天然高分子人工皮肤PPT课件.pptx

生物高分子及其制品 人工皮肤 1 contents 目录 1 皮肤及人工皮肤的简介 2 合成高分子人工皮肤 3 天然高分子人工皮肤 4 复合材料人工皮肤 5 研究进展和应用现状 2 皮肤及人工皮肤简介 1 3 皮肤的结构 4 皮肤的功能 吸收 排泄 保护 感觉 新陈代谢 呼吸 调节体温 免疫 5 伤口的定义 正常皮肤组织在外界致伤因子作用下所致的损害 皮肤完整性遭到破坏 伴有一定量正常组织的丢失 同时 皮肤的正常功能受损 6 正常伤口愈合的过程 第一阶段 清创期 炎性反应期 第二阶段 肉芽期 修复期 第三阶段 上皮形成期 7 清创期 炎性反应期 主要参与细胞 血小板 嗜中性白细胞 巨噬细胞细胞的活动现象 凝血 炎症反应伤口的特征 红 肿 热 痛持续时间 0 3天 8 这一时期 经由止血 白细胞的出现清除伤口脏污及避免细菌的侵入 使伤口清洁 有利于第二阶段的发生 在对抗感染过程中 巨噬细胞和嗜中性白细胞大量死亡形成伤口渗液或脓液 渗出液中有溶酶体酶 有利于坏死组织及纤维蛋白的溶解 9 肉芽期 主要参与细胞 巨噬细胞 纤维母细胞 上皮细胞细胞活动现象 肉芽组织出现 伤口填补缩合 上皮组织再生持续时间 1 21天伤口特征 鲜红色 伤口缩小 上皮增生覆盖 10 肉芽组织的出现 肉芽组织是指新血管和胶原蛋白的生成 产生新的结缔组织渐渐地填满开放的伤口 肉芽组织的出现和伤口收缩闭合是相互协同几乎同时发生 11 成熟期 主要参与细胞 巨噬细胞 胶原蛋白细胞活动现象 血管萎缩 胶原蛋白重组伤口特点 伤口瘢痕收缩 颜色变浅持续时间 21天到数年 12 血管的萎缩 肉芽组织由鲜紫红色变为鲜红 浅紫红及至淡粉红色 最后与周围皮肤类似的着色 表皮细胞的颜色变化也如此 可持续6月到数年 胶原蛋白的重组 不规则或排列不整齐的胶原蛋白纤维渐由新合成的较规则有弹性的胶原蛋白纤维所取代 该过程不断进行 直到瘢痕组织渐变柔软 浅色 平滑及有序 约需12 15月时间 这种重新组合的过程不停地进行数年 但伤口组织的强韧度只能回复到原来的80 自受伤后21天到数年 肉芽组织颜色由紫红 鲜红 浅红 淡粉 类似周围皮肤 13 伤口湿性愈合理论 14 1962年 英国的G D Winter博士的动物实验发现 湿性环境的伤口愈合速度比干性愈合快1倍 Winter首次证实了湿润且具有通透性的伤口敷料应用所形成的湿性环境中 表皮细胞能更好地繁衍和移行 这一研究结果和湿性环境愈合理论发表在 Nature 15 Hinman1963年首次在人体伤口处理中得出同样的结论 1981年 美国加州大学旧金山分校外科系首次发现伤口的含氧量与血管增生的关系新血管的增生随着伤口大气氧含量的降低而增加 无大气氧存在下 血管增生速度为大气氧存在时的6倍 16 Turner在1990年再次证实湿润环境能迅速缩小创面 增加肉芽组织 促进创面再上皮化 经过40年的临床研究和实践 湿性伤口愈合理论已被欧美国家医疗界接受 17 伤口湿性愈合 湿度湿润 密闭的环境 为伤口提供适度湿润的环境 加速伤口愈合 缩短伤口的治疗时间 伤口在清创期有利于组织的水合 加速坏死组织的溶解及吸收 在肉芽组织形成期 可促进各种生长因子的释放 刺激毛细血管的再生成 在上皮化期 表皮细胞在湿性环境中移行的速度加快 且具有迅速修复真皮的作用 18 1 有利于坏死组织及纤维蛋白的溶解 伤口的愈合首先是要清除坏死组织及其沉淀的纤维蛋白 在适度湿润环境下 渗出物中含有的组织蛋白溶解酶保留在创面的渗出物中 从而促进坏死组织的溶解与吸收 2 调节创面的氧张力 促进毛细血管的形成 刺激细胞增殖 胶原纤维与上皮细胞的生成同创面的氧张力密切相关 而低氧状态的张力 非常有利于上皮细胞和胶原纤维的生成 且更利于创面的愈合 19 3 促进各种生成因子的释放 如血小板衍生生长因子 转化生长因子 表皮生长因子 成纤维细胞生长因子以及白介素 1 IL 1 等 在伤口愈合过程中 多种生长因子的释放可促进其愈合 4 可加强白细胞的功能 降低感染机会 在密闭性 半密闭性的环境中 有效地防止细菌的侵入 既防止伤口的细菌传播 又有利于白细胞介导的宿主吞噬细胞发挥作用 提高局部的免疫力 增强灭菌的能力 20 人工皮肤能够提供伤口愈合所需要的环境 因此它必须具有 良好的组织相容性 免疫反应的问题 良好的密闭性 防止细菌入侵 良好的透气性 有利于组织生长 透湿吸湿性 提供适度湿润的环境根据以上条件 来选择合适材料 来设计 生产符合要求的人工皮肤 21 人工皮肤的种类 表皮替代物 由生长在可降解基质或聚合物膜片上的表皮细胞组成真皮替代物 含有活细菌或不含细胞成分的基质结构 用于诱导成纤维细胞的迁移 增殖和分泌细胞外基质全皮替代物 既含表皮结构又含真皮结构按照材料可分为 合成高分子 天然高分子 复合材料人工皮肤 22 23 24 人工皮肤的特点及用途 25 复合材料材料人工皮肤 4 26 27 28 29 30 31 合成高分子材料人工皮肤 2 32 临床常用的合成高分子材料人工皮肤 合成纤维织物 尼龙 聚酯 聚丙烯 聚合物多孔膜 聚乙烯醇 聚氨酯 硅橡胶 聚乙烯 聚四氟乙烯 33 合成纤维织物人工皮肤 通过将合成纤维制作成织物来模仿皮肤 其用于丝状物的表面 基底层涂有硅橡胶和聚氨基酸 优点 丝绒状的表面有利于人体组织的长入和固定 底部涂层有优异的透湿性 34 多孔膜人工皮肤 利用聚乙烯醇 聚氨酯等制备多孔膜 直接用做人工皮肤优点 与创面密合性好 有效防止细菌的侵入 具有良好的透气性 吸湿性 创面贴敷柔和 利于创面的生长愈合 35 天然高分子材料人工皮肤 3 36 目前可用于组织工程化皮肤的天然高分子材料 脱细胞真皮基质 天然多糖类高分子材料如纤维素 甲壳质 壳聚糖 糖胺聚糖 如硫酸软骨素 透明质酸 肝素等 海藻酸盐等 天然蛋白类高分子材料如胶原蛋白 丝素蛋白 纤维蛋白 弹性蛋白及明胶等 生物合成聚酯如聚羟基丁酸酯 bachelorofphilosophy PHB 等 37 1 1脱细胞真皮基质 allograftdermalmatrix ADM 定义 脱去表皮和真皮层的细胞而得到的低抗原性基底膜通过酶消化 高渗盐水浸泡等处理后的脱细胞真皮基质 由于除去了异体 种 皮中的表皮层和真皮层中包括附件上皮细胞 朗格罕氏细胞和微血管内皮细胞等细胞成分和可溶性蛋白 从而最大限度地降低了免疫原性 此外 又保留了天然真皮细胞外基质的微观构架 其主要成分包括胶原 弹性蛋白 蛋白多糖及糖胺多糖等不溶性基质成分 并可保留完整的基底膜结构 38 应用 来源于人尸体皮的脱细胞真皮已由美国Lifecell公司开发为产品 商品名为Alloderm 临床应用效果良好 ADM在深度皮肤缺损创面的修复中主要作为真皮支架 还需要在表面复合超薄皮片移植 脱细胞真皮基质 无细胞存在 基底膜完整 HE 100 脱细胞真皮基质 丰富的弹力纤维 Verhoeff 100 39 1 2 1胶原蛋白胶原蛋白又称胶原 collagen 是动物体内含量最丰富的蛋白质 广泛存在于脊椎动物的结缔组织 皮肤和肌腱中 胶原属于正常皮肤细胞外基质 extracellularmatrix ECM 的重要组成部分 抗原性低 降解产物不会引起不良反应 容易获得且易于加工 因此被广泛用作组织工程化皮肤支架材料 1 2天然蛋白类高分子材料 40 应用 胶原一壳聚糖支架材料 以胶原 壳聚糖为主要材料 通过冷冻 干燥和改性 获得适用于真皮再生的多孔支架 体外细胞培养结果证明细胞能够非常容易地侵入到支架内部并扩增生长 分布均匀 动物实验结果证明该材料能够被血管化 即能够成活 41 应用 ChoiYS等将明胶和HA 透明质酸 Haluronicacid 复合成海绵 然后用1一乙基一3 3一二甲基氨丙基碳化二亚胺交联 制成不溶性基质 明胶一HA海绵有很好的伤口愈合能力 证明其可作为一种新型的伤口敷料或皮肤组织工程支架 1 2 2明胶明胶是一种天然高分子材料 是由胶原热变性或者经物理 化学降解得到的 42 应用 吴徵宇等研制的丝素创面保护膜临床试验取得成功 经鉴定后于1996年作为产品进入市场且申请了中国专利 1 2 3丝素蛋白制备方法是将家蚕丝素溶解 提纯后 用流延法制成再生丝素膜 该材料无毒性 无刺激作用 具有良好的生物相容性 而且对成纤维细胞 皮肤表皮细胞的黏附性相当好 43 1 3天然多糖类高分子材料1 3 1纤维素目前用于组织工程化皮肤支架材料的纤维素主要是细菌纤维素 bacterialcellulose BC BC是一种天然的生物高分子聚合物 具有生物活性 生物可降解性 生物适应性 具有独特的物理 化学和机械性能 例如高结晶度 高持水性 超细纳米纤维网络 高抗张强度和弹性模量等 因而成为近年来国际上新型生物医用材料的研究热点 应用 Biofill作为人类临时皮肤替代品已被成功应用于治疗 皮肤烧伤 皮肤移植及慢性皮肤溃疡等疾病 44 1 3 2甲壳质 壳聚糖甲壳质或壳聚糖制成的人工皮肤柔软 舒适 与创面的贴合性好 既透气又吸水 具有抑制疼痛和止血功能 也有抑菌消炎作用 随着创面的慢慢愈合 自身皮肤生长 该人工皮肤能自行降解并被机体吸收 并促进皮肤再生 为调节和改善多孔材料的机械强度 水通透性等性质 还制备了具有双层结构的人工皮肤 致密层由壳聚糖膜组成 而疏松层则由壳聚糖海绵体或壳聚糖复合体的多孔材料组成 通过在这些材料上进行人胚表皮成纤维细胞的培养从而获得生物活性人工皮肤 除了可促进表皮细胞增殖 壳聚糖还可抑制成纤维细胞的过度增生 因此 壳聚糖类材料还可被应用于临床治疗增殖性瘢痕 45 天然高分子材料人工皮肤优点 材料从生物体内提取或从自然环境中直接得到 抗原性较弱 往往存在细胞表面受体的特异识别位点 不易引起免疫排斥反应 并可诱导 调节细胞的生长和分化 大多数材料来源丰富 造价低廉 且在组织相容性 理化性能及生物降解性等方面显著优于人工合成材料 46 缺点 部分天然高分子材料如HA 胶原等大规模提取比较困难 价格较高 不同的处理方法也会造成天然高分子材料产品批次差异 性质难以统一 并且大多天然高分子材料的机械性能难以符合操作要求 部分天然高分子材料存在抗原性消除程度不确定 疾病传播隐患及降解速率不易控制等 47 参考文献 1 王康建 曾睿 但卫华 米贞健 贾淑平 龚彦铭 胡帅 朱剑 陈学思 基于天然高分子材料的组织工程化皮肤支架材料 生物医学工程与临床 2009年第02期 2 王红军 天然生物降解高分子复合体系与组织工程人工皮肤的研究 南开大学1998年 48 研究进展和应用现状 5 49 石墨烯用于人工皮肤 石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料 并且透光率极高 正是这些特性使得它成为了伦敦帝国理工学院研究人造皮肤的原材料 研究人员目前正在尝试通过3D打印的方式将其打造成化学改性涂层 利用石墨烯来制作出一种复合材料的机器 并赋予其更为敏感的压力感知 50 对于许多烧伤烫伤的患者 截肢患者以及整容者来说 人造皮肤拥有触觉可以给他们带来很大的益处 截肢者的痛苦是常人无法想象的 许多遭遇意外而导致皮肤损毁的人 除了要承担肉体上的伤痛 精神上也会有很大的压力 以前人造皮肤虽然能帮助他们掩盖伤痕 但没有任何触觉或是感知不灵敏等缺点使得患者的体验很差 去年12月 国际期刊 自然通讯 NatureCommunications 发表消息称 韩国首尔大学研究团队开发出了一种可通过微型感知装置感受温度 压力以及各种触觉的人造皮肤 斯坦福大学的 这种新的人造皮肤由橡胶塑料和柔性打印电路组成 当中夹着碳纳米管 可在挤压时接触而导电 挤压的力度越大 穿过皮肤的电流就越大 使皮肤感受到不同程度的压力 这是第一种能够感知压力并与大脑沟通的柔性人造皮肤 这是第一次一种灵活的 皮肤样的材料能够检测到压力 并将信号传送给神经系统的组件 51 日本科学家利用干细胞研制出一种人造皮肤 可以在移植之后发挥天然皮肤的功能研究成果刊登在美国 科学进展 杂志上 研究人员提取老鼠牙龈细胞 然后把它转换成诱导多能干细胞 随后他们制造出 细胞干 即对细胞进行三维培养扩增然后分化 以便形成正常的皮肤组织 这种组织被移植到其他没有免疫缺陷老鼠的皮肤上后 以与皮肤内外层负责油脂分泌等调节功能的组织同样的方式生长 在整个过程中使用 Wnt10b 信号分子形成诱导多能干细胞 它可以生长成上皮细胞 毛囊和皮脂腺 移植组织与神经细胞和周边肌肉纤维建立联系 从而完全具备正常功能 52 随着组织工程学的迅猛发展 使人类替换病损组织的梦想成为现实 人工皮肤的研究也取得可喜的进步并初步应用于临床 人工皮肤的研究及产品的开发和应用 将给烧伤 大面积溃疡及皮肤缺损患者在临床的治疗带来福音 然而 人工皮肤移植目 前还存在一些问题有待解决 一方面 目前的体外培养过程周期仍较长 难以及时满足临床需要 移植中也发现由于组织