组织工程支架材料XX0516final
合集下载
骨组织工程多孔支架材料性质及支架制备
骨组织工程多孔支架材料性质及支架制备吴景梅* 吴若峰*上海大学材料科学与工程学院高分子化学与物理系(201800)email:wujingmei@摘要：多孔性生物可降解支架的选择和制备是组织工程技术成功运用的关键，本文从骨架的材料要求、常用的骨架材料、骨架的制备技术等几个方面对组织工程和生物降解支架的工作进行了综述，并对该研究的前景进行了展望关键词：组织工程多孔支架生物降解性制备方法1. 引言组织工程是应用生命科学和工程学的原理和方法，在正确认识哺乳动物的正常和病理两种状态下组织结构与功能关系的基础上，研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科[1—3]。
组织工程学的基本方法是首先分离培养相关的细胞，然后将一定量的细胞种植到具有一定空间结构的三维支架上，再将此细胞支架复合物植入体内或在体外培养，通过细胞之间的粘附、生长繁殖分泌细胞外基质，从而形成具有一定结构和功能的组织或器官[4—6]。
近年来，随着细胞生物学、分子生物学及生物材料学研究的突飞猛进，组织工程作为一门新兴的交叉学科在其研究和应用方面也取得了很大的进展。
目前组织工程研究的领域主要有皮肤组织工程，骨、软骨组织工程，神经、肌腱组织工程等，其中骨组织工程的研究是最活跃的领域之一。
骨组织工程的研究和应用将会克服现有骨缺损修复中自体骨移植来源少、异体骨移植存在排斥反应的问题和不足，预期它将为骨缺损修复带来美好的前景。
但是骨组织工程研究中还存在许多困难，其中理想的细胞外支架材料的选择和制备是骨组织工程研究中急需解决的困难。
2. 组织工程对支架材料的要求理想的骨组织工程支架材料的要求有[7—8]：(1)良好的生物相容性：除满足生物材料的一般要求，如无毒、不致畸之外，还要有利于种子细胞的粘附、增殖，降解产物对细胞无毒害作用，不引起炎症反应，有利于细胞的生长和分化。
（2）良好的生物降解性：支架材料在完成支撑功能后应能降解，降解速率应与骨组织细胞生长速率相适应。
组织工程支架材料
存在缺点 ： ( 1 ) 有机溶剂残留 ( 2 ) 高温拔丝损害分子稳定性 ， 且 喷涂技术难度大 、成本高 ( 3 ) 空隙分布不均匀 ( 4 ) 由于固有粘滞性限制 ，采用气体法和溶剂发泡等方法时开孔率低 （5）因聚合 物溶液流动或者使用粘合剂将导致部分NaCl颗粒被包裹
●低热高压法
●目的： 制作不含有机溶剂、三维结构良好的丙交酯 —乙交酯共聚物( P L GA) 支架，使之符合组织工程骨修复的需要。 ●需要克服的的问题： 有机溶剂残留、空隙分布不均匀、三维结构控制不稳定、支架 小并且开孔率计算不准确等。 ●原材料：
Figure 2. PLGA spinning with a microfluidic chip. (a) Fiber generation with the chip and (b) PLGA fiber scaffold for cell culture wound around a coverslip (18 × 18 mm) during spinning (at 60 rpm).
●传统开环聚合制备无规聚乙丙交酯：
单体:
乳酸
乙醇酸
聚合原理：
●三步法制备交替聚乙交酯丙交酯：
聚合原理：
第一步：O-氯乙酰-DL-乳酸的制备：
第二步：DL-3-甲基-乙交酯的制备：
第三步：Alt2PLGA的制备：
三步法的优缺点：
优点：该聚合物结构规整，组成固定，降解性
能较稳定。 缺点：工艺流程过长，生产成本高，不利于大 规模生产；辛酸亚锡催化剂对细胞有毒 害作用。
2 可加工性 3 孔隙的大小和孔隙率有可调控性
4 有足够的表面积用于细胞黏附
5 有足够的空间使细胞集落扩展 、增殖
支架材料-PLGA
组织工程支架材料XXXX0516final.pptx
生物材料表面的亲水－疏水平衡：疏水性表面对蛋 白质的吸附能力较强。
生物材料表面的拓扑（图案）结构：细胞根据材料 表面的拓扑形貌而取向生长。
生物材料表面的生物活性：生物材料表面具有整连 蛋白认同的配体是细胞识别并接受生物材料为“自 体”ECM的关键。
组织工程研究现状
组织工程研究的器官及其部分产品
支架设计与制备技术
-20℃,孔径 250±120μm
(a) An optical photograph of a hydrogel freeze-dried following freezing at -20℃ (b) and (b) a SEM micrograph of its horizontal cross-section.
（4）合成可降解无机材料。常用的主要有磷酸钙水 泥(calcium phosphate cement,CPC)，羟基磷灰 石(hydroxyapatite,HA),磷酸三钙( tricalcium phosphate, TCP),生物活性陶瓷如生物活性玻璃陶 瓷( biological activity ceramic glass,BCG),细胞 外基质陶瓷类材料等。
2）可降解性及合适的降解速率，当移植的细胞或组织在受体内 存活时，支架材料可自行降解，降解吸收速率能与细胞、组织 生长速率相匹配；
3）合适的孔尺寸、高的孔隙率和相连通的孔形态，以利于大量 细胞的种植、细胞和组织的生长、细胞外基质的形成、氧气和 营养的传输、代谢物的排泄以及血管和神经的长入；
4）高的表面积、合适的表面理化性质和良好的细胞界 面关系，以利于细胞黏附、增殖、分化以及负载生长 因子等生物信号分子；
5）与植入部位组织的力学性能相匹配的结构强度，以 在体内生物力学微环境中保持结构稳定性和完整性， 并为植入细胞提高合适的微应力环境；
生物材料学-组织工程支架材料
功能： 为细胞提供获取营养、气体交换、排泄废 物和生长发育的场所，也是形成新的具有 形态和功能的组织、器官的物质基础
8.1.4 组织工程四要素
生长因子
概念： 对细胞生长、分化有一定的调节功能，能 在细胞间传递信息的多肽物质。
应用方式： 生长因子+支架材料→复合体 支架材料上培养能分泌生长因子的细胞
制备、结构与性能
制备
8.6.1 聚乳酸、聚羟基乙酸 及其共聚物
制备、结构与性能
结构与性能
① 手性结构 单体乳酸分子：左旋和右旋 二聚体丙交酯：左旋/右旋/外消旋/ 内消旋 聚乳酸：左旋/右旋/外消旋/内消旋
8.6.1 聚乳酸、聚羟基乙酸 及其共聚物
制备、结构与性能
8.5.2 天然多糖类材料
甲壳素及其衍生物
理化性能
② 壳聚糖 白色片状或粉状固体，常温时稳定 可溶于稀酸、甲酸、乙酸，但也不溶 于水和绝大多数有机溶剂 性能更活泼，可通过氨基和羟基改性
8.5.2 天然多糖类材料
甲壳素及其衍生物
生物活性：
① 壳聚糖 一般只有很小的异物排斥反应 不引起慢性反应，无大量纤维组 织增生 可加速移植物与正常组织融合
8.4.1 降解的基本概念与类型
基本概念：
降解：分子量变小的化学过程 生物降解：
在生物体内的体验、酶和细胞等多种因 素的综合作用下，分子量变小的过程。
8.4.1 降解的基本概念与类型
按降解机制分：
生物降解/物理降解/化学降解/机械降解
按降解方式和程度分：
天然材料
完全降解材料 合成材料
好的亲和性
8.3.4 良好的可塑性
高孔隙率：一般>90% 结构形状复杂
8.1.4 组织工程四要素
生长因子
概念： 对细胞生长、分化有一定的调节功能，能 在细胞间传递信息的多肽物质。
应用方式： 生长因子+支架材料→复合体 支架材料上培养能分泌生长因子的细胞
制备、结构与性能
制备
8.6.1 聚乳酸、聚羟基乙酸 及其共聚物
制备、结构与性能
结构与性能
① 手性结构 单体乳酸分子：左旋和右旋 二聚体丙交酯：左旋/右旋/外消旋/ 内消旋 聚乳酸：左旋/右旋/外消旋/内消旋
8.6.1 聚乳酸、聚羟基乙酸 及其共聚物
制备、结构与性能
8.5.2 天然多糖类材料
甲壳素及其衍生物
理化性能
② 壳聚糖 白色片状或粉状固体，常温时稳定 可溶于稀酸、甲酸、乙酸，但也不溶 于水和绝大多数有机溶剂 性能更活泼，可通过氨基和羟基改性
8.5.2 天然多糖类材料
甲壳素及其衍生物
生物活性：
① 壳聚糖 一般只有很小的异物排斥反应 不引起慢性反应，无大量纤维组 织增生 可加速移植物与正常组织融合
8.4.1 降解的基本概念与类型
基本概念：
降解：分子量变小的化学过程 生物降解：
在生物体内的体验、酶和细胞等多种因 素的综合作用下，分子量变小的过程。
8.4.1 降解的基本概念与类型
按降解机制分：
生物降解/物理降解/化学降解/机械降解
按降解方式和程度分：
天然材料
完全降解材料 合成材料
好的亲和性
8.3.4 良好的可塑性
高孔隙率：一般>90% 结构形状复杂
组织工程支架
实验用组织工程支架-明胶支架支架简介该支架由明胶 (gelatin) 组成。
明胶为胶原裂解后之片段，具有胶原的胺基酸序列，其序列中的RGD 序列，有助于细胞贴附与生长，且由于明胶不具有胶原之免疫端，故其不易造成免疫反应。
明胶具有良好的理化性能、生物兼容性与生物可降解性，是组织工程生物材料支架制备的理想成分。
支架结构支架孔径：范围在100~300 m (此范围较适合细胞生长；大小可依据需求调整)宏观直径：为 10 mm (直径与厚度可依据需求调整)支架形状：可根据需求塑成所需要的形状 (圆盘状、管状；其它不规则立体形状，需洽谈)特性：生物可分解性,细胞可生长,有弹性可搭配生物反应器使用使用：需先以70~75% 酒精浸润消毒，再以培养液或生理食盐水浸润后( 30 分钟以上), 方可使用组织兼容性（以兔膝关节软骨缺损修复为例）以明胶支架为基础构建的软骨修复材料可有效促进兔膝关节关节软骨缺损的修复。
细胞兼容性明胶支架可良好支持膝关节软骨细胞的粘附、三维生长和增殖0 Day 1 Month 3 Months多成分支架明胶是胶原水解后的产物，较胶原免疫原性更温和，且其含有氨基酸序列，可强化细胞粘附。
因此，根据不同组织工程应用需求，可将明胶与其它天然或合成的生物材料混合制作3D支架。
（1）明胶-壳聚糖支架壳聚糖是甲壳素脱乙酰后的产物，不具有免疫原性，具有良好的生物兼容性，抗菌，该材料在植入体内8-10周可完全降解。
N.Kathuria et al. Synthesis and characterization of elastic and macroporous chitosan–gelatin cryogels for tissue engineering. Acta Biomaterialia 2008.（2）明胶-透明质酸支架透明质酸是一种天然多糖，是ECM的主要组分。
由于其高保水性和内在的膨胀特性，可强化细胞粘附、促进细胞迁移到支架内部。
组织工程多孔支架制造
• 优点：室温或较低温度固化。可制备有 利于细胞生长的蛋白质等活性物质的多 孔支架。
• 缺点：气孔率不高，孔连通性不好。
12/30/2020
五、电泳沉积法
• Ma，羟基磷灰石粉体混于乙醇中，以 3g/100ml的比例配成混合液，硝酸或氨 水调节pH至5，石墨为阴极，不锈钢为阳 极，1.5mA/cm3电泳沉积法得到多孔素坯， 干燥24h，1200 °C煅烧。此种支架有较 高的力学强度。
天然骨去 有机组分
天然骨=磷酸钙矿物质+胶原蛋白 去除有机质：
松质骨沸水煮10min，1%H2O2和1%NaOH 浸泡1h，水洗，干燥，600 °C3h， 1100 °C3h，冷却。
12/30/2020
1.2 有机生物材料支架的制备
• 组织工程支架用有机支架主要有：胶原
蛋白、明胶、壳聚糖及包括透明质酸、
12/30/2020
发泡工艺的主要方法有：化学发泡法和物理发泡法。
化学发泡法：将在较高温度下能够分解产生气体，或能发生化学 反应产生气体的物质与陶瓷粉体浆料混合成型，在一定温度下加 热处理发泡，再烧结生成大孔陶瓷。要求成孔剂和发泡剂的残留 物不影响陶瓷的性能和组成，或残留物经简单的方法可以除去。 用来做发泡剂的化学物质很多，应用较多的是双氧水，聚乙烯醇 等。 物理发泡法：向水中摻入少量的表面活性物质，通过强烈搅拌卷 入空气，使其体积增大而发泡，随后将陶瓷混合料加入其中不断 搅拌，使浆体内形成细小的、均匀的大量气泡。
一、造孔剂法 二、发泡法 三、模板法 四、自固化与融出法 五、电泳沉积法 六、通过颗粒堆积形成气孔 七、处理天然材料
12/30/2020
一、造孔剂方法
• 工艺特点：通过在陶瓷配料中添加造孔剂，利 用这些造孔剂在高温下燃尽或挥发而在陶瓷体 中留下孔隙，获得多孔陶瓷。
• 缺点：气孔率不高，孔连通性不好。
12/30/2020
五、电泳沉积法
• Ma，羟基磷灰石粉体混于乙醇中，以 3g/100ml的比例配成混合液，硝酸或氨 水调节pH至5，石墨为阴极，不锈钢为阳 极，1.5mA/cm3电泳沉积法得到多孔素坯， 干燥24h，1200 °C煅烧。此种支架有较 高的力学强度。
天然骨去 有机组分
天然骨=磷酸钙矿物质+胶原蛋白 去除有机质：
松质骨沸水煮10min，1%H2O2和1%NaOH 浸泡1h，水洗，干燥，600 °C3h， 1100 °C3h，冷却。
12/30/2020
1.2 有机生物材料支架的制备
• 组织工程支架用有机支架主要有：胶原
蛋白、明胶、壳聚糖及包括透明质酸、
12/30/2020
发泡工艺的主要方法有：化学发泡法和物理发泡法。
化学发泡法：将在较高温度下能够分解产生气体，或能发生化学 反应产生气体的物质与陶瓷粉体浆料混合成型，在一定温度下加 热处理发泡，再烧结生成大孔陶瓷。要求成孔剂和发泡剂的残留 物不影响陶瓷的性能和组成，或残留物经简单的方法可以除去。 用来做发泡剂的化学物质很多，应用较多的是双氧水，聚乙烯醇 等。 物理发泡法：向水中摻入少量的表面活性物质，通过强烈搅拌卷 入空气，使其体积增大而发泡，随后将陶瓷混合料加入其中不断 搅拌，使浆体内形成细小的、均匀的大量气泡。
一、造孔剂法 二、发泡法 三、模板法 四、自固化与融出法 五、电泳沉积法 六、通过颗粒堆积形成气孔 七、处理天然材料
12/30/2020
一、造孔剂方法
• 工艺特点：通过在陶瓷配料中添加造孔剂，利 用这些造孔剂在高温下燃尽或挥发而在陶瓷体 中留下孔隙，获得多孔陶瓷。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
•（5）复合材料。常用的有聚乳酸－羟基磷灰石 组织工程支架材料XX0516final
•生物材料表面• 对细胞的影响：
•生物材料表面能：表面能较高（较亲水）的表面更 有利于细胞的黏附和铺展。
•生物材料表面的蛋白吸附能力：生理液体中含大量 白蛋白和少量ECMs蛋白质（纤连蛋白FN、玻连蛋白 VN和层连蛋白LN等）。
•采 用 溶 剂 流 延 / 盐 颗 粒 沥 滤 技 术 可 制 备 87 ％～91％孔隙率、孔径100～500μm的多孔 支架。采用乳液冷冻干燥法可得到孔隙率>90 ％、孔径20～200μm的支架。
组织工程支架材料XX0516final
•相分离法/冷冻干燥法 •Phase separation/freeze drying
•角质形成细胞在成纤维细胞培养3周的支架上培养1周后的HE（苏木素－伊红）染色照片
•J.组S.织Ma工o 程et a支l. 架J B材iom料eXd XM0a5te1r 6Rfeinsa6l4A (2003) 301–308
•2. 合成降解聚合物支架制备技术
•纤维粘结技术 Fabrication of non-woven •相分离 技术phase separation •溶剂流延－颗粒沥滤法 Solvent casting and particular leaching •（成孔剂析出法） •膜材层压法 Membrane lamination •熔融模塑法 Melt moulding •超临界流体技术 Supercritical-fluid technology •（高压处理法、气体发泡法）
•将水凝胶分别在 •－20°C和－80°C预 冻12h（或在液氮中 冷冻20min)
•冷冻干燥4天
•Preparation scheme of gelatin hydrogels by the freeze-drying procedure. •冷冻干燥法制备明胶海绵支架示意图组织•H工.-W程. K支an架g e材t a料l. BXiXom0a5t1e6riafilns a2l0 (1999) 1339-1344
•生物材料表面电荷：在正电荷生物材料表面，细胞 的黏附呈现连续性。
组织工程支架材料XX0516final
•
•生物材料表面的亲水－疏水平衡：疏水性表面对蛋 白质的吸附能力较强。
•生物材料表面的拓扑（图案）结构：细胞根据材料 表面的拓扑形貌而取向生长。
•生物材料表面的生物活性：生物材料表面具有整连 蛋白认同的配体是细胞识别并接受生物材料为“自 体”ECM的关键。
组织工程支架材料XX0516final
•The lld with different local magnification: (a) 100; (b) 400; (c) 1000:
•壳聚糖－明胶双层支架的层状结构,致密表层的孔径为0.43μm,
组织工程支架材料XX0516final
•溶剂流延－颗粒沥滤 •Solvent casting and particular leaching
•将盐粒(用标准筛筛分)分散于PLLA的二氯甲烷溶液 中，使之在玻璃培养皿中成膜。待溶剂挥发后真空 干燥，将膜浸入水中，洗去NaCl，即得到多孔膜。
•通过热处理(退火或淬火)可以调节PLLA膜的结晶度 （半结晶或非晶态），调节盐粒大小和用量可控制 孔的尺寸及孔隙率.
组织工程支架材料XX0516final
•组织工程支架材料主要包括：
•（ 1 ） 天 然 可 降 解 高 分 子 材 料 。 如 胶 原 （collagen），其本身就是天然骨的组织成分。壳 聚糖（chitosan），是甲壳素的衍生物。还有明胶、 琼脂、葡聚糖、透明质酸。降解产物易被机体吸收， 但强度和加工性能较差，降解速度无法调节。
组织工程支架材料 XX0516final
2020/11/30
组织工程支架材料XX0516final
•√组织工程支架材料 •√生物材料的表面工程 • 支架设计与制备技术 • 组织工程支架材料展望
组织工程支架材料XX0516final
•理想的组织工程支架应具备以下功能:
•1）良好的生物相容性使细胞可黏附和增殖，无明显的细胞毒 性、炎症反应和免疫排斥，不会因邻近组织的排异反应而影响 新组织的功能；
组织•H工.-W程. K支an架g e材t a料l. BXiXom0a5t1e6riafilns a2l0 (1999) 1339-1344
•壳聚糖－明胶双层支架：人工皮肤支架
•皮肤为层状组织,真皮层由成纤维细胞及其细胞外基质构成,而表皮层中的 表皮细胞所分泌的角蛋白纤丝不断从增殖层分化为角质层,以保护皮肤,防 止水份流失及细菌的侵入.
•疏松底层平均孔径102μm.
组织•J工.S程. M支ao架et材al.料BiXomX0at5e1ria6lfsin2a4l(2003) 1067–1074
•Keratinocytes cultured for 1 week on fibroblast－containing scaffolds that had been cultured for 3 weeks: (a) H&E; original magnification ×100; and (b) H&E; original magnification ×400.
•-80℃,孔径 •85±35μm
•-196℃,孔径 •45±5μm
•SEM micrographs of horizontal cross-sections of gelatin hydrogels freezedried following freezing (a) at -80℃ and (b) in N2(l).
•用于制备组织工程多孔支架的相分离法是指将聚合 物溶液、乳液或水凝胶在低温下冷冻，冷冻过程中 发生相分离，形成富溶剂相和富聚合物相，然后经 冷冻干燥除去溶剂而形成多孔结构的方法。因而， 相分离法又往往称为冷冻干燥法，按体系形态的不 同可简单地分为乳液冷冻干燥法、溶液冷冻干燥法 和水凝胶冷冻干燥法。该法避免了高温，有利于生 物活性分子如蛋白质生长因子或分化因子的引入和 控制释放。
组织•H工.-W程. K支an架g e材t a料l. BXiXom0a5t1e6riafilns a2l0 (1999) 1339-1344
•-80℃
•-196℃
•SEM micrographs of vertical cross-sections of gelatin hydrogels freeze-dried
•Ishaug SL,Journal of B组iom织e工dic程al 支Ma架ter材ial料s RXeXse0a5rc1h6,fVinoal.l36, 17–28 (1997)
•植入物孔径为20μm时适于成纤维细胞的长 入，20～125μm时适合成年哺乳类皮肤组织 的长入，而100～250μm适合骨组织再生。
•（4）合成可降解无机材料。常用的主要有磷酸钙 水泥(calcium phosphate cement,CPC)，羟基磷 灰石(hydroxyapatite,HA),磷酸三钙( tricalcium phosphate, TCP),生物活性陶瓷如生物活性玻璃陶 瓷( biological activity ceramic glass,BCG),细胞 外基质陶瓷类材料等。
•2）可降解性及合适的降解速率，当移植的细胞或组织在受体 内存活时，支架材料可自行降解，降解吸收速率能与细胞、组 织生长速率相匹配；
•3）合适的孔尺寸、高的孔隙率和相连通的孔形态，以利于大 量细胞的种植、细胞和组织的生长、细胞外基质的形成、氧气 和营养的传输、代谢物的排泄以及血管和神经的长入；
组织工程支架材料XX0516final
•缺点是孔隙贯穿率低，必须使用有机溶剂，阻碍了 水溶性生物活性剂与支架材料的结合。
组织工程支架材料XX0516final
•SEM of 90% porous 75:25 PLGA foams fabricated by a solvent-casting particulateleaching technique. The foams exhibited pore sizes ranging from 150–300 μ m (a), 300–500 μ m (b), and 500–710 μ m (c). A top view of a polymer foam prepared with salt particles ranging from 300–500 μ m and seeded with cells (22.1 × 105 cells/cm2) reveals layers of osteoblasts covering the pores surfaces after 1 day in culture (d).
组织工程支架材料XX0516final
•明胶海绵支架
Fabrication of porous gelatin scaffolds
•明胶是胶原的部分变性 衍生物, 由胶原的三重螺 旋结构解体为单链分子 而形成,可作为细胞培养 的支架以及生长因子的 控制释放载体。
•明胶水溶液用戊二醛 交联形成凝胶，放置 12h后用甘氨酸处理
组织工程支架材料XX0516final
组织工程研究现状
•组织工程研究的器官及其部分产品
组织工程支架材料XX0516final
•支架设计与制备技术
•1. 天然高分子材料支架： •蛋白质支架（胶原支架、明胶海绵、丝纤维基材） •多糖支架（壳聚糖-阳离子多糖、海藻酸盐-存在于 褐藻的阴离子线性多糖） •蛋白质-多糖支架（明胶-海藻酸盐、壳聚糖－明胶）
组织工程支架材料XX0516final
•壳聚糖－明胶双层支架：人工皮肤支架
•壳聚糖与明胶经戊二醛共交联形成杂混聚合物网络 (HPN)凝胶,将此溶胀水凝胶经冷冻干燥可制备多孔 支架. 将装有水凝胶的培养皿直接放在-56˚C的冷却 板上,通过调整热传导方式梯度控制样品的预冻过程. 此时溶胀水凝胶底部直接与冷却板接触,是直接热传 导过程;上部是与空气的对流热传导过程,属于间接热 传导过程.由于热传导速率的不同,将形成双层支架, 其底层为致密层(孔径较小),上部为疏松层,可用作人 工皮肤支架，其透氧性优异，能控制蒸发水的损失 量，防止外源性微生物的侵入。
•生物材料表面• 对细胞的影响：
•生物材料表面能：表面能较高（较亲水）的表面更 有利于细胞的黏附和铺展。
•生物材料表面的蛋白吸附能力：生理液体中含大量 白蛋白和少量ECMs蛋白质（纤连蛋白FN、玻连蛋白 VN和层连蛋白LN等）。
•采 用 溶 剂 流 延 / 盐 颗 粒 沥 滤 技 术 可 制 备 87 ％～91％孔隙率、孔径100～500μm的多孔 支架。采用乳液冷冻干燥法可得到孔隙率>90 ％、孔径20～200μm的支架。
组织工程支架材料XX0516final
•相分离法/冷冻干燥法 •Phase separation/freeze drying
•角质形成细胞在成纤维细胞培养3周的支架上培养1周后的HE（苏木素－伊红）染色照片
•J.组S.织Ma工o 程et a支l. 架J B材iom料eXd XM0a5te1r 6Rfeinsa6l4A (2003) 301–308
•2. 合成降解聚合物支架制备技术
•纤维粘结技术 Fabrication of non-woven •相分离 技术phase separation •溶剂流延－颗粒沥滤法 Solvent casting and particular leaching •（成孔剂析出法） •膜材层压法 Membrane lamination •熔融模塑法 Melt moulding •超临界流体技术 Supercritical-fluid technology •（高压处理法、气体发泡法）
•将水凝胶分别在 •－20°C和－80°C预 冻12h（或在液氮中 冷冻20min)
•冷冻干燥4天
•Preparation scheme of gelatin hydrogels by the freeze-drying procedure. •冷冻干燥法制备明胶海绵支架示意图组织•H工.-W程. K支an架g e材t a料l. BXiXom0a5t1e6riafilns a2l0 (1999) 1339-1344
•生物材料表面电荷：在正电荷生物材料表面，细胞 的黏附呈现连续性。
组织工程支架材料XX0516final
•
•生物材料表面的亲水－疏水平衡：疏水性表面对蛋 白质的吸附能力较强。
•生物材料表面的拓扑（图案）结构：细胞根据材料 表面的拓扑形貌而取向生长。
•生物材料表面的生物活性：生物材料表面具有整连 蛋白认同的配体是细胞识别并接受生物材料为“自 体”ECM的关键。
组织工程支架材料XX0516final
•The lld with different local magnification: (a) 100; (b) 400; (c) 1000:
•壳聚糖－明胶双层支架的层状结构,致密表层的孔径为0.43μm,
组织工程支架材料XX0516final
•溶剂流延－颗粒沥滤 •Solvent casting and particular leaching
•将盐粒(用标准筛筛分)分散于PLLA的二氯甲烷溶液 中，使之在玻璃培养皿中成膜。待溶剂挥发后真空 干燥，将膜浸入水中，洗去NaCl，即得到多孔膜。
•通过热处理(退火或淬火)可以调节PLLA膜的结晶度 （半结晶或非晶态），调节盐粒大小和用量可控制 孔的尺寸及孔隙率.
组织工程支架材料XX0516final
•组织工程支架材料主要包括：
•（ 1 ） 天 然 可 降 解 高 分 子 材 料 。 如 胶 原 （collagen），其本身就是天然骨的组织成分。壳 聚糖（chitosan），是甲壳素的衍生物。还有明胶、 琼脂、葡聚糖、透明质酸。降解产物易被机体吸收， 但强度和加工性能较差，降解速度无法调节。
组织工程支架材料 XX0516final
2020/11/30
组织工程支架材料XX0516final
•√组织工程支架材料 •√生物材料的表面工程 • 支架设计与制备技术 • 组织工程支架材料展望
组织工程支架材料XX0516final
•理想的组织工程支架应具备以下功能:
•1）良好的生物相容性使细胞可黏附和增殖，无明显的细胞毒 性、炎症反应和免疫排斥，不会因邻近组织的排异反应而影响 新组织的功能；
组织•H工.-W程. K支an架g e材t a料l. BXiXom0a5t1e6riafilns a2l0 (1999) 1339-1344
•壳聚糖－明胶双层支架：人工皮肤支架
•皮肤为层状组织,真皮层由成纤维细胞及其细胞外基质构成,而表皮层中的 表皮细胞所分泌的角蛋白纤丝不断从增殖层分化为角质层,以保护皮肤,防 止水份流失及细菌的侵入.
•疏松底层平均孔径102μm.
组织•J工.S程. M支ao架et材al.料BiXomX0at5e1ria6lfsin2a4l(2003) 1067–1074
•Keratinocytes cultured for 1 week on fibroblast－containing scaffolds that had been cultured for 3 weeks: (a) H&E; original magnification ×100; and (b) H&E; original magnification ×400.
•-80℃,孔径 •85±35μm
•-196℃,孔径 •45±5μm
•SEM micrographs of horizontal cross-sections of gelatin hydrogels freezedried following freezing (a) at -80℃ and (b) in N2(l).
•用于制备组织工程多孔支架的相分离法是指将聚合 物溶液、乳液或水凝胶在低温下冷冻，冷冻过程中 发生相分离，形成富溶剂相和富聚合物相，然后经 冷冻干燥除去溶剂而形成多孔结构的方法。因而， 相分离法又往往称为冷冻干燥法，按体系形态的不 同可简单地分为乳液冷冻干燥法、溶液冷冻干燥法 和水凝胶冷冻干燥法。该法避免了高温，有利于生 物活性分子如蛋白质生长因子或分化因子的引入和 控制释放。
组织•H工.-W程. K支an架g e材t a料l. BXiXom0a5t1e6riafilns a2l0 (1999) 1339-1344
•-80℃
•-196℃
•SEM micrographs of vertical cross-sections of gelatin hydrogels freeze-dried
•Ishaug SL,Journal of B组iom织e工dic程al 支Ma架ter材ial料s RXeXse0a5rc1h6,fVinoal.l36, 17–28 (1997)
•植入物孔径为20μm时适于成纤维细胞的长 入，20～125μm时适合成年哺乳类皮肤组织 的长入，而100～250μm适合骨组织再生。
•（4）合成可降解无机材料。常用的主要有磷酸钙 水泥(calcium phosphate cement,CPC)，羟基磷 灰石(hydroxyapatite,HA),磷酸三钙( tricalcium phosphate, TCP),生物活性陶瓷如生物活性玻璃陶 瓷( biological activity ceramic glass,BCG),细胞 外基质陶瓷类材料等。
•2）可降解性及合适的降解速率，当移植的细胞或组织在受体 内存活时，支架材料可自行降解，降解吸收速率能与细胞、组 织生长速率相匹配；
•3）合适的孔尺寸、高的孔隙率和相连通的孔形态，以利于大 量细胞的种植、细胞和组织的生长、细胞外基质的形成、氧气 和营养的传输、代谢物的排泄以及血管和神经的长入；
组织工程支架材料XX0516final
•缺点是孔隙贯穿率低，必须使用有机溶剂，阻碍了 水溶性生物活性剂与支架材料的结合。
组织工程支架材料XX0516final
•SEM of 90% porous 75:25 PLGA foams fabricated by a solvent-casting particulateleaching technique. The foams exhibited pore sizes ranging from 150–300 μ m (a), 300–500 μ m (b), and 500–710 μ m (c). A top view of a polymer foam prepared with salt particles ranging from 300–500 μ m and seeded with cells (22.1 × 105 cells/cm2) reveals layers of osteoblasts covering the pores surfaces after 1 day in culture (d).
组织工程支架材料XX0516final
•明胶海绵支架
Fabrication of porous gelatin scaffolds
•明胶是胶原的部分变性 衍生物, 由胶原的三重螺 旋结构解体为单链分子 而形成,可作为细胞培养 的支架以及生长因子的 控制释放载体。
•明胶水溶液用戊二醛 交联形成凝胶，放置 12h后用甘氨酸处理
组织工程支架材料XX0516final
组织工程研究现状
•组织工程研究的器官及其部分产品
组织工程支架材料XX0516final
•支架设计与制备技术
•1. 天然高分子材料支架： •蛋白质支架（胶原支架、明胶海绵、丝纤维基材） •多糖支架（壳聚糖-阳离子多糖、海藻酸盐-存在于 褐藻的阴离子线性多糖） •蛋白质-多糖支架（明胶-海藻酸盐、壳聚糖－明胶）
组织工程支架材料XX0516final
•壳聚糖－明胶双层支架：人工皮肤支架
•壳聚糖与明胶经戊二醛共交联形成杂混聚合物网络 (HPN)凝胶,将此溶胀水凝胶经冷冻干燥可制备多孔 支架. 将装有水凝胶的培养皿直接放在-56˚C的冷却 板上,通过调整热传导方式梯度控制样品的预冻过程. 此时溶胀水凝胶底部直接与冷却板接触,是直接热传 导过程;上部是与空气的对流热传导过程,属于间接热 传导过程.由于热传导速率的不同,将形成双层支架, 其底层为致密层(孔径较小),上部为疏松层,可用作人 工皮肤支架，其透氧性优异，能控制蒸发水的损失 量，防止外源性微生物的侵入。