的第84届美国外科医师年会：应用工程科学和生命科学的原理和方
法，认识哺乳动物正常和病理组织器官的结构与功能关系，并开发具有生物活性 的人工替代物，以恢复、维持或改善组织、器官的功能。
• 1993年Langer与Vacandi发表在《科学》（Science ）上的综述文章：组织工 程是一个多学科领域，应用工程学与生命科学的原理开发生物替代物，以此挽 救、保持或者改善组织功能。
• 1995年，该学科第一本专业杂志《组织工程》（Tissue Engineering）开始正 式创刊。
• 1996年，组织工程学会（Tissue Engineering Society）成立（现在已经更名为 组织工程与再生医学国际协会，Tissue Engineering & Regenerative Medicine International Society），这标志着组织工程作为独立学科正式成为自然科学的 一个分支。
加工流程
壳聚糖溶液
底座 空管
底座
M-管
底座
结构表征
A
B
C
D
（二）三维打印技术
• 个性化快速成型组织修复技术是通过对组织缺损部位的三维结构分析，获得 其自然生理状态下的应变分布规律及各向异性的生物力学特性，优化设计出 组织修复体。
• 三维集成打印技术实现过程简单，具有快速、准确以及擅长制造复杂实体的 优势,可以达到精确制造组织缺损替代物的目的。
组织工程：
生物支架材料
学科的创立
学科的创立
1597年，意大利外科医生 Gaspare Tagliacozzi进行了一 项里程碑式的手术。
组织工程支架材料XXXX0516final.pptx

组织工程支架材料XXXX0516final.pptx


生物材料表面的亲水－疏水平衡：疏水性表面对蛋 白质的吸附能力较强。
生物材料表面的拓扑（图案）结构：细胞根据材料 表面的拓扑形貌而取向生长。
生物材料表面的生物活性：生物材料表面具有整连 蛋白认同的配体是细胞识别并接受生物材料为“自 体”ECM的关键。
组织工程研究现状
组织工程研究的器官及其部分产品
支架设计与制备技术
-20℃,孔径 250±120μm
(a) An optical photograph of a hydrogel freeze-dried following freezing at -20℃ (b) and (b) a SEM micrograph of its horizontal cross-section.
（4）合成可降解无机材料。常用的主要有磷酸钙水 泥(calcium phosphate cement,CPC)，羟基磷灰 石(hydroxyapatite,HA),磷酸三钙( tricalcium phosphate, TCP),生物活性陶瓷如生物活性玻璃陶 瓷( biological activity ceramic glass,BCG),细胞 外基质陶瓷类材料等。
2）可降解性及合适的降解速率，当移植的细胞或组织在受体内 存活时，支架材料可自行降解，降解吸收速率能与细胞、组织 生长速率相匹配；
3）合适的孔尺寸、高的孔隙率和相连通的孔形态，以利于大量 细胞的种植、细胞和组织的生长、细胞外基质的形成、氧气和 营养的传输、代谢物的排泄以及血管和神经的长入；
4）高的表面积、合适的表面理化性质和良好的细胞界 面关系，以利于细胞黏附、增殖、分化以及负载生长 因子等生物信号分子；
5）与植入部位组织的力学性能相匹配的结构强度，以 在体内生物力学微环境中保持结构稳定性和完整性， 并为植入细胞提高合适的微应力环境；

骨科生物支架材料

合适的孔径和孔隙率
材料可以被加工成所需要的形状，并且在植入体内一定时间后仍可保持其形状。
机械强度和可塑性
2.3分类
人工合成材料
天然衍生材料
复合支架材料
1）人工合成材料
无机材料：应用于骨组织工程的无机材料有生物陶瓷(氧化铝陶瓷、羟基磷灰石、磷酸三钙)，多孔金属(不锈钢、钴基合金、记忆合金)，钛及钛合金，磷酸钙水泥，其中以羟基磷灰石和磷酸三钙的研究较多。
有机材料：聚丁酸、聚偶磷氮、聚酸酐、聚乙二醇、聚尿烷、聚乳酸，聚羟基乙酸及其共聚物，其中以聚乳酸、聚羟基乙酸及聚乳酸-聚羟基乙酸共聚物的研究最为广泛。
纳米材料：纳米材料是从原子水平制备的支架材料，其最大的特点是具有高比表面积和孔隙率，有利于细胞接种、迁移和增殖。纳米纤维材料仿生化的微环境能影响细胞与细胞、细胞与基质之间的相互作用，调节细胞的生物学行为。纳米材料安全性能的科学评价将是其应用于临床所面临的挑战。
另外，由于外伤、肿瘤、炎症、先天畸形等原因造成牙列缺损后，缺牙区牙槽骨常伴有过度吸收，致种植区骨量不足，临床医生须选择合适的骨替代品重建牙槽骨缺损。
骨组织工程学为骨缺损的治疗提供了一种可供选择的新方法，骨组织工程支架材料是构建组织工程骨的主要组成部分，在体内，组织基质作为细胞的三维支架为细胞提供该组织所特有的微结构和微环境，并储备足量的水、营养物质、细胞因子和生长因子，以维持细胞的生存，发挥其功能。
李亚屏等试图用微波烧结的方法去除全部有机质以消除墨鱼骨抗原及可能携带的微生物，保留其高孔隙率的骨盐支架作为骨组织工程支架材料及骨移植替代材料。结果表明，烧结墨鱼骨有良好生物相容性，有利于人骨髓间充质干细胞的黏附生长，并在一定程度上促进干细胞的成骨分化，具备作为骨组织工程支架材料及骨移植替代材料的一些重要特性。

生物医学工程先进制造：组织工程与再生医学三维支架材料


组织或器官的修复与再生
人类文明的发展史就其本质而言是人类对自然环境及社会环境的作用与被作用的 过程。人类的生产与生活活动时刻都涉及到人体与环境的相互作用。在此过程中， 由于意外事故、疾病、遗传以及衰老等导致的组织或器官缺损或功能丧失，一直是 影响人类寿命和生存质量的首要问题。
目前，仅在美国，每年因组织或器官缺损或功能丧失而需要治疗的患者高达800万 之多，每年用于该类疾病的治疗费用高达4000亿美元。在我国，虽然未见具体的统 计数据，但是由于我国的人口总量约是美国的6倍，我国每年有关组织或器官缺损及 功能丧失方面的疾病将达到几千万之多。因此，如何实现受损组织或器官的修复与 再生，如何实现其功能的恢复一直是临床医学亟待解决的难题。
细胞/支架复合物在体外培养的方式不同，对最终构建的组织工程化组织或器 官的结构和功能都将产生巨大的影响。细胞/支架复合物的体外培养系统的设 计原则应尽可能地模拟细胞在体内的生长环境，其中包括培养液和气体的组成 、培养液的循环方式以及所受的应力环境等。根据构建组织或器官的大小，细 胞/支架复合物的培养方式主要分为静态培养和动态培养。一般认为，当支架 的厚度小于2mm时，适宜采用静态培养方式；当支架的厚度大于2mm时，则 需要采用动态培养方式。近来，应用生物反应器体外构建细胞/支架复合物的 研究得到广泛开展。
制备方法材料要求支架设计与可重复性孔径孔隙率孔结构溶液浇铸材料可溶人工设计材料和技术因素影响较大303002050球型孔盐粒可能留存于体系中多孔膜迭片技术材料可溶人工设计材料和技术因素影响较大3030085非规则的孔结构无纺布技术纤维机器控制2010095熔融粘接热塑性机器控制5050080乳液冻干材料可溶人工设计材料和技术因素影响较大20097高连通性热致相分离材料可溶人工设计材料和技术因素影响较大20097高连通性超临界气体聚合物材料和技术因素影响较大1001030大量非连通孔存在3dprinting材料可溶机器控制4515060100连通孔形状大小可任意调整可以对材料不同层面孔形貌进行控制熔融沉积技术热塑性机器控制15080100连通孔形状大小可任意调整可以对材料不同层面孔形貌进行控制天然组织工程多孔支架天然支架材料是利用天然材料本身存在的疏松或多孔状结构通过一定的制备方法得到的多孔支架材料
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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


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 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



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
8.2.1 软骨组织工程

软骨组织的特点 软骨组织的现状
可用的支架材料多，成果丰富
基本结构简单，只有软骨细胞，无血管、 和淋巴组织等

8.2.2 骨组织工程
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
8.3.1 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
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
8.4.1 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


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
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

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。
8.2.5 肌腱组织工程
Leabharlann 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
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





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
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
8.1.2 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 和发展：

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

8.1.4 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
8.4.2 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


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

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
8.2.3 皮肤组织工程


人工表皮:
人工真皮： 人工复合
8.2.4 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
8.4.4 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

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
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