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骨组织工程支架材料 1 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 支架材料 2 骨组织工程支架材料 骨组织工程支架材料 3 因创伤 肿瘤或骨病等原因造成的骨缺损 骨不连和骨髓炎患者越来越多需要骨移植材料的患者也越来越多 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 1 应用背景 4 1 种子细胞 2 信号因子 3 支架材料 骨组织工程 三要素 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 6 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 2 性能要求 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 2 骨传导性和骨诱导性具有良好骨传导性的材料可以更好地控制材料的降解速度 具有良好骨诱导性的支架材料植入人体后有诱导骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化并促进其增殖的潜能 3 可降解性在组织形成过程中逐渐分解 并且速度与组织细胞的生长速度相一致 降解时间应能调控 8 2 性能要求 4 合适的孔径和孔隙率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 m 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 9 1 人工合成材料 2 天然衍生材料 3 复合支架材料 3 分类 10 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 11 2 天然衍生材料 天然骨 天然骨的来源有同种异体或异种动物骨 天然有机高分子材料 天然有机高分子材料包括胶原 纤维蛋白 几丁质 藻酸盐 壳聚糖 天然无机材料 珊瑚材料的优点是具有多孔性和高孔隙率及良好的生物降解性 另外有一定的机械强度和可塑性 来源丰富 但缺点是降解速度较慢 限制其在骨组织工程中的应用 珊瑚骨 海珊瑚及珊瑚羟基磷灰石 的主要成分是碳酸钙 其优点是骨传导作用较好 在高孔隙率时仍保持机械强度高的特点 但缺点是力学性能较差 无骨诱导作用 不易加工 微波烧结墨鱼骨 微波烧结墨鱼骨是通过高温热处理获得的多孔纯骨矿材料 可突破异种骨移植的限制 12 3 复合支架材料 羟基辛酸共聚体 由微生物合成的天然高分子聚酯材料多聚羟基烷酸能够作为组织工程支架进行组织修复 多聚羟基烷酸的新产品羟基丁酸与羟基辛酸共聚体具有良好的细胞相容性和生物可降解性 有望成为一种新型的骨组织工程支架材料 纳米羟基磷灰石 与胶原复合的骨组织工程支架材料羟基磷灰石和胶原由于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 13 1 气泡状多孔结构新型羟乙基壳聚糖 纤维素支架 2 新型层状双氢氧化物 羟基磷灰石 明胶支架 3 碳纳米纤维 羟基磷灰石 HA 生物活性支架 4 前沿研究 14 15 新型羟乙基壳聚糖 纤维素支架 天然多糖制成的水凝胶可以作为组织工程的理想支架 因为它们与细胞外基质相似 通过化学交联 使用二氧化硅颗粒作为致孔剂的颗粒浸出和冷冻干燥方法 由羟乙基壳聚糖 HECS 和纤维素 CEL 制备了具有气泡状多孔结构的新型水凝胶支架 通过SEM 机械试验 接触角测量和流变仪对HECS CEL支架的形态 压应力 应变曲线 润湿性 溶胀度和流变行为进行了表征 HECS CEL支架具有良好的综合性能 20秒内可达到水中平衡膨胀状态 HECS CEL支架可以很好地支持成骨细胞MC3T3 E1细胞的附着 扩散和增殖 并显示出良好的生物相容性 因此 新型HECS CEL支架对于骨组织工程应用是有希望的 16 新型羟乙基壳聚糖 纤维素支架 从图中可知化学反应主要涉及环氧基的胺 羟基引发的开环反应 导致形成单一的3D网络结构 通过ECH交联与二氧化硅浸出法组合制备的HECS CEL支架在浸泡于水中时以水凝胶的形式存在 17 从图知通过微粒浸出和冷冻干燥方法 支架显示出高度互相连接的双孔结构 通过去除致孔剂SiO2颗粒来生产尺寸为100 250 m的气泡状大孔 而在冷冻干燥过程中形成的冰晶升华 尺寸为数十微米的微孔是升华的结果 这种高度互连的多孔结构将促进营养物质 氧气和代谢废物通过支架交换 以促进细胞 血管和周围组织的向内生长 新型羟乙基壳聚糖 纤维素支架 18 新型羟乙基壳聚糖 纤维素支架 如图3A所示 这三种不同的支架表现出类似的应力 应变行为 并且应力随着应变的增加几乎线性增加 如图3B所示 HECS CEL支架的平均压缩模量显著高于1 5wt CEL支架 19 图4所示1 5重量 CEL和HECS CEL支架的膨胀动力学和水接触角 A 和视觉肿胀现象 B 表明加入水溶性HECS提高了CEL的亲水性 新型羟乙基壳聚糖 纤维素支架 20 图6所示体外检测活细胞的常用方法 绿色荧光点代表活细胞 如图所示 6A 孵育1天后 在CEL和HECS CEL支架上观察到代表细胞簇的几个绿色荧光点 当培养时间延长至4天时 观察到更多的细胞簇 并出现一些细胞间结 结果表明HECS CEL支架具有比CEL支架更好的体外生物相容性 为细胞附着和增殖提供了有希望的环境 新型羟乙基壳聚糖 纤维素支架 21 22 层状双氢氧化物 羟基磷灰石 明胶支架层状双氢氧化物 羟基磷灰石 明胶骨组织工程支架 制造 表征和体内研究层状双氢氧化物 羟基磷灰石 明胶骨组织工程支架 制造 表征和体内研究 通过开发多孔生物降解支架是骨组织工的主要方法之一 使用共沉淀和溶剂铸造方法制备了含有层状双氢氧化物 LDH 羟基磷灰石石 HA 和明胶 GEL 的新型BTE复合材料 生理化学特征表明 支架的化学成分和微观结构与天然海绵骨相似 观察到互连大孔 而LDH GEL和LDH的孔隙率和杨氏模量也很满足性能要求的支架 一个月后 支架在去离子水中降解 SEM图像显示 在两个支架之间 具有针状二次HA晶体的LDH HA GEL显示更好的生物活性 根据碱性磷酸酶活性和茜素红染色结果 与LDH 凝胶支架以及对照样品相比 LDH HA GEL支架显示更好的骨特异性活性 提取兔子脂肪干细胞培养 然后在融合后接种在LDH HA GEL支架上 结果证实了LDH HA GEL支架诱导骨再生的良好性能 23 24 碳纳米纤维 羟基磷灰石 HA 生物活性支架 临界尺寸骨缺损是矫形缺损 不会在没有干预的情况下愈合 也不会在动物的自然生命周期内完全愈合 尽管骨通常具有完全再生的能力 但临界缺陷需要某种支架才能完成 因此提出了一种获得碳纳米纤维 羟基磷灰石 HA 生物活性支架的方法 通过使用聚丙烯腈 PAN 的聚合溶液的静电纺丝工艺和随后的稳定化和碳化方法获得碳纳米纤维 CNF 非织造织物 CNF片由羟基磷灰石 HA 和牛血清白蛋白 BSA 两者官能化 将HA加入静电纺丝溶液中 但在 BSA 的情况下 在碳化处理后被吸附 使用表征方法 SEM FT IR TGA和EDX 研究在前体片中发生的性质的变化 通过皮下植入在新西兰白兔中测试制备的材料的生物相容性 HA和BSA功能化的片材与3周内只有HA的患者相比 具有更少的嗜中性粒细胞和淋巴细胞炎症细胞的生物相容性 25 羟基磷灰石涂层骨替代材料与体内成骨实验 医学应用 26 2 静电纺丝法制备的纳米纤维支架 医学应用 27 3D打印生物陶瓷支架可用于骨肿瘤治疗 医学应用 28 讨论 目前应