组织工程学概述 PPT
生物工程学概论-组织工程学
英国著名医学杂志《柳叶 刀》网站2006年4月4日公 布的一份研究报告说，美 国科学家已经在实验室中 成功培育出膀胱，并顺利 移植到7名患者体内。由于 用于移植的膀胱由接受移 植者的体内细胞培育产生， 所以移植后的膀胱不会在 患者体内发生排异现象。
科学家正在提取 人工培育出来的膀胱
接受膀胱移植手术的一位患 者凯特琳·麦克纳马拉
生物医学工程讲座--组织工程学
生物医学工程的概念
生物医学工程(Biomedical-Engineering)是一门新兴的 边缘学科，它综合工程学、生物学和医学的理论和方法，在各 层次上研究人体系统的状态变化，并运用工程技术手段去控制 这类变化，其目的是解决医学中的有关问题，保障人类健康， 为疾病的预防、诊断、治疗和康复服务。
人工瓣膜移植术
Cell-seeding device: (1)rotating machine; (2) base frame with rubber rollers; (3) acrylic bowl with balance weight; (4) cell suspension inlet; (5) lid of the bowl; (6) cylindrical cell-seeding chamber
我国是一个人口大国，因 创伤和疾病造成的组织、器官 缺损或功能障碍位居世界之首。 因此，在国内尽快建立和开展 组织工程研究，加入这一领域 的国际竞争并占有重要一席之 地，对加快我国医疗科学事业 的发展，提高人民群众健康水 平，促进国民经济高速发展， 增强国力是十分迫切和必要的。
组织工程学创始人美国哈佛大学医学院的Vacanti教授，
生物医学工程兴起于20世纪50年代的美国，它与医学工 程和生物技术有着十分密切的关系，而且发展非常迅速，成为 世界各国竞争的主要领域之一。
组织工程
想象一下骨折无法愈合，可能面对一辈子 的疼痛与行动不便，骨科医师在骨折缺损 处，填上一种含生长因子的接合剂，结果 骨折处神奇地愈合了。 肝脏病人需要新的肝，医生不需烦恼移植 肝脏来源的取得，直接植入病人自己的干 细胞进行修补，就能恢复正常的肝功能。 这些场景都已不再是科幻电影中的虚拟情 节，借着组织工程，人体组织与器官的病 变与缺损，都可以像汽车进保养厂般换上 新的零件，而恢复正常的功能。
答案是四个字
提示一：时代杂志于2000年将其列为二十 一世纪十大热门工作的榜首； 提示二：哪吒； 提示三：壁虎； 提示四：预定器官 提示五：再生医学
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组织工程
Tissue Engineering
二十一世纪最热门的工作
2000年美国《时代》周刊的封面文章 大胆预测了２１世纪的十大热门职业和十 个走向没落的职业。新职业中充满了“转 基因”、“虚拟现实”和“人工智能”等 ２１世纪流行语 ,而“首席执行官”等 “工作岗位”则将被打入冷宫。十大热门 职业中 ,名列第一的是身体组织工程师。 随着人造皮肤在市场上出现 ,人造软骨预 计不久也将问世。身体组织工程师则将利 用这些制造人的肺、心和肾脏。
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组织工程基本概念
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。 组织工程的产品在增强患者生活质量 的同时必须能提供终身治疗并能极大地减少 住院和药物治疗的费用。
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若小耳症的病人想要重建缺陷的耳朵，这时 可以用可分解材料加工做成这位病人正常耳 朵的样子（就是耳朵「支架」），然后在病 人的耳朵上挖个几乎看不见的小伤口，取出 一点耳朵软骨细胞，在体外复制大量的软骨 细胞做为种子，再播种回到耳朵「支架」中。 种到耳朵「支架」中的软骨细胞若在体外有 合适的环境，经过一段时间（例如一、两个 月）就会长出真正的耳朵软骨，这时再把长 出来的再生组织移回到病人的身上。
组织工程学在临床治疗中的应用
组织工程学在临床治疗中的应用组织工程学在现代医学中的应用越来越广泛，尤其在临床治疗中发挥着越来越重要的作用。
组织工程学是一种综合性学科，它涉及生物学、物理学、化学、机械学等多个学科，旨在通过材料、生物学和工程学手段，设计、构造和维持与人体组织类似的三维功能结构，以实现修复、再生或替代许多受损或损失的组织和器官。
本文将从组织工程学的基本概念开始，深入探讨其在临床治疗中的应用。
一、组织工程学的基本概念组织工程学是一种运用多学科知识、借助生物材料、细胞及生物相关因素等手段，基于人体组织工程学理论并通过人工合成，创造具有特定功能的组织和器官的新工程技术。
它的目的是通过大规模培养、分化和植入修复、再生和替代多种组织和器官，如皮肤、软骨、骨、血管、神经等。
组织工程学的核心在于建立与人体组织相似的三维构架和生态环境，并在这个环境中维持新型组织的生存、传导和功能。
组织工程学需要利用生物材料、生物学因素和工程学手段制造这种三维构架。
它主要分为三个步骤：生物材料的制备、细胞的培养以及生物学因素的添加。
生物材料可以是人造材料或者自体材料，如聚乳酸、透明质酸等。
生物学因素包括生长因子、细胞因子、成长因子等，可以使细胞分化为特定的功能细胞。
工程学因素则是制造该生物材料的技术。
最常见的工程学因素包括3D打印、微细加工、生物反应器等。
二、组织工程学在临床治疗中的应用2.1 皮肤组织工程学皮肤是人体最大的器官，它能够保护身体并维持外界环境的平衡。
临床上，皮肤缺损是最常见的情况之一，可以由烧伤、创伤或其他原因引起。
传统的处理方法是使用自体皮片或人工皮肤，但由于损伤面积较大，需要大量的自体皮肤移植或复杂的手术操作，难以保证修复效果。
因此，研究人员在皮肤组织工程学领域进行了大量的研究，以寻找更好的解决方案。
利用组织工程学手段制造的人造皮肤可以在体外培育和维持，并在移植到人体后具有与自体皮肤相似的结构和功能。
目前，市场上有多种类型的人造皮肤可供选用，其中包括RAFT人造三明治皮肤、Bilayer人造皮肤和自体细胞-材料复合体人造皮肤等。
第一章 组织工程学-概述
2014-3-15
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Tissue Engineering
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4.细胞外基质的结构
机体中除了细胞之外还有一些非细胞物质，称 为细胞外基质（ECM，extracellular matrix）。 它们是在机体的发育过程中由细胞分泌到细胞外的 各种生物大分子，这些细胞外大分子在细胞周围高 度水合构成的凝胶或纤维网络，它的结构精细而又 复杂。 细胞是通过特殊的细胞表面受体与周围的细胞外基 质发生作用，将细胞骨架及细胞内信号通道与细胞 外基质连接起来。
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Tissue Engineering
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一、支架材料─细胞的家
想要让细胞长成我们所预期的器官构造，如果缺乏细胞的 立足点，也就是作为细胞生长温床的「支架」，是一件不 可能的任务。细胞锚点 组织工程利用特殊的生物高分子材料建构出三度空间的立 体框架，让植入的细胞可以在其中生长并增殖。 结构支撑 支架的功能不仅仅当作细胞生长的框架结构，更可以进一 步地控制引导细胞朝特定的方向生长、分化。 功能引导
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一、组织工程学的概念
—— 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（living cells） 种植于多孔支架(scaffolds)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。
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材料表面 工程 Tissue Engineering
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无论所使用的材料为何，皆具有两个共通的特性： 首先是可塑性，可按照不同的组织器官构造，塑 造出我们所想要的形态； Nhomakorabea
组织工程学(新)
建立实验标准细胞系，改造种子细胞，延 建立实验标准细胞系，改造种子细胞， 长细胞寿命及生存期 改变细胞表面结构，研究细胞粘附及抗粘 改变细胞表面结构， 附力的技术及其影响机制； 附力的技术及其影响机制； 研究降低细胞抗原性及增强宿主免疫耐受 的方法
二、生物支架材料是组织工程研究 的关键
理想的组织工程细胞外基质材料的要求
3.
八、组织工程化心脏瓣膜的研究
组织工程心脏瓣膜是构建出一种具有细胞活性的 新型瓣膜。 新型瓣膜。 构筑一个可植入细胞并供细胞生长的，具有心脏 构筑一个可植入细胞并供细胞生长的， 瓣膜三维形状的聚合物纤维支架 。 种子细胞目前尚无定论
九、泌尿系统的组织工程研究
在肾脏组织、输尿管、尿道、 在肾脏组织、输尿管、尿道、膀胱以及阴茎再造 方面 距离广泛的临床应用仍有很大的差距，并且对一 距离广泛的临床应用仍有很大的差距， 些复杂器官，如肾脏替代研究仍有很长的路要走。 些复杂器官，如肾脏替代研究仍有很长的路要走。
三、组织工程学研究与经济发展 的关系
组织器官工程应用性极强，这归功于日益 组织器官工程应用性极强， 增长的社会对于再生医学类产品的需求。 增长的社会对于再生医学类产品的需求。 组织器官工程不仅是一门新兴的学科， 组织器官工程不仅是一门新兴的学科，而 且已经成为一门新兴产业。 且已经成为一门新兴产业。 组织工程产品在我国具有广阔的市场。 组织工程产品在我国具有广阔的市场。
组织工程学原理与技术
Principles and Protocols of Tissue Engineering
by Xi Mao Department of Histology and Embryology Medical School, Southeast University
第1讲 组织工程学概述
植物体细胞杂交 植物细胞A
植物体细胞杂 交是用两个来自于 不同植物的体细胞 融合成一个杂种细 胞，并且把杂种细 胞培育成新的植物 体的方法。（因为 不同种生物之间存 在着生殖隔离，所 以用传统的有性杂 交方法是不可能做 到这一点的）
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植物细胞B
去掉细胞壁
去掉细胞壁
原生质体A
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人造皮肤
29 5/26/2012 29
金属支架
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人造关节
31 5/26/2012 31
人工肝脏-血液透析(类似洗肝机)
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人类物质、文化生活水平的 提高，对损伤、疾病的治疗要求 越来越高，科技的发展，催生了 组织工程学，并促使其发展。组 织工程重建修复受损器官为什么 能进行，又是如何进行的呢？这 一点我们得从植物说起。
分子 (molecule) 細胞 (cell) 组织 (tissue) 器官 (organ) 系统 (system) 个体 (organism) 族 (population) 群落 (community) 生态系 (ecosystem)
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• 组织工程学是应用生命科学和工程学的 原理与方法，研究、开发用于修复、增 进或改善人体各种组织或器官损伤后的 功能和形态的一门学科。
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生物组成之阶层
(The hierarchy of biological order)
•分子 (molecule) •細胞 (cell) •组织 (tissue) •器官 (organ) •系统 (system) •个体 (organism) •族群 (population) • 群聚 (community) •生态系 48 (ecosystem)
生物医学中的组织工程与再生医学
生物医学中的组织工程与再生医学随着科技的不断进步，人们对于生命和健康的追求也越来越高。
生物医学是一门涵盖了生物学、医学、工程学等多个学科的交叉领域，其目的在于通过有效的手段来解决人类健康问题。
组织工程和再生医学是生物医学领域内的两个重要分支，其研究方向在于通过生物学和工程学的理论和实践技术，来对于疾病、损伤以及其他相关问题做出有效的治疗和诊断。
1. 组织工程组织工程指的是一种能够利用生物学、工程学和药理学等多种学科手段，来重建或修复人体组织的技术。
此类技术的核心在于借助人造材料、细胞以及其他生物学工程手段，来重建受损或缺失的组织结构和功能。
结构复杂的组织工程器械已经得到了广泛的研究，包括关节软骨、心肌、神经组织、肝脏、肾脏、血管等组织。
组织工程学的目标在于在受损组织的原位置上实现新陈代谢，并且保持由受损区域实现的正常组织结构。
组织工程技术的核心在于能够从患者的体内收取一定的细胞并培养它们，然后在细胞和载体之间进行整合，使得这些细胞能够在载体中生长和发展。
这些生长和发展的细胞被贴在加工的人造载体上，将组成一种有机化的构造，模拟自然医学中的真实组织。
随后，组织被植入到患者体内，而这种组织具有相同的特征和结构，从而和周围组织一起正常运作。
目前，组织工程方面已经取得了一些令人瞩目的成果。
比如说，在临床实践中，有人利用肝细胞组织工程技术来治疗肝病，从而达到肝化学和生理功能的有效恢复。
而通过生物打印技术，科学家们也已经成功地构建了植入人体的生物材料，该材料能够被人体器官所吸收，并且能够实现自活性。
重建关节并代替人工关节的新型人工软骨也在研发中。
2. 再生医学再生医学是一种能够利用生物、医学、工程学和基础科学等领域中所涉及到的理论和实践技术，来重建、修复、替代人体组织和器官的技术。
与组织工程类似，再生医学的另一个目标是传统医学难以实现的重建功能，而重建器官和组织的能力可以通过对再生医学科技的创新和发展而实现。
16 组织工程ppt课件
吸附法：将已预湿的支架材料置于培养皿中细胞悬液中或用滴管 将细胞液滴加在材料上，然后利用负压使细胞吸附在材料上。
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（二）细胞因子的控制释放 1.在支架材料构建时使细胞因子结合在支架材料 内部，并能缓慢释放。 2.包埋或者微囊化是目前控制细胞生长因子释放 的一个重要方法
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16.3 组织工程生物反应器
1.微重力旋转式生物反应器 （1）转壁式生物反应器：一般由两个 内外同心圆柱组成。内柱由半透膜构成 ，气体可通过膜交换。内外柱之间充以 连续灌注的培养介质。将细胞与培养液 置入内、外圆柱体。整个装置可以绕内 轴旋转，离心力与重力平衡，为细胞生 长提供一个微重力环境。 普通培养条件下只能呈二维贴壁生长的 哺乳动物细胞表现出三维增殖与分化形 成有功能的组织块。
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（三）生物人工肝
生物人工肝（Bioartificial liver）由肝 细胞、专用反应器和体外循环系统三 大部分组成，是将患者的血桨在体外 循环代谢的一种辅助装置。 由许多空心的纤维毛细管集束组成， 肝细胞在毛细管外空间培养或者粘附 在微载体上培养，患者血桨通过泵循 环进入毛细管，这样肝细胞和血桨间 分子可以自由交换，肝细胞吸收氧和 营养物，脱除血桨中的有害、有毒物 质，并将肝细胞代谢物质传输至血桨 内输送回体内。 提供肝细胞生长因子等生长因子在体 外维持正常功能。
（一）种子细胞 雪旺细胞(Schwann cell．SC)：SC形成能引 导再生轴突生长的Buengner氏细胞带，并能 分泌多种细胞因子调控再生轴突生长。
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（二）支架材料
目前比较常用的生物材料是聚 羟基乙酸(polyglyeolic acid．PGA)和聚乳酸 (polylactic acid．PLA)。 制成直线的丝状有利于SC排列 成线状，为形成Buengner氏细 胞带制造有利条件。 此外材料要及时降解，让位给 成长的有髓神经。
生物材料与组织工程学
生物材料与组织工程学是一门跨学科、交叉领域的学科，它将生物学、材料学、工程学等学科融合在一起，通过制作、改善和优化材料来促进生物组织的再生和修复，以实现医疗和生物工程领域的应用。
生物材料是指在医学、药学等领域中用来制作医疗器械、肋骨支架等的材料。
在过去，医学领域使用的材料主要是金属、塑料等基本材料，但其使用存在一些缺陷，如材料的稳定性差、组织容易发生排异等问题。
随着生物材料的不断发展，如生物陶瓷、氧化锆等，其应用范围不断拓宽。
组织工程学则是通过种植或注射一些生物组织、生物材料或细胞，使其与患者自身的组织或细胞相结合，实现组织的重建、修复或再生。
组织工程学是生物材料的一种重要应用与发展方向，它正以其独特的理念和方法，全面改变着人们对医学的认识和理解。
生物材料能够成为用于组织工程学的理想基质，使人体内的再生材料变得更加适合与新建的组织相结合。
生物材料的主要优点是材料成分相对稳定，人体排异反应小；且有一定的机械强度和生物相容性等优点。
生物材料有助于重建、修复或再生组织，同时还能够促进人体的免疫力和自身修复能力。
因此，在医疗领域中，生物材料的应用有着广泛的应用前景。
组织工程中最为广泛应用的一种生物材料是基于生物陶瓷的医用材料。
生物陶瓷是一种具有较好的生物相容性、生物渗透性和机械性能的材料。
在生物学上，生物陶瓷被广泛应用于良性骨肿瘤、关节置换等领域。
在组织工程学中，生物陶瓷在骨、牙、耳、暴发口等组织中的应用已趋于成熟。
在实践中，许多新型生物材料被研发出来，它们在应用中显示出了很好的应用效果。
例如，基于羟基磷灰石的生物材料，具有良好的生物相容性和生物相似性，能够促进骨内新生骨的形成。
与此同时，还有生物可降解聚合物材料，它能够颗粒分散在组织内，直到再生组织形成。
除此之外，纳米技术、生物芯片技术等已经成为生物材料和组织工程学研究中一个独特而重要的领域。
在基于纳米材料的研究中，极小的尺寸和悬臂使材料更能与人体细胞相结合。
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一）.种子细胞
种子细胞是组织工程研究的基础，也是制约组 织工程发展的瓶颈。 主要原因：
许多组织细胞（如软骨细胞、内皮细胞）的供体来源 和扩增能力均非常有限，无法通过取少量组织体外扩增细 胞来构建大块组织，很难实现“小损伤修复大缺损”的组 织工程基本设想。
干细胞来源广，增殖力强，又能定向诱导分化为多种 目的细胞并形成相应组织，因此，应用干细胞能够实现 “小损伤修复大缺损”的基本设想，这为解决组织工程种 子细胞问题提供了良好机遇。
皮下组织
组织工程皮肤
• 组织工程皮肤:由活性细胞接种在支架材料上形成的
组织工程化皮肤，有真皮层或同时具有真皮层和表皮层， 因此是一种活性生物敷料。
• 工程化皮肤结构需要复制的关键特性有：
①一种具有恰当帮助真皮修复和支持表皮生长能力的真 皮或者间质成分；
• 生长因子直接复合到支架上或者在支架构建之后再与其符 合；
• 在支架上同时移植能分泌生长因子的细胞。
3.组织工程研究方法
1）研究的核心内容：合适的种子细胞来源、可供细胞粘
附生长的生物支架(或细胞外基质)、用于促进组织再生长 因子和组织的相容性等问题。
2）利用组织工程方法生成活体替代组织或器官常可 使用
5.组织工程化皮肤及骨的应用及展望
目前组织工程技术可应用于复制各种组织，如肌肉、骨 骼、软骨、腱、韧带、人工血管和皮肤；生物人工器 官的开发，如人工胰脏、肝脏、肾脏等；人工血液的 开发；神经假体和药物传输等方面。
一）组织工程化皮肤 • 皮肤损伤主要是热损伤，仅在美国每年大约就有250
万人烧伤，其他原因包括慢性溃疡、创伤、皮肤肿瘤 切除或其他皮肤疾病。 • 传统的修复方法有：自体植皮、同种异体植皮、异种 植皮和人工合成代用品的应用。但存在供区不足、免 疫排斥及传播疾病等缺点。 • 目前，一种生长因子和几种皮肤替代物已经投放市场， 作为治疗难愈性溃疡的二线选择。
• 科学意义：不仅在于为解除病人痛苦提供了一种 新的治疗方法，更重要的是提出了复制“组织”、 “器官”的新思想，它标志着“生物科技人体时 代”的到来，是“再生医学的新时代”，是“一 场深远的医学革命。
2.组织工程的三要素
• 核心：构件由细胞和生物材料构成的三维复合体。 • 三要素：
种子细胞 生长因子 支架材料
3）支架材料 材料：钙磷材料、多聚物（合成的和自然的） 要求：微孔结构、化学组成、可降解、力学性能 作用： • 在结构上加强缺损部位的强度； • 阻碍周围组织长入； • 作为体外接种的细胞在体内扩增和增殖的支架； • 利用与细胞整合素以及受体的相互作用，作为一
种可溶的细胞功能调节因子； • 作为细胞、生长因子和基因的生物载体。
二.）支架
1）定义 能与组织活体细胞结合并能植入生物体的三维结
构体 2）支架材料最基本的特征 与活体细胞直接结合：羟基磷灰石（HAP）、聚乳
酸（PLA）、聚羟基乙酸（PGA）网、尼龙网 与生物系统结合：植入生物体的组织工程化软骨、
骨、肌腱、牙、肺、肝、肾等组织与机体的结合 具备细胞相容性和组织相容性（统称生物相容性）
各种各样的可生物降解材料已用作组织支架， 包括陶瓷和多聚物。 陶瓷主要用于骨组织工程，再次运用了羟基磷 灰石多孔配方以承载来源于骨膜或骨髓的骨祖细胞。 多聚物支架的典型形式：纤维网、多孔海绵或泡 沫、或是水合凝胶。在纤维网和泡沫中更常使用的 多聚物包括线形聚酯，例如，聚乙酸（PGA）、 聚乳酸（PLA）和聚已内酯（PCL）；聚乙二醇 （PEG）以及天然聚合物如胶原和透明质酸。
组织工程的三要素
支架
假体
种子细胞
生长因子
• 种子细胞——干细胞
• 支架：细胞立脚点的支撑体。人工细胞外基质称 为细胞增殖和分化的“立脚点”，例如，立体海 绵状骨胶原。
• 生长因子：让细胞增殖和分化的因子。要确保必 须的细胞立脚点，必须让细胞的数量大幅增加。 控制细胞分裂的是一种被称为“细胞增殖因子” 的蛋白质。源自三）.生长因子1）定义
在细胞间传递信息并对细胞生长具有调节功能的一些 多肽类物质，它可以促进或者抑制细胞的增殖、分化、迁 移和基因的表达。
2）分类
按受体的结构分类，成纤细胞生长因子（FGF）、表 皮细胞生长因子（EGF）和肝细胞生长因子（HGF）等
3）将生长因子用于组织工程技术中时，有两种不 同的方式：
1. 组织工程的概念
一）.提出
1984年华人学者冯元桢首次提出 组织工程的概念
Robert Langer教授和麻省理工大学 医学院的临床医生Joseph P Vcanti
正式提出组织工程的概念
1987年，美国国家科学院基金会在 加利福尼亚的Lake Tahoe举行的专 家讨论会上明确了组织工程的定义
二）.组织工程学定义：
运用工程科学和生命科学的原理及方 法，从根本上认识正常和病理的哺乳动 物组织和结构功能的关系，并研究生物 学的替代物，以恢复、维持和改进组织 的生物替代物的一门科学。
三）. 组织工程基本原理
• 应用工程学、生命科学和材料学的原理与方法， 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的功能。
皮肤的解剖生理学
• 皮肤依构造可分为表皮、 真皮及皮下组织,如图所 示。
• 表皮最主要的成分是角化 细胞，它们由细胞桥粒形 成互相结合的重叠结构， 使得细胞与细胞互相粘连。
• 真皮的主要细胞是成纤维 细胞，产生和维持大部分 细胞外基质。
角质层 透明层
颗粒层 表皮
棘层 基底层
（生发层）
乳头层 网织层 真皮
策略3
细胞分离
生物过程
微结构
策略1
体外培养扩增 种植到多孔支架 植入缺损部位
生物活性肽 多孔支架 策略2
培养6天
培养10天
PLA支架（灰色）+间充质干细胞（绿色）激光共聚焦显微镜照片
4.组织工程相关生物材料
组织工程相关的生物材料主要有两种： 天然的材料：胶原 合成聚合物：开始于20世纪80年代中期 优点： 1）生物相容性 2）可复制性 3）可生物降解 4）通过与多聚物结构一体化来连续地输送营养和激素