组织工程.ppt

概述 组织工程 TissueEngineering 是近年来正在兴起的一门新学科 属于生物高技术范畴 定义 应用生命科学与工程学的原理与技术 在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下的组织结构与功能关系的基础上 研究 开发用于修复 维护 促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科 组织工程研究主要包括四个方面 种子细胞 生物材料 构建组织和器官的方法和技术以以及组织工程的临床应用 组织工程的核心建立细胞与生物材料的三维空间复合体 即具有生命力的活体组织 用以对病损组织进行形态 结构和功能的重建并达到永久性替代基本原理和方法将体外培养扩增的正常组织细胞 吸附于一种生物相容性良好并可被机体吸收的生物材料上形成复合物 将细胞 生物材料复合物植入机体组织 器官的病损病分 细胞在生物材料逐渐被机体降解吸收的过程中形成新的在形态和功能方面与相应器官 组织相一致的组织 而达到修复创伤和重建功能的目的 1组织工程研究内容及其三要素 1 1细胞 取材容易且对肌体损伤小 体外培养增殖力强 易稳定表达原有功能特性 植入体内后能耐受机体免疫且无致癌性 1 1 1干细胞 1 1 2体细胞 可借生长因子的作用重新进入细胞周期细胞培养技术是组织工程发展的前提条件之一 组织工程的三个基本要素1 2生长因子 蛋白或多肽类分子 特点 一定时间内保持适宜浓度 作用位点特异 多种生长因子共同作用 易于失活等 血管内皮生长因子 VEGF 骨形态发生蛋白 BMP 成纤维细胞生长因子 FGF 神经生长因子 NGF 材料科学的发展是组织工程的必要条件 组织工程的三个基本要素1 3细胞外基质 Extracellularmatrix ECM ECM均质状态的基质 蛋白多糖 糖蛋白 和细丝状的胶原纤维ECM是细胞附着的基本框架和代谢场所 其形态和功能直接影响所构成的组织形态和功能理想的ECM应具有以下特点 生物相容性好 有可吸收性 有可塑性 表面化学特性和表面微结构利于细胞的粘附和生长 降解速率可根据不同细胞的组织再生速率而进行调整 细胞外基质 组织工程所应用的材料1 3 1天然ECM 采用胶原制作人工皮和血管的模型1 3 2人工的ECM 聚乳酸 聚羟基乙酸 两者的共聚物 PGA PLA 聚 羟基丁酯 PHB 聚乳酸 已内酯的共聚物 PLC 聚原酸酯 聚磷本酯 聚酸酐1 3 3天然高分子同合成高分子的复合物如胶原 PCA的复合物等1 3 4有机材料同无机材料的复合物如羟基磷灰石 甲壳素的复合物 羟基磷灰石 PLA的复合物等 1 4组织工程支架材料骨组织工程支架材料神经组织工程支架材料血管组织工程支架材料肌腱组织工程支架材料皮肤组织工程支架材料角膜组织工程支架材料肝 胰 肾 泌尿系统组织工程支架材料 1 4 1骨组织工程支架材料必须具备以下两个功能 1 有一定机械强度以支撑组织的高强度材料 以保证材料植入人体后 有支撑体的重量 不改变骨骼形状 2 有一定生物活性可诱导细胞生长 分化 并可被人体降解吸收分为两类 即生物降解和非生物降解型高聚物 碳素纤维 涤纶 特氟隆 金属材料 不锈钢 钴基合金 钛合金 生物惰性陶瓷 氧化铝 氧化锌 碳化硅 生物活性陶瓷 生物玻璃 羟基磷灰石 磷酸钙 等纤维蛋白凝胶 胶原凝胶 聚乳酸 聚醇酸及其共聚体 聚乳酸和聚羟基酸类 琼脂糖 壳聚糖和透明质酸等多糖类 1 4 2神经组织工程支架材料理想的人工神经是一种特定的三维结构支架的神经导管 可接纳再生轴突长入 对轴突起机械引导作用 雪旺细胞支架内有序地分布 分泌NTFs等发挥神经营养作用 并表达CAM 分泌ECM 支持引导轴突再生 以往用于桥接神经缺损的神经套管材料有硅胶管 聚四氟乙烯 聚交酯 壳聚糖等 目前用于人工神经导管研究的可降解吸收材料有聚乙醇酸 PGA 聚乳酸 PLA 及它们的共聚物等 神经支架材料的功能有两种 1 必须为神经的恢复提供所需的三维空间 即要保证神经导管具有合适的强度 硬度和弹性 使神经具有再生的通道 2 要保证其有理想的双层结构 外层提供必要的强度 为毛细血管和纤维组织长入提供营养的大孔结构 内层则可起到防止结缔组织长入而起屏障作用的紧密结构 1 4 3血管组织工程支架材料结构上也分为双层 内层是与血液相容性好的生物活性材料 该类材料要求不仅具有生物活性 同时还要具有抗凝血和抗溶血作用类型 最早的外层材料一般为尼龙 聚酯等无纺布或无纺网等 目前 该类材料应用较多的为胶原或明胶蛋白包埋的或表面处理的可降解材料的无纺网 例如 聚乳酸 聚羟基酸和多肽等的无纺布或无纺网等 1 4 4肌腱组织工程支架材料肌腱与韧带组织中的功能细胞分别是肌腱细胞和成纤维细胞 二者在组织来源上均属成纤维细胞型 但肌腱细胞分泌 型胶原 而成纤维细胞分泌 型胶原 因此 肌腱组织支架材料必须可降解 但一定要是降解时间较长的材料 类型 20世纪70年代肌腱支架材料一般使用硅橡胶 尼龙聚酯 碳纤维等 目前使用的多是聚酯聚二氧杂环烷等 1 4 5皮肤组织工程支架材料人工角膜材料要求透明 吸水 有一定的机械强度 屈光性好等特点 同时 要求可降解 以前常用的材料为HAMA PMMA 近来来 多采用胶原和聚醇酸等材料 1 4 6肝 胰 肾 泌尿系统组织工程支架材料肝 胰 肾 泌尿系统使用的组织工程支架材料多为可降解材料 目前这方面研究和使用的材料 主要以天然蛋白 多糖与合成高聚物杂化的可降解材料 例如 用于肝组织工程支架的血纤维和聚乳酸 用于泌尿系统的聚乙醇酸等 用于组织工程的新肽生物材料支架 理想的候选生物材料支架 1 有易于设计和修饰的基本单元 2 该材料的生物降解速度可调控 3 没有细胞毒性 4 具有能特异促进或抑制细胞 材料相互作用的特性 5 能引发的免疫反应和炎症最小 6 材料的生产 纯化和处理是容易的并可升 7 有与水溶液和生理条件的化学相容性 自然来源的材料几种自然来源的动物产物如基于胶原蛋白的生物支架 它们的衍生物和生物相容性同聚物已用于细胞吸附的支架 合成的肽生物材料支架合成生物材料的最大优点是他们能被设计成符合特定的需要的东西 通过插入能促进细胞吸附的生物活性基序的例子表明了这样设计的可塑性组织工程和修复生物材料已广泛用于组织工程 最近在生物材料和细胞相互作用的工作集中在空腔 膀胱 和骨组织工程的生物材料的物理特性和维度 设计更好的人工肽生物材料支架未来在合成的生物材料支架的工作将注重具有更复杂的材料几何构象和诸如更强的抗拉能力的生物材料的设计 将生物活性基序插入肽生物材料中将刺激编织这些材料成良好结构的处理过程的发展 用于组织工程的新肽生物材料支架 scaffold 支架 2 2组织工程的技术路线 P171 3组织工程生物反应器 3 1 4组织工程产品 4 1骨组织构建构建组