骨组织工程支架材料

1、骨组织工程支架材料是指能够与组织的活细胞结合，植入生物体不同组织，并根据具体情况替代组织功能的材料。为了使种子细胞增殖和分化，有必要提供一种由生物材料构成的细胞支架，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。由于外伤、肿瘤或骨病引起的骨缺损、骨不连和骨髓炎的患者越来越多，越来越多的患者需要骨移植材料。此外，牙列缺损后引起的外伤、肿瘤、炎症、先天性畸形等。无牙区的牙槽骨经常伴随过度吸收，导致种植区骨量不足。临床医生应选择合适的骨替代物来重建牙槽骨缺损。骨组织工程为骨缺损的治疗提供了一种新的替代方法。骨组织工程支架材料是构建组织工程骨的

2、主要组成部分。在体内，组织基质作为细胞的三维支架，为细胞提供独特的组织微结构和微环境，并储存足够的水、营养物质、细胞因子和生长因子，以维持细胞的存活和发挥其功能。1。应用背景、1)种子细胞、2)信号因子、3)支架材料、骨组织工程的三要素、骨组织工程的实施过程、种子细胞、支架材料、新骨、支架材料的降解、骨缺损修复的完成、生物相容性和表面活性、骨传导性和骨1)生物相容性和表面活性有利于细胞粘附、无毒、无致畸、不引起炎症反应，为细胞生长提供良好的微环境，并可在人体内安全使用。2)具有良好骨传导性和骨诱导性的材料能够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具有诱导骨髓间充质干细胞

3、分化为成骨细胞并促进其增殖的潜力。3)降解性在组织形成过程中逐渐分解，其速度与组织细胞的生长速度一致，降解时间应可控。2。性能要求，4)合适的孔径和孔隙率理想支架材料的孔径应与正常骨相似(人体骨单位的平均尺寸约为223米)。在保持一定形状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尽可能的高，并且在孔隙之间要有连通的孔隙，这有利于细胞的粘附和生长，促进新骨向材料中的生长，促进营养物质的运输和代谢物的排出。5)机械强度和塑性材料可加工成所需形状，植入体内一定时间后仍能保持形状。1)人工合成材料，2)天然衍生材料，3)复合支架材料，3)人工合成材料和无机材料：骨组织工程中使用的无机材料包

4、括生物陶瓷(氧化铝陶瓷、羟基磷灰石和磷酸三钙)、多孔金属(不锈钢、钴基合金和记忆合金)、钛和钛合金以及磷酸钙骨水泥。有机材料：聚丁酸、聚磷腈、聚酸酐、聚乙二醇、聚氨酯、聚乳酸、聚乙醇酸及其共聚物，其中聚乳酸、聚乙醇酸和聚乳酸-聚乙醇酸共聚物研究最广泛。纳米材料：纳米材料是在原子水平上制备的支架材料，具有高比表面积和多孔性，有利于细胞接种、迁移和增殖。纳米纤维材料的仿生微环境可以影响细胞与基质的相互作用，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临床应用的挑战。2)天然衍生材料，天然骨：天然骨来自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蛋白、纤维蛋白、甲壳

5、素、海藻酸盐和壳聚糖。天然无机材料：珊瑚材料具有多孔性、高孔隙率、良好的生物降解性、一定的机械强度和可塑性，来源丰富。但缺点是降解速度慢，限制了其在骨组织工程中的应用。珊瑚骨(海珊瑚和珊瑚羟基磷灰石)的主要成分是碳酸钙，碳酸钙即使在高孔隙率下也具有良好的骨传导和高机械强度的优点，但缺点是机械性能差、无骨诱导和加工困难。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物材料，可以突破异种骨移植的限制。3)复合支架材料，羟基辛酸共聚物：聚羟基链烷酸，一种由微生物合成的天然高分子聚酯材料，可用作组织工程支架用于组织修复。羟基丁酸和羟基辛酸的共聚物是聚羟基烷酸的新产品，具有良好的细胞相容

6、性和生物降解性，有望成为一种新型骨组织工程支架材料。纳米羟基磷灰石：羟基磷灰石和胶原是与胶原复合的骨组织工程支架材料，因其良好的生物相容性和可降解性，已成为支架材料研究和应用中的重要天然材料，但各自的缺点限制了其进一步的临床应用。如果通过特殊的实验方法将两种材料按照一定的比例组合成复合材料，就有可能优化两种材料的生物性能。壳聚糖-脱细胞真皮三维材料：具有良好的细胞相容性和对细胞的亲和力，能够促进细胞的粘附、生长、增殖和分化。壳聚糖-脱细胞真皮支架材料是组织工程中一种良好的生物相容性材料，符合组织工程中新型支架材料的基本要求。1)具有气泡状多孔结构的新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架，2)新型层状双氢

7、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、新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架、天然多糖水凝胶等与细胞外基质相似，可作为组织工程的理想支架。以羟乙基壳聚糖(HECS)和纤维素(CEL)为原料，采用化学交联、颗粒浸出和冷冻干燥的方法，以二氧化硅颗粒为致孔剂，制备了一种具有气泡状多孔结构的新型水凝胶支架。通过扫描电镜、力学测试、接触角测量和流变仪对test赛力支架的形貌、压缩应力-应变曲线、润湿性、溶胀度和流变行为进行了表征。HECS/塞尔支架具有良好的综合性能，在水中20秒内即可达到平衡膨胀状态。HECS/塞尔支架能很好地支持成骨细胞MC3T3-E1细胞

8、的附着、扩散和增殖，并表现出良好的生物相容性。因此，新的HECS/细胞支架有望用于骨组织工程。新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架。从图中可以看出，化学反应主要是由环氧基团的胺/羟基引发的开环反应，形成单一的三维网络结构。ECH交联结合二氧化硅浸出法制备的HECS/赛洛支架在水中以水凝胶形式存在。从图中可以看出，通过颗粒沥滤和冷冻干燥方法，支架显示出高度相互连接的双孔结构。通过除去成孔剂二氧化硅颗粒，产生尺寸为100-250微米的气泡状大孔，同时在冷冻干燥过程中形成的冰晶升华，尺寸为几十微米的微孔是升华的结果。这种高度相互连接的多孔结构将促进营养物、氧气和代谢废物通过支架的交换，从而促进细胞、血管和周

9、围组织的向内生长。如图3A所示，这三种不同的支架显示出相似的应力-应变行为，并且应力几乎随着应变的增加而线性增加。如图3B所示，HECS/CEL支架的平均压缩模量明显高于1.5瓦的支架。图4所示的1.5重量% CEL和HECS/CEL支架的膨胀动力学、水接触角(a)和视觉溶胀现象(b)表明，加入水溶性HECS提高了CEL的亲水性，并且新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架如图6所示，这是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。孵育1天后，在细胞支架和HECS/细胞支架上观察到几个代表细胞簇的绿色荧光点。当培养时间延长到4天时，观察到更多的细胞团，出现一些细胞间连接。结果表明，HECS/

10、细胞支架比细胞支架具有更好的体外生物相容性，为细胞的附着和增殖提供了良好的环境。新型羟乙基壳聚糖/纤维素支架，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。多孔生物降解支架的开发是骨组织工程的主要方法之一。采用共沉淀法和溶剂浇铸法制备了一种新型BTE复合材料，该复合材料由层状双氢氧化物、羟基磷灰石和明胶组成。生理和化学特性表明，该支架的化学成分和微观结构与天然海绵骨相似。观察到大孔，低密度聚乙烯/凝胶和低密度聚乙烯的孔隙率和杨氏模量也符合性能要求。一个月后，支架在去离子水中降解。扫描电镜照片显示，具有针状次生羟基磷灰石晶体的低密度聚

11、羟基磷灰石/凝胶在两种支架之间表现出较好的生物活性。根据碱性磷酸酶活性和茜素红染色结果，乳酸脱氢酶-羟基磷灰石/凝胶支架显示出比乳酸脱氢酶/凝胶支架和对照样品更好的骨特异性活性。将兔脂肪干细胞进行培养，融合后接种于乳酸脱氢酶-羟基磷灰石/凝胶支架上。结果证实了乳酸脱氢酶-羟基磷灰石/凝胶支架在诱导骨再生方面的良好性能。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一种骨科缺损，不经干预无法愈合，在动物的自然生命周期中也无法完全愈合。虽然骨通常具有完全再生的能力，但关键的缺损需要某种支架来完成。因此，提出了一种制备碳纳米纤维/羟基磷灰石生物活性支架的方法。采用聚丙烯腈“聚丙烯腈”的聚合溶液和后续的稳定化和碳化方法，通过静电纺丝工艺获得碳纳米纤维(CNF)非织造布。CNF片由羟基磷灰石和牛血清白蛋白功能化。在静电纺丝溶液中加入透明质酸，但在(牛血清白蛋白)的情况下，它在碳化后被吸附。用扫描电镜、红外光谱、热重分析和EDX等表征方法研究了前驱体薄膜的性能变化。制备的材料的生物相容性通过在新西兰白兔中皮下植入来测试。与仅在3周内出现透明质酸的患者相比，透明质酸和牛血清白蛋白功能化片与中性粒细胞和淋巴细胞炎症细胞的生物相容性较差。羟基磷灰石涂层骨替代材料和体内成骨实验，医学应用，2)通过静电纺丝制备的纳米纤维支架，医学应用，3D打印生物陶瓷支架可用于骨肿瘤治疗，医