骨组织修复研究进展.ppt

骨组织修复最新研究进展 小组成员 曹俊杰李俊松陈海洋唐银宏 1 丝蛋白 丝蛋白 又名丝素蛋白 属线状蛋白质 具有抗蛋自水解酶 抗紫外线 而且以其显著的柔韧性 抗疲劳和与钢材相似的张力强度 高温下的热稳定性 在酸碱条件下的稳定性 在一50 60 的温度范围内保持有良好的弹性等 丝蛋白以其良好的生物相容性和生物降解性成为生物医药材料中的重要天然材料 以其高纯度 低价格等优点 在生物医药材料上的有广阔的应用前景 主要包括 药物载体 骨骼与软骨组织修复材料 神经与血管移植等 骨骼与软骨组织是坚硬的结缔组织 由细胞 纤维和基质构成 而丝蛋白在这之中起到的支架作用尤其重要 其优异的机械性能 较低的炎症反应 缓慢生物降解性能和完善的生物相容性能 使其必然会成为骨骼与软骨组织修复材料中的主要材料之一 1 1丝蛋白在骨组织修复中的应用 1 2丝蛋白应用的实例1 张锋等的研究充分证明了低降解速率的丝蛋白支架 其在体内外骨发生研究方面具有潜在应用价值 谢瑞娟等啕将非水溶性的丝蛋白加入到磷酸钙骨水泥中 制成复合粉体 再按一定的液固比将复合粉体调和成糊状物 转化为与骨有相似结构的丝蛋白一磷酸钙骨水泥复合材料 它具有良好的力学性能和生物相容性 通过注射器直接注入手术部位 可准确塑型固化作为骨修复的充填材料使用 或者在体外环境中自固化后再植入体内 作为骨修复的植入材料使用 1 2丝蛋白应用的实例2 NSunita等研究丝蛋白与金属钛的功能化应用 mRNA转运了骨涎蛋白 骨钙蛋白和碱性磷酸酶到成骨细胞 强化丝蛋白 丝蛋白一RGD固定化钛基体培养 1 2丝蛋白应用的实例3 1 3丝蛋白总结 在生物材料领域中 丝蛋白具有极大的开发潜力 同时 仍然有一些问题需要解决 1 丝蛋白需要加工成不同的形态 以满足不同的需求 2 生物降解速率应能控制并且能匹配生物体的生长 3 表面改性是用来改善丝蛋白材料的生物相容性 生产临床伎用的丝蛋白材料应具有低免疫原性或无免疫原性 4 应该研究出更多新的 有价值的丝蛋白材料用于临床医学 2 透明质酸 透明质酸是骨生物材料研究的新热点 透明质酸具有高度黏弹性 可塑性 超强的吸水性 渗透性和良好的生物易吸收性 无免疫抗原性 改性的透明质酸不仅维持了原来优越的性能 而且完善了其性能 使之更能适应人体环境 2 1透明质酸在骨关节炎治疗中应用 膝关节损伤 关节病骨关节炎是最常见的疾病 注射透明质酸 玻璃酸钠 已经成为治疗骨关节病的常见方法 关节滑液中的透明质酸与蛋白质结合在一起带有大量的负电荷 有较强的吸水性和高度的黏滞性 蛋白多糖聚合体能够提高关节液的润滑性和黏弹性 并使润滑液与关节软骨之间有较大的亲和力 透明质酸与蛋白多聚糖能紧密附着在关节面上起润滑作用 从而减少关节运动阻力保护关节软骨免受过度的机械磨损 2 2透明质酸与生物因子结合对软骨及骨缺损修复应用 1 促进软骨细胞的增殖透明质酸本身带负电荷 有较强的亲水性和高黏附性 与软骨细胞之间有较强的亲和力 而且还具有软骨诱导功能 能为关节软骨细胞提供营养 参与蛋白多糖聚合物的合成 通过糖蛋白多糖在软骨细胞表面起构建作用 还能促进表层关节的增生 维持未钙化软骨的厚度 对发生退行性变的关节软骨在一定程度上具有促进其修复的作用 透明质酸改良后的复合物在生物骨组织中的应用 透明质酸易降解 其降解时间与其分子量的大小紧密相关 因此 要想延长透明质酸分子在机体中的降解时间 势必要通过化学修饰制备出一种分子量远高于天然透明质酸钠分子的衍生物 即交联的透明质酸钠衍生物 透明质酸复合物跟生长因子结合在骨组织中应用 透明质酸是骨修复中生长因子的良好运输载体 但其作为支架的主要缺陷是它的低细胞黏附性能 而整合素是细胞表面受体的主要家族 对细胞和细胞外基质的黏附起介导作用 透明质酸 整合素 基质可作为生长因子的输送载体 并具有潜在的临床应用价值 对于透明质酸复合物的研究是现在生物材料研究的热点 这种复合物结合自身物质的优点 又能弥补自身的不足 有着其他物质不可比拟的优势 但是这种复合物的组织相容性 炎症反应和可降解性还没有深入的研究 这可能是今后研究的热点 3 磷酸钙 磷酸钙作为生物体硬组织中主要的无机成分 具有良好的生物相容性 生物活性及生物可降解性 广泛应用于骨组织与牙齿修复和替换 药物输运和控制释放 基因转染及诊断成像等生物医学领域 人工合成磷酸钙材料的组成 结构 尺寸 形貌和结晶度等特性均与材料的制备方法有关 且材料的这些特性对其应用起到决定性作用 因此 发展不同的方法制备出具有特定组成 结构 尺寸 形貌 结晶度和性能的磷酸钙纳米材料对其应用至关重要 本文综述近年来在磷酸钙纳米材料的制备 表征 性能和应用研究方面所取得的最新进展 讨论室温制备法 溶剂热 水热合成法 微波辅助快速合成法 静电纺丝法及含磷生物分子磷源合成法等制备方法 分析磷酸钙纳米材料的性能及其在药物装载和可控释放 蛋白质吸附及释放 生物成像等领域的应用 展望磷酸钙纳米材料研究领域的发展趋势 4 硫酸钙 自上世纪80年代以来 人们开始研究人工骨材料 从而使得骨修复生物材料学蓬勃发展心 人们期望能够获得一种具有良好组织相容性 成骨活性 生物力学强度及与自体骨相近的替代材料 硫酸钙作为一种在临床上广泛应用的人工骨支架材料 它具有良好的生物相容性与降解性能 来源充足 灭菌方便等特点 被美国食品药品管理局 FDA 批准应用于临床骨缺损的治疗 硫酸钙生物学特性 4 1硫酸钙的生物相容性大量的动物实验及临床应用发现 硫酸钙植入后对宿主周围组织无炎症刺激及异物刺激反应 无细胞毒性反应 4 2硫酸钙在机体内的降解性能硫酸钙在机体内可以被完全降解 吸收 而且不会对血液中的钙水平产生明显的影响进一步研究发现 硫酸钙的降解速率在一定范围内是可预测的 可预期调控的 而控制分子晶体结构 大小及形态是其关键作用 硫酸钙生物学特性 4 3硫酸钙的成骨性能在局部诱导新骨生成 促进材料在生物体骨缺损处进行替代修复是理想的人工骨材料必备的条件 目前 硫酸钙的成骨机制还没有被完全阐明 一般认为 硫酸钙促进成骨主要是由于其具有良好的生物相容性和骨传导性 这有利于成骨细胞长人材料内部 实现了骨缺损的修复 硫酸钙材料降解过程会形成局部的高钙环境 能够诱导成骨细胞的生长 协同弱酸环境诱导成骨因子的释放 并且能够促进与成骨细胞功能相关的多重mRNA及BMPl BMP7 骨细胞受体 FGFRI 等因子的表达 研究表明 硫酸钙支架材料具有良好的骨诱导活性 它能够诱导血管生成 增强局部营养能力 并且能促进骨髓间充质干细胞进行分化成骨细胞 促进了局部人工骨材料的血管化和成骨能力 4 2硫酸钙在修复四肢骨缺损的临床应用 临床研究发现 硫酸钙或硫酸钙复合物植入缺损部位后能够完全降解 并且在其降解过程中 能够同时诱导新骨的形成 作为良好的填充材料 硫酸钙植入由创伤 肿瘤等疾病引起的骨缺损部位 不会产生炎症反应 并且术后不易复发 目前的观点是 硫酸钙是一种安全 有效的骨移植替代材料 它能够有效的阻止周围软组织快速长入 为骨组织的再生提供时间以及良好的环境 4 3硫酸钙骨水泥在长骨骨缺损方面的应用 目前 硫酸钙骨水泥已经广泛应用于创伤 骨肿瘤病灶清除术 骨髓炎清除术等造成的干骺端松质骨缺损 研究表明硫酸钙骨水泥能够有效修复桡骨远端粉碎性骨折 在6周时间内 骨碎片即可达到牢固结合 当少量硫酸钙骨水泥进入关节腔后 并未发现异位骨化等并发症 临床发现使用注射型硫酸钙骨水泥 对跟骨骨折 胫骨平台骨折 骨肿瘤病灶清除术等导致的骨缺损空腔等进行治疗 均取得满意效果 4 4硫酸钙作为药物载体治疗感染性骨缺损 感染性骨缺损 骨髓炎是骨科临床经常遇到的难题 因其容易反复发作 久治不愈 骨质反复遭到破坏 并形成死骨 往往需经历多次的外科手术 硫酸钙可用作抗生素的载体 能够定点用药 在局部形成较高的药物浓度 有效的抑制细菌生长 全身副作用小 硫酸钙材料在体内可以完全吸收 降解 能够有效的填充清创后的骨缺损死腔 具有良好的生物相容性 力学强度 骨传导能力 成骨能力 4 5硫酸钙小结 硫酸钙作为一种传统的骨科材料 不仅仅被用作石膏来固定骨折 同时被当作骨移植替代材料来修复各种骨缺损 硫酸钙具有诸多理想的骨移植替代材料的特点 能在体内被完全吸收 具有良好的生物相容性与可成形性 可作为新骨生长的支架 能够填补骨缺损以及防止周围软组织快速长人 能够激活成骨细胞活性 诱导成骨 能够作为药物的缓 控释载体 灭菌方便 自然界中蕴含量丰富等 因此 硫酸钙是具有广阔应用前景的 可作为骨移植的替代材料 当然 硫酸钙还存在生物力学性能欠佳 降解速度稍快 不能单独作为支架材料用于骨缺损修复等缺点 5 骨再生的研究现状分析 骨缺损是临床上较为常见的疾病 传统临床治疗方法主要有自体骨移植与同种异体骨移植 但自体骨移植与同种异体骨移植均存在一定的治疗缺陷 如自体骨移植存在供区并发症与来源有限等缺点 同种异体移植存在并发疾病传播和免疫排斥风险 而骨组织工程虽然有其自身的局限性 但因其可限制异体移植引发的疾病传播 避免免疫排斥反应等已逐渐成为一种新的治疗骨缺损的模式 5 1骨组织移植物的类型 骨移植物包括自体移植 异体移植 异种移植及组织工程材料 自体移植由于来源有限及感染等并发症 限制临床应用 因此 其它类型的移植物被引入 以克服自体移植的局限性是非常必要的 研究分析 所有的移植物均具有不同的局限性 5 2自体移植 自体移植指从个体自身一个部位获得组织移植于另一个部位 它们可以是松质骨 皮质骨或皮质骨与松质骨结合 新鲜的自体移植包含存活细胞和骨诱导蛋白质 如BMP 2 BMP一7 FGF及IGF等 从生物学的角度来讲 自体移植是最为理想的移植材料 因为其完全没有免疫原性 保留了其原有的活性 由于缺乏免疫源性 因此在移植后可提高与宿主组织的整合性 此外 对于其成骨特性 骨诱导性 骨传导特性 新鲜自体移植均是最佳的 且可提供间充质细胞 成骨前体细胞 成骨细胞以及生长因子 其缺点是 自体移植必须从自体骨组织获取 从而增加供体部位疼痛 感染等并发症 且对于大的骨质缺损 来源有限 限制应用 5 3同种异体移植 同种异体移植指从同一种属的不同个体获得 由于自体移植的限制 同种异体移植已被广泛应用于基础研究与临床应用 同种异体骨移植包括皮质骨 松质骨或皮质松质骨的结合 诸如粉末状 皮质条 松质立方块 以脱钙或未脱钙 新鲜的 新鲜冷冻的 或冷冻干燥的形式 移植的主要优点是 容易获得 避免牺牲宿主组织 具有良好的骨诱导和骨传导性 但但缺乏活性细胞 因此 具有较低的成骨潜能 同种异体骨移植存在传播疾病的风险 且其可能导致免疫反应 干扰骨愈合过程 可能导致移植物的排斥反应 有研究表明同种异体骨移植是与自体骨移植相比是欠缺的比 5 4骨组织工程 骨组织工程涉及的主要因素主要包括种子细胞 生物支架材料与生长因子 种子细胞为骨组织工程形态与组织重建的基础 生物支架材料是骨组织工程的关键因素 生物支架材料为种子细胞提供有效的细胞外基质环境 是种子细胞与生长因子的有效载体 另一方面 支架材料为骨修复或新骨的生长提供有效的支撑作用 其支架材料的研究是骨组织工程的重点研究对象 生长因子主要为支架材料提供有效的调节作用 5 5骨组织工程 天然聚合物的细胞兼容性与生物活性 通常是优于合成聚合物 但是天然聚合物与有机合成聚合物机械性能相对是较差的 且降解速度无法控制 另一方面 生物降解合成材料 包括脂肪族聚酯 已经被应用于骨软骨支架材料 依赖这个合成条件 其机械性能也容易去控制 5 6骨组织工程总结 我们总结了最近关于骨软骨组织工程的最新进展 考虑到界面组织分层结构的独特特点 理论上 骨软骨支架需要具有多相结构 以模仿骨软骨组织的正常结构 然而多相结构是非常复杂的 需控制每个阶段的表型 例如每个层次结构的降解速度以及不同层面的剪切应力 因此目前主要研究针对于双向支架 其双支架相对于多向支架是较为简单的 然而对于两个界面的稳定性仍旧是需要提出质疑的 这个弱的稳定性可能是由于双层界面结构不同的工艺构建造成 为了克服这一点 将双向支架铸造为一个整体结构可能抵抗这个双向结构间的剪切应力 另外有一点仍旧是值得怀疑的 双向支架是否能够分别充分地促进软骨与成骨分化 这是因为在各相支架上 细胞分化的调节因子可能并非所期望的细胞因子 为了克服这一点 需要构建一个时空上靶向调控的细胞因子投递系统 通过使用这个系统 在不同支架上的细胞可获得相应的细胞信号因子 为细胞各自每个阶段的分化调控发挥作用 因此 我们提出在未来的研究中 在双向支架需充分利用时空靶向基因投递系统 以满足骨软骨组织工程组织修复的应用 近年来 骨性关节炎和运动导致关节软骨损伤的发病率逐渐上升 由于关节软骨自我修复能力有限 关节软骨损伤后的修复成为临床急需解决的问题 关节软骨修复的理想状态是受损的软骨能持续生成透明样软骨 新生组织与周围组织融合 同时能够符合关节软骨的生物学和力学特性 6 关节软骨新兴的生物治疗 6 1基因治疗 基因治疗的基本原理是利用目的基因修饰相关细胞 使其表达某些具有治疗作用的基因产物 促进缺损处软骨细胞的修复和增殖分化 并且可以在软骨再生过程中持续 高效地分泌生长因子 完成修复过程 6 2细胞治疗 细胞治疗是指通过向组织内注射细胞 从而修复受损的组织 经过多年的研究 细胞治疗已逐渐走向临床 包括肿瘤免疫细胞治疗 干细胞治疗等 在治疗关节软骨疾病方面主要用于骨性关节炎所导致的关节软骨损伤 所用的细胞主要包括各种来源的干细胞以及软骨细胞 干细胞主要包括间充质干细胞 脂肪干细胞 脐血干细胞 外周血干细胞等 软骨细胞则包括自体软骨细胞和同种异体软骨细胞 6 3组织工程软骨 组织工程软骨的基础研究主要集中在种子细胞和生物支架两个关键因素上 种子细胞包括各种来源的干细胞和软骨细胞 近年来 国内外不同学科专家在软骨组织工程方面进行了大量的研究 取得了巨大成就 国内外均有组织工程软骨进入临床研究阶段 FulcoI 4胡等利用组织工程软骨为5位因肿瘤切除鼻翼小叶的患者修复了切除的鼻翼小叶 术后1年 患者的鼻翼皮肤敏感性 结构稳定性和呼吸流量等各项指标均符合预期 6 4关节软骨未来展望 关节软骨损伤后修复的理想状态是新生的软骨能较大程度的符合正常关节软骨的生物学和力学性能 研究者和临床工作者为了对受损的关节软骨达到理想的修复状态 针对关节软骨损伤的修复进行深入的研究和探索 对传统的治疗手段不断进行改进 一些新兴的治疗方法也逐渐应用于临床 基因治疗 细胞治疗和组织工程软骨是目前较为常见的三项新兴治疗方式 相较于其他两种技术 基因治疗由于载体的安全性和基因表达的稳定性等问题 目前仍局限于实验室研究阶段 细胞治疗经过多年的研究 已逐渐应用于临床 特别是自体软骨细胞移植治疗的患者已上万例 是一种极具希望的治疗关节软骨损伤的方法 组织工程软骨目前也有产品进入临床试验阶段 可望在不久的将来逐渐应用于临床 7 3D打印技术在骨组织修复个体化治疗中的应用进展 传统的各类骨组织修复材料均需要在术中由手术医生进行调整 由于材料本身性质的限制 难以达到与修复患区所需的形态完全一致 也是术后产生并发症的主要原因 而3D打印技术 可以根据医学影像和组织结构的数字化信息处理 根据个体情况直接一次性成型所需要的假体 不仅可以提供更多的材料选择 还可以实现假体的空间多维化及表面生物孔隙处理 在解决以往假体为大块实体的弊端的同时实现轻量化 更接近生物特性 从而获得更好的相容性 进一步减低了并发症出现的可能 提高患者术后生活质量 7 13D打印技术在骨关节外科中的应用 3D打印技术具备无需特殊模具 制作迅速 加工精确等特点 使得个体化的假体设计 制备成为可能 植入物的大小 类型及位置等都能利用3D打印技术在术前有效确定 有利于术者制定最佳手术方案 从而指导术者开展个体化的关节外科手术 使手术更精准 减少了手术时间和术中使用工具数量 7 23D打印技术在颅颌面外科中的应用 近年来 国外学者通过激光直接烧结Ti64粉末定制个性化骨板 个性化髁状突 下颌骨骨板 进行下颌骨缺损的腓骨瓣游离移植修复术 认为个性化骨板可以避免传统手术中依赖医生临床经验反复修改调整钛板这一过程 减少手术耗时 并且最大程度恢复下颌骨轮廓外形 减少术后并发症 7 3基于组织工程3D生物打印的骨科应用 应用3D打印制备的生物支架 能够满足生物相容性 生物活性 力学性能等要求 其高孔隙率的三维立体结构更适合种子细胞增殖 分化与诱导成骨修复缺损 具有重大的应用价值 孙梁等通过3D打印技术制备的聚乳酸 聚羟乙酸 磷酸三钙生物支架复合骨形成蛋白 bonemorphogeneticprotein BMP