生物高分子材料中英文

一、生物材料（生物高分子材料）概述,生物材料定义：狭义：狭义的生物材料是指天然生物材料，也就是由生物过程形成的材料。广义：是指对生物体进行诊断、治疗和置换损坏组织、器官或增进其功能的天然或人造材料。,生物材料科学,（1）研究方向：涉及生物材料的组成结构、性能与制备相互关系和规律的科学。（2）研究目的：在分析天然生物材料微组装、生物功能及形成机理的基础上，发展仿生学高性能工程材料。用于人体组织器官修复与替代的新型医用材料。（3）研究内容：生物过程形成的材料结构、生物矿化原理，材料生物相溶性机理，生物材料自主组装、自我修复的原理。,生物材料分类按材料来源分：（1）金属材料：碱金属及其合金（2）无机生物材料：有惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷（羟基磷灰石陶瓷、可吸收磷酸三钙陶瓷等）。（3）有机生物材料：合成高分子材料：聚氨酯、聚酯、聚乳酸、聚乙醇酸、乳酸乙醇酸共聚物及其他医用合成塑料和橡胶等。天然高分子材料：胶原蛋白、丝蛋白、纤维素、壳聚糖等。,生物医用金属材料,（1）定义：用于生物医学材料的金属或合金，又称外科用金属材料，是一类惰性材料。（2）特性：此类材料具有高机械强度和抗疲劳性能。（3）应用范围：涉及硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面是临床应用最广泛的承力植入材料。（4）种类：医用不锈钢、钴基合金、钛及钛合金、镍钛形状记忆合金、金银等贵重金属、银汞合金、钽、铌等金属和合金。,生物医用金属材料,（1）医用不锈钢：具有一定的耐腐蚀性和良好的综合力学性能加工工艺简便是生物医用金属材料中应用最多，最广的材料，在骨外科和齿科应用较多。常用种类：US304、316、316L、317、317L等。缺点：植入活体后，可能发生点蚀，偶尔也产生应力腐蚀和腐蚀疲劳。（2）医用钛和钛合金：具有良好的力学性能，而且在生理环境下具有良好的生物相容性。比重小，弹性模量较其他金属更接近天然骨，故广泛应用于制造各种能、膝、肘、肩等人造关节。此外，钛合金(TitaniumAlloy)还用于心血管系统。缺点：耐磨性能不理想，且存在咬合现象，限制了其使用范围。,生物医用金属材料,（3）钴基合金(Cobaltbasealloy)：人体内一般保持钝化状态，与不锈钢比较，钴基合金钝化膜更稳定，耐蚀性更好。在所有医用金属材料中，其耐磨性最好，适合于制造体内承载苛刻的长期植入件。在整形外科中，用于制造人工髋关节、膝关节以及接骨板、骨钉、关节扣钉和骨针等。在心脏外科中，用于制造人工心脏瓣膜等。,生物医用有机高分子材料,(1)软组织材料：合成有机高分子材料：聚乙烯膜(Polyethylene)、聚四氟乙烯膜(Polytetrafluoroethylene)、硅橡胶膜和管，可用于制造人工肺、肾、心脏、喉头、气管、胆管、角膜。聚酯纤维可用于制造血管、腹膜(Peritoneum)等。天然有机高分子材料：胶原蛋白、纤维蛋白、甲壳素(Chitin)、壳聚糖(Chitosan)、淀粉、纤维素海藻酸钠衍生物(Cellulosesodiumalginate)等，可用于制造可吸收的缝合线，药物控释载体以及人工皮肤（2）硬组织材料：丙烯酸(Acrylicacid)高分子(即骨水泥)、聚碳酸醋、超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、尼龙、硅橡胶等可用于制造人工骨和人工关节。,生物医用无机材料生物陶瓷,（1）生物陶瓷(Bioceramic)种类：近于惰性的生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷、氧化锆(Zirconia)生物陶瓷、硼硅酸(Boronsilicate)玻璃；表面活性生物陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷、生物活性玻璃陶瓷;可吸收性生物陶瓷，如偏磷酸三钙(Threecalciummetphosphate)生物陶瓷、硫酸钙生物陶瓷。(2)应用：生物活性玻璃陶瓷植入活体后，能够与体液发生化学反应，并在组织表面生成羟基磷灰石层，故可用于人工种植牙根、牙冠、骨充填料和涂层材料。（3）特性：与自然骨比较，生物活性玻璃陶瓷虽然具有较高的强度，但韧性(toughness)较差，弹性模量(modulusofelasticity)过高，易脆断，在生理环境中抗疲劳性能较差，目前还不能直接用于承力较大的人工骨。,生物医用无机材料医用碳素材料,（1）医用碳素材料特性：疲劳性能最优，强度不随循环载荷作用而下降。生理环境中较稳定，近于惰性，具有较好的生物相容性，不会引起凝血(thrombin)和溶血(hematolysis)反应，特别适合于在生理环境中使用。（2）应用：用于心血管系统的修复，如人工心脏瓣膜、人工血管。作为金属和聚合物的涂层材料。,按用途分：（1）手术治疗用高分子材料缝合线，黏胶剂，止血剂(hemostatic)，各种导管，引流管，一次性输血输液器材（2）药用及药物传递用高分子材料靶向性高分子载体（肝靶向性，肿瘤靶向性）高分子控制释放载体（胶囊，水凝胶，脂质体）高分子药物（单克隆抗体，胰岛素，干扰素，抗原或抗体疫苗）（3）人造器官或组织人造皮肤，血管，骨，关节，肠道，心脏，肾等。,按降解性能分：（1）可生物降解材料：指聚合物在生物体内酶、酸碱性环境下或微生物存在的情况下可以发生分子量下降、生成水和二氧化碳等对生物体或环境无毒害的小分子化合物的性能。根据降解产物能否被机体代谢和吸收，降解型生物材料又可分为生物可吸收性和生物不可吸收性。（2）不可生物降解材料（生物惰性材料）：一种生物材料在特殊应用中和宿主反应起作用的能力，要求植入材料和机体间的相互作用能够永久地被协调。在生物环境下自身不发生有害的物理（渗透、溶解或吸附）或者化学反应（对酸碱酶稳定）。,按与血液和机体细胞相互作用分：,（1）血液相容性材料：如人工瓣膜、人工气管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等。（2）软组织相容性材料：如隐形眼睛片的高分子材料，人工晶状体、聚硅氧烷(polyorganosiloxane)、聚氨基酸等，用于人工皮肤、人工气管、人工食道、人工输尿管(ureter)、软组织修补等领域(3)硬组织相容性材料：如医用金属、聚乙烯、生物陶瓷等，关节、牙齿、其它骨骼等,生物材料的生物相容性宿主反应,生物学反应,血液反应,1、血小板血栓2、凝血系统激活3、纤溶系统激活4、溶血反应5、白细胞反应6、细胞因子反应7、蛋白粘附,免疫反应,1、补体激活2、体液免疫反应3、细胞免疫反应,组织反应,1、炎症反应2、细胞粘附3、细胞增殖4、细胞质的转变,生物材料的生物相容性材料反应,什么是材料反应？生物机体作用于生物材料，其结果可导致材料结构破坏和性质改变而丧失其功能。可分为金属腐蚀、聚合物降解和磨损。金属腐蚀：（1）生物体内的腐蚀性环境：含盐的溶液是极好的电解质，促进了电化学腐蚀和水解；组织中存在具有催化或迅速破坏外来成分能力的多种分子和细胞。（2）金属腐蚀特点：局部腐蚀，包括应力腐蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳以及缝隙腐蚀等，导致生物材料整体破坏。（3）副作用：虽然金属材料在生物体内保持惰性状态，但仍然可能会有物质溶入生物组织中，并对生物体组织产生毒性反应，造成组织的损害。如不锈钢中溶出的Cr+6生物组织的毒性。,生物材料的生物相容性材料反应,聚合物降解：（1）定义：聚合物在长期使用过程中，由于受到氧、热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱及微生物等因素作用，逐渐失去弹性，出现裂纹，变硬、变脆或变软、发粘、变色等，从而使它的物理机械性能越来越差的现象。（2）危害：聚合物降解易形成碎片、颗粒、小分子量单体物质，对周围组织产生毒害作用。例如，医用缝合线降解时会产生酸性物质，如果量少，很容易被人体中的化学物质中和，如果老化产物较大，则会对周围组织产生损害。聚合物老化会使生物材料强度降低，机械性能变差。,生物材料的生物相容性材料反应,磨损：主要针对耐久性器件如人工关节（1）造成磨损的原因：人工关节常用材料为Ti6Al4V，由于表面易氧化生成TiO2，其耐磨性差。钛合金人工全髋关节平均寿命一般都低于10年。（2）危害：植入人体后，磨损造成在关节周围组织形成黑褐色稠物，从而引起疼痛。（3）新材料：目前，人工髋关节是由坚硬的金属或陶瓷的股骨头与超高分子聚乙烯的髋臼杯组合成，然而它的寿命也不超过25年。主要原因：是超高分子聚乙烯磨损颗粒所造成的界面骨溶解，从而导致假体松动。危害：这种磨损颗粒所导致的异物巨细胞反应，又称颗粒病，是晚期失败的最主要原因。,生物材料对人体的影响局部组织反应,（1）排异反应：产生原因：生物材料植人体内后，可在植人物周围发生不同程度的炎症反应。这是机体对异物进行酶解和消化的结果。产生的副产物：大多数医学生物材料比较稳定，不会被很快代谢掉。这时胶原纤维会包围在植入物周围形成被膜，或称为纤维包囊，将正常组织与植入物隔离开。对机体的影响：纤维囊增厚，从而影响局部血液供应，并为机体代谢产物和材料变性产物提供蓄积场所;纤维囊钙化或变硬，引起机械性能不相配而产生疼痛;局部持续性感染，由于纤维囊血运较差，缺乏足够的免疫细胞，坏死细胞清除较慢，使感染持续存在或加重。,（2）钙化：形成原因：引起钙化有材料本身的原因，也有机体的原因，如材料的表面性质、死亡细胞的沉积、局部营养不良、体内钙磷含量、机械运动等因素，都是产生或加速钙化的原因。危害：生物材料表面形成钙化经常导致材料丧失功能。对机体的影响：对于软组织和心血管植入材料，应尽可能避免或减少钙化的发生。而植入物刺激的钙化对骨性组织的修复是有利的，如陶瓷以及复合材料制备的表面活性植入物，通过钙化与组织结合，可防止界面活动。,生物材料对人体的影响局部组织反应,（3）感染：是植入材料最常见的并发症。原因：材料的污染植入材料本身具有很强的加重组织感染的易感性，植入材料通过限制巨噬细胞的迁移，阻断抗感染的生理过程;某些植入物的表机或其释放出的可溶性成分，可干扰巨噬细胞的杀菌机制等。预防：生物医学材料应在不影响其性能的情况下，采用适当方法严格灭菌。其植入手术应加强无菌操作。避免因感染导致的植入失败。,生物材料对人体的影响局部组织反应,生物材料对人体的影响局部组织反应,（4）血液反应：主要是血栓形成，见于植入循环系统与血液密切接触的生物医学材料。预防：与血液接触的植入材料都必须有优良的抗凝血性能。（5）肿瘤：生物材料致癌性原因：植入材料在生物老化过程中释放致癌物质植入材料被致癌物质污染纤维包膜增厚，导致局部组织代谢障碍，代谢产物长期积蓄，细胞发生突变的可能性增加植入物的表面形状、粉末状或海绵状的材料几乎不会发生恶性肿瘤，纤维状的材料也很少发生，只有表面光滑的材料才容易发生。预防：避免使用可能产生刺激性、乃至有毒可溶物质的材料，尽可能使用表面粗糙的材料，植入时尽量减少材料与组织的间隙等。,生物材料对人体的影响免疫反应,有些生物材料植入后可导致全身性的免疫反应，包括体液免疫和细胞免疫反应。原因：免疫反应的发生与补体的激活密切相关。高分子材料可通过补体系统经典途径的激活，涤纶人工血管材料植入后可通过经典途径和旁路途径激活补体。易引起免疫反应的生物材料：常见于应用接触血液的生物医学材料，如人工透析使用的透析膜等。对机体的影响：在临床上可表现为过敏反应，容易感染，恶性肿瘤发生率高，软组织钙化或纤维化，特别是肺纤维化、钙化及动脉硬化等。,生物材料的特性（要求十分严格）,（1）生物的功能性：因生物材料的各种功能而异，如作为缓释药物时，药物的缓释性能就是其生物功能性。（2）生物相容性：可概括为材料和活体之间的相互关系，主要包括血液相容性和组织相容性（无毒性、无致癌性、无热原反应、无免疫排斥反应等）。（3）化学稳定性：耐生物老化性（特别稳定），或和生物降解性（可控降解）（4）可加工性：能够成型，消毒（紫外灭菌、高压煮沸、环氧乙烷气体消毒、酒精消毒）,二、天然可降解生物材料,（1）蛋白类：胶原蛋白、纤维蛋白（2）多糖类：透明质酸、甲壳素、壳聚糖、淀粉、纤维素海藻酸钠衍生物（3）主要应用领域：人工皮肤医学美容可吸收缝线药物控释载体,胶原蛋白（Collagen),基本概念：又称为又称骨胶原，或胶原質，是人体的一种非常重要的蛋白，是组成各种细胞外间质的聚合物，为人体组织细胞外基质的主要成分，在动物细胞中扮演结合组织的角色，同时也是动物结缔组织最主要的构造性蛋白质。胶原蛋白是人体组织中最基本的蛋白质类物质，主要以不溶性纤维蛋白的形式存在于人体组织中，约占人体总蛋白的33，能保护並连结各种组织支撑起人体的结构。依着组织的不同而有不同的胶原蛋白，其中以第一型型原蛋白的含量最多，约占全部胶原蛋白含量的90，也是用途最广的胶原蛋白。,各种胶原蛋白分子的组成及其在组织中的分布,胶原蛋白结构分子结构,最基本的胶原结构为由三条分子量大约为1105的肽链组成的三股螺旋绳状结构，直径为11.5nm，长约300nm，由三条肽链组成。每条肽链由（Gly-Pro-HPr)n三联序列交替组成每条肽链均是每条肽链都具有左旋螺旋二级结构。不是真正意义的螺旋(螺距0.94nm、3.3个氨基酸残基）呈现(Gly-Xxx-Yyy)n周期结构大约共1000个氨基酸组成三条左旋的链相互缠绕构成了原胶原的右手复合螺旋，即胶原的螺旋构象,胶原蛋白结构空间结构,在空间结构上，胶原蛋白显示出特殊的三股螺旋缠绕的结构，三条相互独立的胶原蛋白肽链依靠甘氨酸之間形成的氢键维系三股螺旋相互缠绕的结构。胶原蛋白肽链的三股螺旋结构不同於普通的螺旋结构，因此胶原蛋白的三股螺旋显得细而长，螺旋中间的空间很小，仅能容納一個氢原子，只有甘氨酸能够胜任这个位置。,胶原分子的两端存在两个小的短链肽，称为端肽，不参与三股螺旋绳状结构。端肽是免疫原性识别点，可通过酶解将其除去。除去端肽的胶原称为不全胶原，可用作生物医学材料。,胶原蛋白空间结构的形成,胶原蛋白生物材料特点,胶原蛋白具有非抗原性，生物降解性，生物兼容性，生物吸收性，不具毒性，与生物活性物质协同作用，止血，可转化成不同形式，生物降解的可调性等优异的特性。（1）机械性质特别：具有方向性的胶原蛋白纤维抗拉强度可高达510公斤/平方毫米（kg/mm2），因此提供结缔组织所需的张力、拉力強度等。（2）生化性质：控制分子通透、促进伤口愈合与组织修复调控细胞与组织的生理功能。,胶原蛋白的功能,当作细胞与细胞间的连接剂，让细胞能固定在身体组织上提供皮肤保护与支持的功能，使其有弹性与光泽让骨骼坚硬具有弹性提供保护內脏的功能，強固毛发帮助伤口癒合与组织复原，修复皮肤疤痕保持真皮层內的水分供应表皮层及表皮附属器官的营养。,胶原蛋白与人体组织器官的关系,骨骼：骨骼中的胶原蛋白是抓住钙质的主要成分，且能使骨骼呈现不易折段并具弹性特质。关节：胶原蛋白可促使关节表面细胞、组织的再生能力，所以可以减缓关节疼痛。皮肤：是皮肤的主要成分，皮肤中胶原蛋白占72%，真皮中胶原蛋白占80%，它是一种高分子蛋白质，在皮肤中构成了一张细密的弹力网，能锁住水分，使皮肤保持结实而有弹性。它的角色就像撑起皮肤组织的钢筋架构，能让皮肤看起來丰润。消化器官：胶原蛋白不但有治疗消化器官溃疡功能，还有抑制消化器官溃疡的作用。血压：胶原蛋白可抑制血压上升,胶原蛋白生物材料的医学应用,医用胶原蛋白的制备来源：,牛和猪的肌腱、生皮、骨骼是生产胶原的主要原料。家禽鸡、鸭、鹅深海鱼鳕鱼、豆腐鱼海藻人工合成,医用胶原蛋白的制备：,方法：化学分解法、酶解法和转基因技术医用胶原制备的主要目的是除去组织中的非胶原成分和抗原物质，获得高纯度的胶原肽、胶原纤维或胶原组织。胶原在应用时必须交联，以控制其物理性质和生物可吸收性。同时也必须考虑所用交联方法的强度、稳定性、毒性、趋钙化以及抗酶降解性能等。,胶原蛋白的制备过程酶解法,胶原蛋白的医学应用止血剂,胶原蛋白作为伤口的敷料，可使血液凝固，具有止血功能。优点：1.止血迅速，大约20秒就可将血止住。2.伤口较清洁，减缓细菌感染现象。3.减少伤口流脓，增加肉芽组织的形成，促进组织再生，防止再次出血。4.愈合的伤口不会产生收缩，协助压力褥疮的愈合，不致产生免疫反应。主要产品：止血海绵和止血粉末,医用胶原蛋白止血原理,胶原蛋白的医学应用整形美容,胶原蛋白对肌肤功能的影响：1.胶原蛋白具強大保湿效果，可強化肌肤锁水功能，是皮肤结缔组织保湿的重要功臣。2.胶原蛋白占细胞中蛋白質成分的三分之一，主控肌肤健康的所有大权，主控肌肤弹性的真皮层组织，主要是由胶原纤维及弹力纤维等所组合而成。3.胶原蛋白多寡影响肌肤的弹性与光泽。4.胶原蛋白可有效修复受损肌肤如痤疮及皱纹。5.胶原蛋白使肌肤趋于中性，其保水性及紧实性交互作用下，改善分泌状态，使油性肌肤毛孔收缩，干性肌肤保有水分，让肌肤趋向紧实细致的中性肌肤。,胶原蛋白的医学应用整形美容,胶原蛋白的医学应用整形美容,皮肤表面纹理细致整齐，表皮细胞健康。真皮层内的胶原蛋白及弹力蛋白亦充满弹性，没有半点松弛、皱纹等迹象。,表皮干燥，真皮失去弹力。脸上的表情纹、干纹演变成细纹，甚至深刻的皱纹。这在眼部、嘴角、眉头等尤为明显。,胶原蛋白的医学应用整形美容,超過25岁，胶原蛋白流失速度高于生成速度，皮肤就开始出現衰老的迹象,胶原蛋白的医学应用整形美容,胶原蛋白的医学应用整形美容,胶原蛋白的医学应用整形美容,主要产品：注射性胶原蛋白（InjectableCollagen)应用范围：1）用于表皮皮层的细纹修补，如鱼尾纹、唇纹等。产品如Zyderm1CollagenImplant。2）用于表皮皮肤的深纹修补，如笑纹、额头纹。产品如Zyderm2CollagenImplant。3）用于脸部器官的整形、造形，如鼻头修整、造形、唇形美化、人中雕塑、耳垂加大、眉间皱纹折补平、凹洞填补等。产品如ZyplastCollagenImplant。,人工皮肤,皮肤的构造,皮肤损伤类型,割伤、刺伤、擦伤、太阳灼伤、皮肤病、感染等,皮肤损伤类型大面积伤害,烧烫伤：一度（级）烧伤：表皮烧伤二度（级）烧伤：浅层真皮烧伤或深层真皮烧伤三度（级）烧伤：皮下烧伤（或组织坏死）,皮肤组织愈合机制,1）止血发炎期：受伤后，由于血管内皮受到伤害而诱发凝血机制。此时，巨噬细胞释放生长因子，以促进新血管和胶原蛋白的形成以及维组织母细胞及表皮细胞之增生及修补。胶原纤维的增厚，造成排列不规则，或呈波浪形，或缠绕成绳索状。2）纤维增生期：伤口处会有大量的皮肤修复细胞聚集，胶原蛋白的含量不断增加，胶原蛋白的合成超过分解的代谢速度，形成大量胶原纤维。,皮肤组织愈合机制,3）收缩合成期：伤口的纤维母細胞，受到生长因子的影响，转型为肌纤维母细胞，产生大量促进伤口收缩的a-actin蛋白。受伤约十天后，胶原蛋白纤维大量合成并沉积在伤口处。4）伤口重建期：胶原纤维由散乱的排列，逐渐改为整齐的排列且张力強度逐渐增加，使原先较硬的疤痕组织，会逐渐转变成成熟柔软的胶原纤维。,烧烫伤的治疗,一度烧烫伤：自我修复表皮比较容易再生，2天后疼痛消失，510天脱表皮屑。二度烧烫伤：需引进人工皮肤第二度烧烫伤及全部表皮及大半真皮，伤口口需要有一敷料（人工皮肤）覆盖。三度烧烫伤：植皮手术由于皮肤真皮成分相当稀少，易造成伤口疤痕收缩及畸形，因此，要先用足够2星期分解的生物降解材料（常用海面状胶原蛋白）填补真皮层缺口，从接触处真皮的纤维细胞及微血管进入空洞中，以此为基质再生，并分解海绵胶原蛋白而产生胶原蛋白真皮层，促进血管再生，以供养分。,1）无毒、免疫型低2）柔软又具湿润强度，贴合性好，具伸缩性3）适当保水性，防止因角质层过分蒸发流失水分4）有吸水性可吸渗出液，防止感染5）阻止外部细菌入侵6）有生体适合性7）细菌不透过性8）不产生有毒物9）取掉后可不用自家植皮，残留体内也没问题，可分解吸收10）促进形成表皮和肉芽11）可植毛12）可形成汗腺、脂腺,人工皮肤应具备的条件,国际市场上的人工皮肤,国际市场上的人工皮肤,胶原蛋白的医学应用人工皮肤,国际市场上的人工皮肤的发展,1）第一类产品：含有皮肤上皮层的相似物优点：可以永久覆盖，不产生排斥缺点：花费时间长、培养出的细胞脆弱、成本昂贵2）第二类产品：含有真皮层的成分及胶原蛋白的间质适用于二、三级的烫伤3）第三类产品：同时包含上皮和真皮层细胞的组成物质真皮取代层：包含多孔性胶原蛋白纤维及软骨素，此二成分会在一个月内自行分解，慢慢让细胞在其中生长上皮替代物：在最外层以硅胶材质为膜,胶原蛋白的医学应用人工皮肤,胶原基移植物用于传送培养好的皮肤细胞进行皮肤替代和烧伤治疗优势：免疫反应性低，胶原蛋白网络结构非常有利于皮肤细胞的生长，可培养皮肤替代物。促进伤口修复，活化血小板和凝血因子。刺激伤口周围的细胞再生。提供组织生长的骨架，收缩的胶原网络可支持上皮细胞的生长和增殖，以替换病理性皮肤。具有良好的机械强度和生物相容度。成功应用：烧烫伤病人和糖尿病人术后伤口参考文献：BoyceST,Med.Bio.Eng.Comput.,1998,36:791-800,胶原蛋白的医学应用人工皮肤的设计,1980年哈佛大学的二位教授Yannas及Burke发展二层结构的皮肤结构，上层由硅胶組成，似人体的上皮；下层由多孔状类真皮结构，主要成分为小牛的胶原蛋白及鲨鱼的软骨素交联形成。由MarionMerellDow公司生产，正式商品名Integra，1996年经美国药物食品管理局(FDA)正式核准並可运用于大面积烧伤伤口在切除后之手术覆盖。为小牛胶原蛋白及鯊鱼软骨二者交联沉淀而成，其重要设计在下层类真皮部分，有小洞形成，其大小在20-125mm，适合患者本身血管內皮细胞及纤维母细胞进入，进而有良好的血管供应及能形成患者本身的新真皮，取代原有人工皮。而其上皮是硅胶层，可轻易撕去，留下新上皮，再用取皮机在病患身上取相当薄的皮肤(0.002-0.004英寸)作为新上皮的覆盖：在取皮区，在4至6天愈合，比起一般0.013英吋的取皮区可快上一倍，且留下瘢痕的比例降低。,胶原蛋白的医学应用人工皮肤,人工皮肤未来发展方向,1）终极目的：让伤口能得到最快速及永久的覆盖与癒合在外观及功能上与未受伤的皮肤一模一样，可完全取代受损的皮肤。2）现今市场的主流方向：以胶原蛋白为主体的皮肤替代物，已成为架构完美人工皮肤的主流。3）尚待解决的问题：不同组织型态的胶原蛋白的排列不同,人工血管,人工血管简介,定义：采用现代高分子合成技术、组织生物工程技术人以及生物材料制备技术人工制造的适用于全身各处的血管代用品。分类：生物组织型高分子合成型混合型组织工程型研究方向：改良人工血管的特性，包括人工血管的顺应性、材料与表面改质等。,1）生物相容性，包括组织相容性和血液相容性组织相容性：是指在材料与邻近组织之反应，材料本身不可释放有毒物质，引起周围组织病变，减少发炎及免疫反应的發生。血液相容性：,人工血管材料的要求,（1）不可有严重的凝血或溶血反应（2）不会对红血球、白血球、血小板造成破坏（3）不会改变血浆中的蛋白质（4）不会破坏酵素。（5）人工血管植入体內后，不能有降解的情形。,2）高机械性3）可灭菌,生物组织型人工血管,自体移植血管：从病人身上取下的血管，是一类不会遭受免疫系统攻击的血管。优点：是小直径人工血管临床实验中表现最好的。缺点：是来源有限。同种移植血管：从过世的人身上取下，经抗生素消毒后低溫保存。缺点：其免疫反应比自体移植的血管強，且来源有限，有感染疾病的风险。异种移植血管:从动物身上取下，取下的血管经化学处理以减少其抗原能力。缺点：经植入后容易发生血栓、血管纠结及动脉瘤。,高分子合成型人工血管,利用合成的方法得到高分子量的材料，此类材料通常具有好的机械性质，将高分子材料经机器编织加工技术制成人工血管。目前用机器编织的人工血管有两种，一种是平织，又称机织；另一种是针织，又称线圈编织。平织者内径最小为8mm，针织者内径为3mm，再小就比较困难了，但针织人工血管目前在国内尚未能正式生产。目前普遍采用人工血管的高分子材料为涤纶及聚四氟乙烯，大多数使用的是针织人工血管。1960年以后，国际市场上出售无缝带有皱纹加工的人工血管，最受欢迎的是DeBakey的涤纶针织人工血管及Edwards的聚四氟乙烯人工血管。,高分子材料人工血管的制备,针织：,是用纤维作线圈式编织，伸展性较差，多孔性大，质地柔软，其断端不易松散、缝合容易。,机织：,因纤维上下左右穿梭编织及经纬线编织，织物纤维紧密，具有丰富的伸展性，多孔性细致而小，但其断端容易松散，呈毛刷壮，质地坚硬、缝合困难。,目前市场常用的人工血管高分子材料,达克龙（涤纶，Darclon，PET）优点：良好的机械性，适合用于血压高的主动脉和大口径动脉缺点：血液相容性不佳，不适合作小直径的人工血管聚四氟乙烯（Teflon，ePTFE）优点：血液相容性佳，且孔径较小，不需作预凝血、平滑容易缝合。缺点：沒有纵向弹性及血管壁易生成假性动脉瘤，且植覆內皮細胞亦有困难。聚氨基甲酸酯（PU，polyurethane)优点：具良好的血液及生物相容性，可经由分子结构设计调整其物性及化性，以满足特定的需求。优秀的机械性质使得控制孔隙度，以及调整达到与天然血管顺应性的匹配成为可能。缺点：暂无,生物混合型人工血管,定义：在高分子材料表面壁镀上一层生物性材料以提高高分子人工血管的生物相容性。生物性材料分类：白蛋白它不含有引起细胞黏附的缩氨酸序列，它不参与血液凝结及血小板黏附等过程，因此白蛋白含量高的表面抗凝血性能好。纤维连接蛋白它是双链结构的大分子，有助于多种细胞尤其是成纤维细胞的相互黏附，从而抑制凝血的发生。胶原蛋白明胶,组织工程型人工血管,定义：利用组织工程的方法，制造类似天然血管的取代物。分类：内皮移植型在生物体内取得天然血管，并使其内皮细胞分离，在体外培养一段时间，然后植覆在合成型人工血管或混合型人工血管内壁。细胞与支架生物相容组织工程型使用具有生物相容性（降解）的材料制成血管状支架，在其内壁植入平滑肌细胞培养四周以上，使其产生基质以取代降解的支架或填满支架间的空隙，成形之后在血管内表面植上内皮细胞，形成类似天然血管的两层结构人工血管。细胞组织工程型是先将平滑肌细胞与皮肤纤维母细胞取下环绕在圆柱上，使其成为圆柱，再培养一段时间取下，最后在其管内表面植覆内皮细胞.,4）顺应性：在血液动力学方面，顺应性的不匹配会造成血液流动时阻抗增加，因而降低末稍灌流，而形成乱流。这些会造成血拴及接合处肌肉內膜增生，进而造成移植血管的失败，尤其是在一些小直径的血管移植。5）开放性孔洞结构：具有开放性孔洞结构的血管替代物，可以快速增进组织向內生长，进而引导细胞內皮化，同时可藉由不同微孔结构来调整机械性质以达到与宿主的动脉血管顺应性的匹配。,人工血管材料的要求,目前人工血管的临床应用,1）动脉疾病：,用替代或者架桥（血管旁路手术）的方式来恢复血液的通路从而来治疗胸主动脉、腹主动脉等血管段。,2)静脉疾病：可以替代或者架桥（血管旁路手术）的方式治疗静脉疾病。,3）动静脉瘘：可以运用在慢性肾病的血液透析过程中，在四肢部分连接自身动脉和静脉，形成一条可反复穿刺的血液透析通路。,胶原蛋白人工血管,能有效促进纤维细胞的迁移，防止凝血发生。较高的水渗透率和水吸收性，可显著提高人工血管的顺应性。促进内膜形成。,明胶是胶原蛋白加热降解产物促进细胞黏附和生长植入后能诱导内膜形成防止凝血,生物混合型人工血管：,胶原蛋白人工血管,胶原蛋白人工心血管的制备：利用I型胶原蛋白的网络结构，制成三维胶原支架，在体外将细胞置于此三维支架内，制成临时的细胞外间质支架，再整合到宿主组织上。优势：三维胶原支架可在体内降解具有利于细胞吸附的大比表面积，促进内膜形成，防止血凝，便于血管化过程，因此，可用作人造血管和心脏瓣膜。参考文献：KempPD.MethodinMolecularBiology,2000,139:287-293,人工血管展望,大直径(6mm)的人工血管已基本能取代病变的动脉血管小直径(ICHguidelinesQ5A,Q5BandQ5DCBER/FDA,PointstoConsiderintheCharacterizationofCellLinesUsedtoProduceBiologicalsCBER/FDA,PointstoConsiderintheManufactureandTestingofMonoclonalAntibodyProductsforHumanUseEuropeanPharmacopoeia(EP),USPharmacopoeia(USP)andJapanesePharmacopoeia(JP),IdentitytestingToconfirmtheidentityofspeciesofthecelllineTodetectpossiblecontaminationbycellsofotherspeciesIsoenzymeanalysisorDNAfingerprintingPuritytestingSterilitytestingTestforthepresenceofbacterialandfungalcontaminantsMycoplasmatestingAdventitiousvirusesIndicatorcelllines,cytopathiceffects,hemadsorptionandhemaglutinationRetrovirustests,CharacterizationandSafetyTestingofCellBank,StemCellCryopreservation,CryobankingofhumanadultandEScellsisnotfinallyestablished:Optimalfullychemicallydefinedgrowthmedium,serumfreeAnyanimalderivedcomponentscanbeavoid.Pro-survivalandanti-apoptoticfactors.Humanfeeders,extracellularmatrix(Matrigel,laminin,vitronectin,collagen,fibronectin,etc)Propercellenvironment:optimalcelldensity,mechanicalforces,surfacerigidity,electricalstimulation,oxygentension.ChallengesinstemcellscyobankingDMSOtoxicitySignificantcelldeathleadingtolowcellrecoveryafterthawNon-desiredspontaneouscelldiiferentiationQualitycontrol,MethodsinStemCellCryopreservation,SlowcoolingfreezingdevicesComputercontrolledfreezingdevices(almostanycoolingprofilecanbeachieved)VitrificationCryopreservationonsurfaceEncapsulationinhydrogelStorageinliquidphaseinliquidN2(notrecommended)StorageingasphaseinliquidN2(presentstandard),GeneralProcessforStemCellCryopreservation,HarvestingofdonorcellsorculturedcellsAdditionofcryo-preservativesTheactualfreezingprocedureAssessmentoftheviabilityofthefrozenunitafterabout72hThethawingprocedureThewashingandconditioningofthedonorunitpriortotransplant,CryopreservationofStemCells,GeneralConditionsforStemCellCryopreservation,Temperature:-196,-156,or-80CFreezingRate:ControlledratefreezingArateof1-2C/mintillabout-40CArateof3-5C/mintillabout-120CDurability:remaintobeevaluatedCellConcentration:forreinfusionofcryopreservedcells200106cell/mlisachievableforpracticalpurposeCryopreservatives:DMSO:clinicallysignificantsideeffectprofileCombinationofDMSOandhydroxyethylstarch(HES)Propyleneglycol(PE),acombinationofalphatocopherol,catalase,andascorbicacid,glucosedimertrehalose,Thawing:37C,reducingDMSOcontentWashingprocedure:twostepdilution2.5%HSAand5%dextran40Centrifugeat10Cfor10minRemovethesupernatant,addHSAanddextransolutionagaintwicetoafinalDMSOconcentrationlessthan1.7%ThewashedsolutionisinfusedassoonaspossibleContainerforStorage:EVAbasedandnon-EVAbasedproductsInfectiousconsiderationProcessingincleanareaandscrupulousmicrobiologicmonitoringofallstagesofSCpreservationprocedureDetectionofmicrobiologiccontaminationpriortoinfutionScreeningdonorsevenintheautologoussetting,GeneralConditionsforStemCellCryopreservation,VitrificationofStemCells,Vitrification(fromLatinvitreum,glassviaFrenchvitrifier)isthetransformationofasubstanceintoaglass.,Glassisanamorphous(non-crystalline)solidmaterial.Glassesaretypicallybrittleandopticallytransparent.,VitrificationworksontheprincipleofglassinductioninsteadofIcecrystalformation.Vitrificationissimple,quickandinexpensive.,Definition:,Advantages:,ProcedureforVitrificationofhESC,1.WashoffPBSTransfercolonyfragmentsofhEStoW1,keptfor20-30min.2.Loading/unloadingLoadedwithacolumnofVS2Aspirateacolumnof5mmair.3.TransferhESfragmentsfromW1toW2(VS1)andleftfor1min.4.Drop20lofVS2intothecenterof35-mmPeridish.5.QuicklytransferhESclumpstoW3(VS2)for5seconds.6.RemovetheclumpsfromW3andtransferredto20lofdropsofVS2inthe35-mmdishandloaded.7.FollowedbyanaircolumnandthenacolumnofWS18.StoreinLLN2orVLN2,ProcedureforVitrificationofhESC,SolutionPreparation,Holdingmedium:ES-HEPES-HAS80%DMEM(high-glucoseDMEM)+20%HSAbufferedto20mMHEPESHoldingmediumwithsucrose:ES-HEPES-HAS-sucrose1MsucrosesolutioninES-HEPES-HASVitrificationsolution1(VS1):80%ES-HEPES-HAS+10%DMSO+10%EG(EthyleneGlycol)Vitrificationsolution2(VS2):30%ES-HEPES-HAS+30%ES-HEPES-HAS-sucrose+20%DMSO+20%EGWarmingsolution1(WS1):80%ES-HEPES-HAS+20%ES-HEPES-HAS-sucroseWarmingsolution2(WS2):90%ES-HEPES-HAS+10%ES-HEPES-HAS-sucrose,DeviceforVitrification,ProcedureforWarming,1.RemovethestrawsfromLLN2orVLN2,andplungeinawaterbeakeratRT.2.Afterthawing,cutoffthesealedendofthestrawsandexpelledtheentirecontentsofthestrawsintoWS1for1minatRT.3.TransferthehESfragmentsintoWS2for5minatRT4.TransferthehESclumpsintoW3forwashingfor5min.5.Repeatstep4inW4.6.TransferthehEScolonyfragmentstoanewfeederdishforgrowth.,EvaluationofPost-ThawhESCGrowth,Differentiation:Real-TimeRT-PCRAnalysis,PluripotencyMarkers:OCT4,SOX2andREX1Earlymarkersofdifferentiation:AFP,NDandBMP4,EvaluationofPost-ThawhESCGrowth,ColonyEvaluation,GradeA:80%GradeB:5080%GradeC:50%GradeD:deadorlysated,OnlyGradeAandBareusedforserialpassages.,EvaluationofPost-ThawhESCGrowth,CharacterizationofhESCsurfacemarkers:Tra-1-60,Tra-1-81,SSEA-4andstrongalkalinephosphataseactivity,A:Tra-1-60wholecolony;B:Tra-1-60highmagnification;C:Tra-1-81wholecolony;D:Tra-1-81highmagnification;E:SSEA4wholecolony;F:SSEA4highmagnification;G:Alkalinephosphataseactivitywholecolony,LimitationsoftheVitrificationProtocols,Theprotocolsrequireextremelyhighrateofcooling(-1500C/min),andrapidwarming.Cryopreservationcontainers(cryostraws)thatposseshighsurfacearea-to-volumeratiohavelowvolumetriccapacity(20003000cells/straw).PickingandloadingofhESclumpscanonlybeachievedwiththeaidofstereomicroscopebytheoperatorwithgoodhand-to-eyecoordinationaswellassomepriortraining.Theuseofcryostrawswouldmakeautomationforbulkvitrificationandpost-thawingofhESCextremelychanllenging.,NewBulkVitrificationMethod,FabricationoftheVitrificationCryovial,BulkVitrificationProceduresofhESC,CulturePlateforCryopreservation,ProsandCons,Pros:Completelyeliminatecellularstressarisingfromenzymatic/mechanicaldissociationofhEScolonies.Highsurface-area-to-volumeratioc