第六章-组织工程.ppt

第六章组织工程 TissueEngineering 组织工程的概念 应用工程学和生命科学的原理与方法 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 达到修复 维持或改善损伤组织功能一门科学 种子细胞 支架材料 讯息因子 三要素 自体细胞异体细胞和异种细胞干细胞 天然高分子天然无机物合成高分子 营养生长因子物理和化学环境应力和应变 组织工程细胞的三维培养 皮肤组织工程 骨组织工程 ForPowerPoint97 2010 展示内容 组织工程细胞的三维培养 在体内情况下 多种生长因子都由机体协调作用 因而是一个多因子序贯作用体系 体外如何模仿实施这一多因子序贯调节是组织工程的重大课题 细胞生长与生存微环境的关系 功能细胞与支持细胞的相互关系 功能细胞的生长繁殖与应力等物理因素的关系 功能细胞与其支持物 ECM的关系 功能细胞的生长繁殖与三维空间的关系 生长因子与细胞培养 骨形成蛋白 bonemorphogeneticprotein BMP 在动物长骨的皮质骨中含量较多诱骨活性 诱导间充质细胞不可逆地分化为软骨和骨细胞 将BMP注入软组织 可异位诱导新骨的形成 BMP已经成功用于治疗骨折 骨延迟愈合 骨不连接及骨缺损 表皮生长因子 EGF 与角膜损伤的修复刺激角膜上皮增殖给兔角膜人为造成损伤 EGF滴眼给药可明显加快受创角膜的愈合 成纤维细胞生长因子 FGF 血管内皮细胞生长因子 VEGF 胰岛素样生长因子 IGF 转化生长因子 TGF 应力与细胞生长 当材料在外力作用 受力 湿度变化等 下不能产生位移时 它的几何形状和尺寸将发生变化 这种形变称为应变 材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力 定义单位面积上的这种反作用力为应力 切应力 张应力 压应力 拉应力 细胞 流体切应力 flowshearstress 主要指血流对血管壁施加的力 切应力对细胞骨架的影响 切应力作用于体外培养的内皮细胞时 细胞骨架会发生改变 细胞膜内侧出现肌动蛋白纤维 细胞内形成粗而长的应力纤维 并与膜附着 细胞变为长梭形 沿着切应力方向排列 高血压引起血管内皮细胞中应力纤维增加 微管可能是内皮细胞机械应力刺激作用的靶标 切应力通过它改变内皮细胞的形态 影响细胞的黏附与迁移等功能 从而在血管重建中发挥重要作用 切应力 切应力对内皮细胞微管骨架重构的影响 张应力 tensilestress 心脏搏动 肌肉收缩 肌腱和韧带的拉伸 血管充盈时对血管壁的牵拉 呼吸对肺泡的牵张 静态培养构建的组织工程化肌腱虽然有很好的组织学特性 但其抗拉强度始终低于正常肌腱 可能缺乏足够的力学刺激 张应力能够引起细胞骨架重排及细胞形态的变化 张应力 大鼠骨髓间充质干细胞加力前后细胞骨架形态变化 压应力 compressivestress 人体的所有关节都是由骨性组织构成它的主要部分 关节内侧缘大多受到压应力的影响 拉应力大脑 脊髓和内脏器官在人体内都呈现悬挂式的 因受到地球引力的作用 它自身的重量就形成了对抗性的拉力 所以受到拉应力的影响 其他的软组织的两端或周边都附着在其他的组织结构上 因此也都受到拉应力的影响 压应力和拉应力 细胞对机械应力应答机制 生理条件下 细胞之间相互联系 二维细胞培养因重力的影响导致细胞间联系失常 无法形成立体的组织和器官 三维细胞培养即把细胞悬浮在培养液中 但常用的气泡和搅拌器法 对细胞产生破坏性的应力 旋转培养系统 细胞和组织绕水平轴建立均质的液体悬浮轨道 从而中和了大部分重力效应 处于微重力状态 细胞受到的剪切力很小 试验发现 离体细胞在RCCS中呈现高密度聚集 并形成较大的组织样结构 美国宇航局 NASA 生命中心开发研制旋转式细胞培养系统 rotarycellculturesystem RCCS 1 固定蛋白质2 固定多肽类物质3 固定氨基酸及其衍生物4 固定细胞生长因子 表面粗糙时 可使细胞与材料接触的表面积增加 以促进细胞在材料表面的湿润作用 影响细胞的粘附强度 1 材料的生物可降解性2 合成聚合物3 蛋白质吸附粘附的最适条件与蛋白质在材料表面的吸附能力有关 材料表面物理性质 材料表面化学性质 材料表面几何性质 材料表面生物修饰 细胞与支架材料的粘附 中等湿润度的材料表面粘附性最强 材料表面电荷量影响细胞粘附性 细胞在带正电荷的材料表面上的粘附增加 RGD可被固有粘附蛋白受体特异性结合 在生物材料表面自发形成一分子层 为与受体介导的细胞反应提供位点 促进细胞粘附 伸展 粘附微岛 采用微晶图技术在材料表面制成具有确定尺寸 形状及图案的粘附 三维培养 组织工程的核心 建立由细胞和生物材料构成的三维复合体定义 利用各种方法及材料 使细胞呈空间立体方式生长 更接近于体内生长模式 形成类似体内组织的结构 细胞三维培养能够为体外培养细胞提供与其组织来源相似甚至相同的细胞生长微环境和细胞联系 从而既有利于各类细胞的分化定向诱导 又有利于细胞分化表型的维持和增殖 支架材料的物理线度影响细胞生长速率 材料越厚 生长越慢 支架材料的网孔大小必须适当 以便种子细胞易于跨越网孔而又不至于引起接触抑制 分为静止三维培养和动力性三维培养 用机械或酶消化方法处理组织器官 使细胞在没有明显破损情况下分散为单细胞悬液 进一步分离所需种子细胞 三维培养的一般方法 ForPowerPoint97 2010 种子细胞的制备 将种子细胞接种到三维支架 细胞外基质支架的制备 三维培养 静止性三维细胞培养 方法 把细胞直接种植在三维载体上 体外不施加任何物理方法下进行的培养 由于重力作用 静止培养时细胞多聚集到载体的底部和载体之外 载体内部黏附生长的细胞数量很少 导致载体内部移植细胞数量的不足 培养液很难扩散渗透到载体的中心 氧气 营养物质扩散和代谢物排出受限 影响载体内部细胞的代谢活性 能够排出更多的CO2 维持生理性pH值 为细胞代谢和功能发挥提供更有利的微环境 方法 根据细胞在自然条件下生长受力情况 在培养过程中适当应用物理方法 更多免费PPT资源及互动请访问我爱PowerPoint官方网http iloveppt org 动力性三维细胞培养 不仅为细胞生长提供了适宜的生物性微环境和力学刺激 而且能更好地促进细胞功能的发挥 能够产生有效的 均匀的细胞种植 允许移植最大数量的细胞 能够促进载体中黏附生长细胞的增殖 分泌更多细胞外基质 促进组织再生 能够促进氧气和营养物质向载体内部输送 细胞能够沿着三维载体的孔隙生长 产生具有一定几何形状的组织 培养液流动能够对细胞产生机械应力刺激 调节细胞功能的发挥 模拟微重力环境也可以使细胞克服重力影响更容易贴附在微载体表面 细胞在模拟微重力环境中有一定程度的三维空间自由 有利于细胞一细胞 细胞一基质之间按组织学特性相互接触 有利于细胞的增殖和分化 细胞克服重力影响易于聚集 能获得比在普通重力环境中更高的细胞培养密度 低剪切力 高效物质交换的条件为多种细胞和组织块的生长和代谢提供良好的培养环境 旋转培养系统 RCCS 重力矢量叠加技术 模拟微重力通过持续在三维空间改变重力矢量 使细胞没有足够时间对这种变化作出反应 共轴氧合器提供了充分氧合 高效物质交换能力为高密度细胞培养提供良好的培养环境 3D打印机的喷头不仅仅能在平面上移动 还能够垂直移动 它的打印过程像是将一层层剖面图叠加在一起 最后制造出一个立体的结构 三维生物打印机 三维生物打印机的原型机 技术人员正在试验打印程序 打印机有两个喷头 一个喷涂细胞 黄色 另一个喷涂水溶胶 红色 以支持和固定细胞 待细胞结构稳固后可以将水溶胶移除 打印机的喷头及其作用 器官打印的过程 骨组织工程 支架材料是骨组织工程的核心 支架材料的要求 骨支架材料的分类 无机材料 复合材料 纳米材料 人工合成支架材料 天然骨衍生支架材料 有机材料 天然骨 胶原材料 珊瑚骨 无机材料 钙磷生物陶瓷是目前广泛应用的骨替代材料 主要成分为钙 磷离子 与骨的无机成分相似 它具有良好的生物相容性和骨传导作用 其诱导成骨机制是强烈吸附骨形态发生蛋白 BMP 表皮生长因子 EFG 等骨诱导因子有关 其存在弱点在于其脆性较大 而且单纯HA不易被吸收 因而限制了其在承重部位的应用 Morishita等将骨髓基质干细胞 MSCs 接种于HA支架上 植入骨肿瘤切除后的缺损区6个月后得以修复 Tan等将自体骨髓与HA复合后植入到绵羊腰椎融合间隙 3个月后见植入体新骨形成并与椎体融合 有机材料 以聚乳酸 polylacticacid PLA 聚羟基乙酸 polyglycolicacid PGA PGA PLA共聚物为代表 优点是可降解性 良好的细胞相容性 容易塑形 缺点是降解产物为酸性 对微环境有影响 细胞组织相容性差 机械强度不足 容易引起周围组织非特异性炎症反应和免疫反应 纳米材料 最大的特点为高比表面积和孔隙率 有利于细胞接种 迁移和增殖 在骨组织工程支架材料主要是nHAC 有研究者将nHAC材料负载骨髓基质干细胞修复兔颅骨15mm缺损 实验表明修复区无炎症和排异反应 具有良好的组织相容性 8周时已有较好的新骨组织形成并修复兔的颅骨缺损区 采用提纯并去抗原 型胶原为模板 在钙磷盐溶液中调制矿化而获得纳米级复合材料 研究结果表明该新型仿生骨材料具有良好的生物相容性 能够促进和加快骨愈合 复合型材料 通过一定的方法将几种单一材料复合 综合各种材料优缺点 形成复合型支架材料2006年Link等报道 将磷酸钙骨水泥和PLGA微粒的复合物修复老鼠的颅骨缺损 4周后扫描电镜及组织学观察有新骨生成 8周时PLGA微粒完全降解被新骨取代 Chen等将聚乳酸与聚羟基乙酸的共聚物 PLGA 支架浸入适当浓度的胶原溶液中 在PLGA海绵内的孔壁上形成一薄层胶原海绵 可提高材料的亲水性及细胞黏附性 天然骨 要利用天然骨的无机或有机成分形成的天然网状孔隙系统结构为支架 利于成骨细胞粘附 增殖及发挥成骨作用 并提供宽大的内部空间和表面的微环境 胶原 胶原支架具有良好的生物相容性及适于细胞生长的孔径 易于营养细胞的大分子通过 且移植前可预先塑形 移植过程能保持适当的机械强度 并具有作为细胞生长模板的稳定性 因而可做骨组织工程支架材料 珊瑚骨 主要成分为碳酸钙优点 骨传导作用较好 在高孔隙率状况下仍能保持一定的机械强度 优于大多数人工制备的多孔材料缺点 力学性能较差 降解困难 不易加工 存在问题 支架材料的降解速度与新骨形成速度不协调 支架材料与机体的免疫排斥反应和炎性反应 材料的表面活性差 影响种子细胞的黏附 分布和功能发挥 材料的机械强度与降解速率难以相匹配 材料的生产 存储等没有得到一致公认标准等 组织工程骨的临床运用 1 组织工程骨修复牙槽突裂组织工程骨为牙槽突裂骨移植修复提供了较好的骨替代复合物 消除了患者自身骨来源的诸多缺点 2 组织工程骨与口腔种植 众所周知 口腔种植中最大的问题在于颌骨骨量不足 影响种植手术的适应证 研究发现 将可吸收的聚合物与成骨细胞的复合物植入猪下颌骨的缺损处 采用三维模式观察骨组织的生长情况 发现新生骨组织在猪下颌骨缺损处生长良好 Schimming等将下颌骨骨膜分离的成骨细胞种植到高分子聚合物支架上 体外培养2周后 将成骨细胞聚合物复合体移植到上颌骨骨量不足患者的上颌窦底部 以增加该区域骨质的厚度 术后3个月形成了足够的新生骨组织 18例患者中12例获得了成功 Ueda等在种植体获得初期稳定性的前提下 将凝血酶凝胶 富血小板浆 及自体骨髓MSCs构建的可注射组织工程骨注射到种植体骨外部分周围 术后4 8个月 种植体骨外部分即被钙化样组织充满 牙槽骨高度平均增加5mm X射线片显示 新生的类骨组织与种植体紧密结合 负载6个月后 种植体稳定性依然良好 且没有明显的骨丧失 FilhoCerruti等用同样的材料用于上颌牙槽骨骨量不足的牙种植患者 结果与Ueda等的报道一致 从以上学者的研究中发现组织工程骨在口腔种植中存在光明的前景 在一定程度上可以扩大口腔种植的适应证 提高种植术后患者的使用效果 3 组织工程骨植骨临床应用七年随访结果 摘要 目的总结生物衍生组织工程骨植骨I临床应用的中期效果 方法2000年12月一2001年6月 采用同种异体骨膜来源的成骨细胞1 106 mL与生物衍生骨支架材料构建组织工程骨 经体外培养3 7d后 植入修复lO例骨缺损 男6例 女4例 年龄14 70岁 中位年龄42 其中骨囊性病变2例 陈旧性骨折不愈合l例 新鲜粉碎性骨折伴骨缺损6例 慢性化脓性骨髓炎l例 每例患者植入生物衍生组织工程骨量3 15g 平均7 3g 结果10例患者术后伤口均I期愈合 术后获随访7年 除l例于术后1年发生植骨松动外露取出 以及l例并发创伤后肱骨头坏死取出外 其余植骨均在术后3 0 4 5个月达骨性愈合 x线片检查 除l例患者已行肱骨头切除术外 其余均达到骨愈合 骨皮质连续 重塑良好 患肢功能能满足日常生活及工作需要 结论生物衍生组织工程骨具有良好的成骨能力 临床应用中期效果良好 未见明显排斥反应及并发症 组织工程皮肤应用于各种病理情况 外科创面急性切割伤良恶性肿瘤和胎记等切除术后创面的修复 大疤