生命科学前沿-组织工程 PPT课件
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12组织工程讲义
种子细胞
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• 按发育状态分：胚胎干细胞、 按发育状态分：胚胎干细胞、成体干细胞 （ 1）胚胎干细胞 ， 是一种高度未分化细胞 。 从附置前早期胚胎内细胞团分 ） 胚胎干细胞，是一种高度未分化细胞。 离而得到，它具有发育的全能性，能分化出成体动物的所有组织和器官， 离而得到，它具有发育的全能性，能分化出成体动物的所有组织和器官，包 括生殖细胞。研究和利用ES细胞是当前生物工程领域的核心问题之一 细胞是当前生物工程领域的核心问题之一。 括生殖细胞。研究和利用 细胞是当前生物工程领域的核心问题之一。在未 来几年， 细胞移植和其它先进生物技术的联合应用很可能在移植医学领域 来几年，ES细胞移植和其它先进生物技术的联合应用很可能在移植医学领域 引发革命性进步。 引发革命性进步。 （2） 成体干细胞：成年动物的许多组织和器官，比如表皮和造血系统，具 ） 成体干细胞：成年动物的许多组织和器官，比如表皮和造血系统， 有修复和再生的能力。成体干细胞在其中起着关键的作用。在特定条件下， 有修复和再生的能力。成体干细胞在其中起着关键的作用。在特定条件下， 成体干细胞或者产生新的干细胞，或者按一定的程序分化， 成体干细胞或者产生新的干细胞，或者按一定的程序分化，形成新的功能细 从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。 胞，从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。
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生物材料和支架
• 一、生物材料在组织工程中起着替代细胞外基质或组织、器官的基质的作用。其主要功能包括以下两 生物材料在组织工程中起着替代细胞外基质或组织、器官的基质的作用。 点: 1、为体外构建工程组织或器官提供三维的细胞生长支架,使细胞间形成适宜的空间分布和细胞联系; 为体外构建工程组织或器官提供三维的细胞生长支架,使细胞间形成适宜的空间分布和细胞联系; 2、提供特殊的生长和分化信号,诱导细胞的定向分化和维持细胞分化。 提供特殊的生长和分化信号,诱导细胞的定向分化和维持细胞分化。 在组织工程研究中,寻找能充分发挥组织再生潜力的细胞外基质材料是核心内容。 在组织工程研究中,寻找能充分发挥组织再生潜力的细胞外基质材料是核心内容。
组织工程概述
微载体旳研制 自Van Wezel（1967年）用DEAE-Sephadex A 50 研制旳第一种微载体问世以来，国际市场上 出售旳微载体商品旳类型已经达十几种以上， 涉及液体微载体、大孔明胶微载体、聚苯乙烯 微载体、PHEMA微载体、甲壳质微载体、聚 氨酯泡沫微载体、藻酸盐凝胶微载体以及磁性 微载体等。
管状器官旳组织工程，如食道、气管、小肠、 肾脏、支气管等研究也进行了逐渐展开。
另外心瓣膜组织工程和血管组织工程旳研究 正处于开端旳阶段。
国外
组织工程旳提出和建立虽然只有10数年旳时间,但已 在国际上得到迅猛发展。在美国,组织工程研究开展 最早,进展较快。在80年代,美国首先由国家科学基金 组织资助建立了一系列组织工程试验室。1995年筹 建组织工程学会,并出版了正式刊物“组织工程学” 。美国集中了相当数量旳研究机构(涉及ＮＡＳＡ,Ｄ ＯＥ,ＮＩＨ)、大学(涉及ＭＩＴ,ＨＭＳ,ＧＩＴ,Ｕ ＣＳＤ等)企业(如Ｓａｎｄｏｚ,Ｏｒｇａｎｏｇｅ ｎｅｓｉｓ,Ａｄ ｖａｎｃｅｄ Ｔｉｓｓｕｅ等)。
1992年，Green将角质层细胞在一层3T3成纤 维细胞上进行培养，在无生物材料旳情况下， 细胞旳迅速增殖，取得人工皮肤（高级生物 敷料），用于烧伤旳治疗。
七、其他方面旳组织工程研究
实质性器官旳组织工程：此研究方面也取得 了很大旳发展，如肝脏、胰腺、胰岛等。尤 其是在胰岛组织工程研究中，采用内含胰岛 细胞旳微型胶囊进行体内植入试验，取得了 很好旳临床疗效，目前已出现了商品化。
组织工程
组织工程
一、组织工程研究概况 二、种子细胞 三、支架材料 四、生长因子 五、组织工程旳临床应用
组织工程一词最早是在1987年美国科学基金 会(ＮＳＦ)在华盛顿举行旳生物工程小组会上 提出。1988年,ＮＳＦ旳一种专门工作小组对 组织工程旳内涵作了如下界定:“应用工程科 学和生命科学旳原理和措施,认识哺乳动物正 常和病理组织与器官旳构造—功能关系,并开 发具有生物活性旳人工替代物,以恢复、维持 或改善组织、器官旳功能”
管状器官旳组织工程，如食道、气管、小肠、 肾脏、支气管等研究也进行了逐渐展开。
另外心瓣膜组织工程和血管组织工程旳研究 正处于开端旳阶段。
国外
组织工程旳提出和建立虽然只有10数年旳时间,但已 在国际上得到迅猛发展。在美国,组织工程研究开展 最早,进展较快。在80年代,美国首先由国家科学基金 组织资助建立了一系列组织工程试验室。1995年筹 建组织工程学会,并出版了正式刊物“组织工程学” 。美国集中了相当数量旳研究机构(涉及ＮＡＳＡ,Ｄ ＯＥ,ＮＩＨ)、大学(涉及ＭＩＴ,ＨＭＳ,ＧＩＴ,Ｕ ＣＳＤ等)企业(如Ｓａｎｄｏｚ,Ｏｒｇａｎｏｇｅ ｎｅｓｉｓ,Ａｄ ｖａｎｃｅｄ Ｔｉｓｓｕｅ等)。
1992年，Green将角质层细胞在一层3T3成纤 维细胞上进行培养，在无生物材料旳情况下， 细胞旳迅速增殖，取得人工皮肤（高级生物 敷料），用于烧伤旳治疗。
七、其他方面旳组织工程研究
实质性器官旳组织工程：此研究方面也取得 了很大旳发展，如肝脏、胰腺、胰岛等。尤 其是在胰岛组织工程研究中，采用内含胰岛 细胞旳微型胶囊进行体内植入试验，取得了 很好旳临床疗效，目前已出现了商品化。
组织工程
组织工程
一、组织工程研究概况 二、种子细胞 三、支架材料 四、生长因子 五、组织工程旳临床应用
组织工程一词最早是在1987年美国科学基金 会(ＮＳＦ)在华盛顿举行旳生物工程小组会上 提出。1988年,ＮＳＦ旳一种专门工作小组对 组织工程旳内涵作了如下界定:“应用工程科 学和生命科学旳原理和措施,认识哺乳动物正 常和病理组织与器官旳构造—功能关系,并开 发具有生物活性旳人工替代物,以恢复、维持 或改善组织、器官旳功能”
生命科学前沿讲座 PPT课件
Dicer belongs to the RNase III ribonuclease family. These nucleases cut specificly dsRNA and generate dsRNA products with 5’-phosphate and 3'-hydroxyl groups, and two nucleotide 3’ overhang termini. This enzyme family can be subdivided to three classes, based upon domain structure.
FLS Lecture 13 RNAi – 2006年诺贝尔奖成果
主讲教师：谢浩
2019/10/4
Wuhan University of Technology Xie H.
FLS 13 - 1
2019/10/4
Wuhan University of Technology Xie H.
FLS 13 - 2
• Transcriptional inhibitor
DNA Mutate gene or remove from genome
• Mutagenesis; targeted gene knockout (e.g. knockout mice)
Degrade the gene’s mRNA
• RNA interference
2006年诺贝尔生理学或医学奖得主
安德鲁·法尔
克雷格·梅洛
2019/10/4
Wuhan University of Technology Xie H.
FLS 13 - 3
2019/10/4
Wuhan University of Technology Xie H.
FLS Lecture 13 RNAi – 2006年诺贝尔奖成果
主讲教师：谢浩
2019/10/4
Wuhan University of Technology Xie H.
FLS 13 - 1
2019/10/4
Wuhan University of Technology Xie H.
FLS 13 - 2
• Transcriptional inhibitor
DNA Mutate gene or remove from genome
• Mutagenesis; targeted gene knockout (e.g. knockout mice)
Degrade the gene’s mRNA
• RNA interference
2006年诺贝尔生理学或医学奖得主
安德鲁·法尔
克雷格·梅洛
2019/10/4
Wuhan University of Technology Xie H.
FLS 13 - 3
2019/10/4
Wuhan University of Technology Xie H.
生命科学PPT课件
THANKS
感谢观看
生命科学的研究领域
分子生物学
分子生物学是研究生物大分子结构和功 能的学科，旨在揭示基因组、蛋白质组
等的奥秘。
遗传学
遗传学是研究生物遗传和变异的学科， 旨在揭示基因的本质和遗传规律。
细胞生物学
细胞生物学是研究细胞的结构、功能 和变化的学科，旨在揭示细胞生长、 分化、凋亡等的规律。
生态学
生态学是研究生物与环境相互关系的 学科，旨在揭示生态系统的结构和功 能。
生物工程应用
生物工程在医药、农业、工业和环保等领域有着广泛的应用前景，例如生物制药、生物 燃料和生物修复等。
人工智能在生命科学中的应用
要点一
人工智能技术
要点二
生命科学研究效率提升
人工智能在生命科学领域的应用包括机器学习、深度学习 和数据挖掘等，能够处理大规模数据和预测模型。
人工智能技术可以加速基因测序、蛋白质结构预测和药物 发现等过程，提高生命科学研究的效率和准确性。
物种起源与演化
物种形成
探讨物种如何通过遗传变异和自然选择形成新的物种，包括生殖 隔离机制和物种形成的模式。
生物演化历程
介绍地球上生命演化的历史，包括古生物化石记录和生物地层学的 研究成果。
化石记录的不完整性
说明化石记录的不完整性对理解物种演化的影响，以及如何通过比 较解剖学和胚胎发育的研究来弥补这一缺陷。
基因
基因是DNA分子上的特定片段，负责 编码特定的蛋白质或RNA分子，对生 物体的性状和功能起着决定性作用。
细胞器与细胞
细胞器
细胞器是细胞内的重要结构，包括线粒体、内质网、高尔基体等，它们各自承 担着不同的生理功能，共同维持细胞的正常运转。
细胞
生物科学前沿ppt课件
⑥《NEW PHYTOLOGIST 》
⑦ 《 PLANT BIOTECHNOLOGY JOURNAL》 ⑧ 《植物学报》
⑨ 《生态学报》
⑩ 《遗传学报》
⑩ 《动物学报》 ⑩ 《生理学报》
专题 一
植物学研究新进展
植物学研究趋势与进展
植物通过提供基本的营养、能量等维持人类的健康，是 人类赖以生存的根本。 面对世界人口的日趋增长（2050年，世界人口的数量 将从目前的60亿增加到90亿），日益增长的世界需求，深入 地了解植物的发育和生长对世界的未来至关重要。
贮藏蛋白
（4）目前植物系统进化与分类热门议题：
（1）植物分类，资源采集和数据库建立； （2）系统发育学，系统发育基因组学； （3）生物地理学和谱系地理学；
（4）物种形成，杂交和适应进化；
（5）分子进化，进化遗传学，进化基因组学和进化发育。
…….
2.植物传粉机制研究进展
传粉（pollination）：成熟花粉从雄蕊花药或小孢子囊中散。
黄花大苞姜适应于花粉流动的自花授 粉机制在花的形态和开花特征上都有 所变化。花粉成油质粘液浆状，由粘 丝连接成链珠状。花粉粒表面光滑并 延长成长椭圆球形。柱头呈扁喇叭形， 其中与花药紧贴面凹陷，较其他地方 位臵低，有助于花粉浆团流入其中。 柱头上和花药面均长有毛，朝向柱头 方向，有助于引导花粉浆团流向柱头。
课程内容：
生物科学研究进展
专题 1 专题 2 专题 3 专题 4 植物学研究进展 遗传学研究进展 生理学研究进展 生态学研究进展
专题 5
专题 6 专题 7 专题 8
微生物研究进展
神经生物学研究进展 动物学研究进展 发育生物学研究进展
专题 9
专题10 专题11 专题12
组织工程
• （1） 有一定机械强度以支撑组织的高强度材料，以保证材料 植入人体后，有支撑体的重量，不改变骨骼形状。
• （2） 有一定生物活性可诱导细胞生长、分化，并可被人体降 解吸收
– 分为两类，即生物降解和非生物降解型
• 高聚物（碳素纤维，涤纶，特氟隆），金属材料（不锈钢，钴 基合金，钛合金），生物惰性陶瓷（氧化铝，氧化锌，碳化 硅），生物活性陶瓷（生物玻璃，羟基磷灰石，磷酸钙）等
组织工程支架材料
▪ 一、骨组织工程支架材料 ▪ 二、神经组织工程支架材料 ▪ 三、血管组织工程支架材料 ▪ 四、肌腱组织工程支架材料 ▪ 五、皮肤组织工程支架材料 ▪ 六、 角膜组织工程支架材料 ▪ 七、 肝、胰、肾、泌尿系统组织工程支架
材料
组织工程支架材料
▪ 骨组织工程支架材料
– 必须具备以下两个功能
组织工程研究内容
▪ 组织工程研究包括以下四个方面
– 种子细胞研究 – 细胞外基质的研究 – 组织器官的构建 – 组织工程临床应用
组织工程研究内容
▪ 种子细胞研究
– 种子细胞的培养是组织工程的基本要素，细胞主要来 源于自体、同种异体、异种组织细胞等。自体组织细 胞应为首选
• 1．载体等技术用于细胞的快速增殖 • 2．干细胞工程 • 3．采用各种生长因子和端粒酶调节与延缓细胞的老化 • 4．采用各种方法（包括自身转化、化学、物理、病毒等方法）
组织工程支架材料
▪ 肌腱组织工程支架材料
– 肌腱与韧带组织中的功能细胞分别是肌腱细胞和成纤 维细胞，二者在组织来源上均属成纤维细胞型，但肌 腱细胞分泌Ｉ型胶原，而成纤维细胞分泌Ｉ、Ⅱ型胶 原。因此，肌腱组织支架材料必须可降解，但一定要 是降解时间较长的材料。
– 类型：20世纪70年代肌腱支架材料一般使用硅橡胶、 尼龙聚酯、碳纤维等，目前使用的多是聚酯聚二氧杂 环烷等。
• （2） 有一定生物活性可诱导细胞生长、分化，并可被人体降 解吸收
– 分为两类，即生物降解和非生物降解型
• 高聚物（碳素纤维，涤纶，特氟隆），金属材料（不锈钢，钴 基合金，钛合金），生物惰性陶瓷（氧化铝，氧化锌，碳化 硅），生物活性陶瓷（生物玻璃，羟基磷灰石，磷酸钙）等
组织工程支架材料
▪ 一、骨组织工程支架材料 ▪ 二、神经组织工程支架材料 ▪ 三、血管组织工程支架材料 ▪ 四、肌腱组织工程支架材料 ▪ 五、皮肤组织工程支架材料 ▪ 六、 角膜组织工程支架材料 ▪ 七、 肝、胰、肾、泌尿系统组织工程支架
材料
组织工程支架材料
▪ 骨组织工程支架材料
– 必须具备以下两个功能
组织工程研究内容
▪ 组织工程研究包括以下四个方面
– 种子细胞研究 – 细胞外基质的研究 – 组织器官的构建 – 组织工程临床应用
组织工程研究内容
▪ 种子细胞研究
– 种子细胞的培养是组织工程的基本要素，细胞主要来 源于自体、同种异体、异种组织细胞等。自体组织细 胞应为首选
• 1．载体等技术用于细胞的快速增殖 • 2．干细胞工程 • 3．采用各种生长因子和端粒酶调节与延缓细胞的老化 • 4．采用各种方法（包括自身转化、化学、物理、病毒等方法）
组织工程支架材料
▪ 肌腱组织工程支架材料
– 肌腱与韧带组织中的功能细胞分别是肌腱细胞和成纤 维细胞，二者在组织来源上均属成纤维细胞型，但肌 腱细胞分泌Ｉ型胶原，而成纤维细胞分泌Ｉ、Ⅱ型胶 原。因此，肌腱组织支架材料必须可降解，但一定要 是降解时间较长的材料。
– 类型：20世纪70年代肌腱支架材料一般使用硅橡胶、 尼龙聚酯、碳纤维等，目前使用的多是聚酯聚二氧杂 环烷等。
第六章组织工程的研究与进展113页PPT
利用细胞因子来促进种子细胞 的分化与增殖，虽是很有效的 技术手段，但要成功地运用自 如尚有相当多的问题需要研究 加以解决。
４.培养的生物环境
目前许多研究者强调组织工程 中细胞培养与扩增，应当是三 维，因此推崇采用微重力效应 下，细胞与组织三维培养技术。
我们应当看到人体的细胞的种 类是非常多的，不同组织与器 官所在的生理环境（包括力学 环境）千差万别。因此，在某 些特定环境中应用的组织只有 在特定的环境条件下培养才能 符合临床应用的要求。
（３）抗压强度差。大多数ＰＬＡ与 ＰＧＡ无纺布支架均有抗压强度差的 问题。除了上述介绍的脂肪族聚酯可 降解高分子材料及其复合物外，文献 中还报道采用聚偶磷氮 （Polyphosphazenes）、聚原酸 酯（Polyorthoesters,POE)、聚 氨基酸 （PolyaminoAcid)|bctisgxjrnpv sgxj(Polyesterurethane)等。
（１）亲水性差，细胞粘附、 生长增殖受阻。如：ＰＬＡ包 埋的ＰＧＡ无纺纤维支架由于 亲水性差，细胞吸附力弱，满 足不了组织工程研究的要求。
（２）引起无菌性炎症。ＰＬ Ａ与ＰＧＡ在临床应用中发现 约有８％左右患者出现非特异 性无菌性炎症。平均分子量低 于２万时发病率增长，使用高 分子量的ＰＬＡ只能迟缓而不 能消除此种并发症的发生。
动物细胞是存量充足的可靠细 胞来源之一，但动物细胞在人 体内会引起免疫排斥反应导致 安全性的问题。
采用转基因等生物技术可使动 物携有人类的基因以减少甚至 避免免疫排斥反应。但更严峻 的问题是动物体内的一些病毒 会导致人类的一些新的疾患的 产生。
有一些国家政府就明令禁止实 施异种植入人体。实际上，对 科学家来说重要的是要解决防 止动物病毒传染人类的问题， 一旦异种细胞植入的安全性问 题获得解决，相信这些国家政 府的禁令亦会逐步取消。但目 前尚有较大的难度。
生命科学技术选讲PPT课件教学教材
运
动
力学仿生
生物与飞机 昆虫与飞机
飞机仿造蜻蜓的翅膀配重防止振颤
力学仿生
生物与建筑 薄壳结构
澳 大 利艺 亚术 悉珍 尼品 歌 剧 院
—
力学仿生
生物与建筑 舱体结构
东 京 中 银 舱 体 楼
力学仿生
生物与建筑 圆顶屋
未美 来国 世佛 界罗 博里 物达 馆的
化学仿生
一、人工嗅觉 二、仿生物膜
生物医学材料
腐蚀和降解
腐蚀是生物医用金属材料在机体内的重要反 应，它实质上是一种电子迁移的电化学反应。
均匀腐蚀 电蚀 缝隙腐蚀 点蚀
腐
晶间腐蚀
蚀 的
浸析腐蚀
类 型
冲蚀
应力和疲劳腐蚀
生物医学材料
影
植入物的组成成分
力学仿生
生物与造船 体形的模仿
力学仿生
生物与造船 体形的模仿
俄罗斯海军新型核潜艇
力学仿生
生物与造船 结构的模仿
模仿鲸的胸鳍给船装上了船鳍
力学仿生
生物与造船 结构的模仿
模仿鱼和鲸体表粘液合成了几种人工 粘液，以减小湍流。
力学仿生
生物与造船 结构的模仿
潜水艇在航行时会 造成巨大的湍流
海豚游泳时身 边的水流很小
生物医学材料
生物医用复合材料
由两种或两种以上不同材料复合而成的生物 医学材料。如医用高分子材料、医用金属和合 金以及生物陶瓷既可作为生物医用复合材料的 基材，又可作为其增强体或填料。
主要用于修复或替换人体组织、器官或增进 其功能以及人工器官的制造。
生物医学材料
生物衍生材料
由经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医 学材料，这是一种无生命活力的材料。
生命科学及其前沿领域精品PPT课件
什
么 人体表面覆盖着皮肤、皮肤里是肌肉和骨骼。人体
中无论是坚硬的骨，还是柔软的脑和其他内脏，都是由 细胞构成的。细胞是人体的结构和功能的基本单位。
是
人 肌肉组织可以分为骨骼肌、平滑肌（器官内）和心
肌。人体的八大系统：
运动系统————运动、支持和保护
的
循环系统————运输体内物质（血液和淋巴）
生
消化系统————消化食物和吸收营养 呼吸系统————呼入氧气和呼出二氧化碳
1、新陈代谢的概念
新陈代谢——人体与外界环境之 间的物质和能量的交换，遗迹人体内 物质和能量的转换过程。通俗地说是 新旧交换的意识。新陈代谢是人和生 命维持生命活动的基本条件，是生命 的基本特征。
在新陈代谢的基础上，人和生物 才能表现出生长、发育、生殖、遗传 和变异等形态。
新陈代谢主要靠神经和激素调节。
人类生命的发展历程
人类是38亿年前开始，由水中的原生物发展 起来的，先变成类似鱼型的动物；再发展成可以 爬行的类似鳄鱼型的两息动物；大约在25亿年前， 人类完成了“最后一跳”来到了陆地上生活。
恩格斯说：“是劳动改变创造了人本身”劳 动创造了语言、文化、科学、技术。
最近，美国科学家研究“是直立行走决定人 类语言的进化”。四足动物运动中不能发音。
生命科学及其前沿发展
生命科学及其前沿发展
一、生命科学的基础研究 二、人类基因的基本知识 三、生命科学的前沿发展
一、生命科学的基础研究
〈一〉生命的起源 〈二〉细胞生物学和干细胞 〈三〉遗传和进化
“什么是生命”？
生命是新陈代谢的过程。生命信息的储存，是生命 的重要特点之一，它有记忆功能。那么它的储存的单位， 实际上就是我们说的基因，在绝大部分的生命体我们知 道，它的载体是脱氧核糖核酸DNA。但是它的执行单位， 主要来说是蛋白质。记忆有两种：陈述性记忆和程序性 记忆。程序性记忆一般不容易忘记。
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• 细胞增殖速率、细胞存活期、细胞冻存与复苏、培 养细胞与体内生长细胞间的差异等
• 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 • 功能细胞的生长繁殖与应力等物理因素的关系
2009.11.18
14
xiongyanfei
• 组织工程是近年来正在兴起的一门多学科交叉的边缘学科， 属于生物高技术范畴，它融合了细胞生物学、工程科学、 材料科学和外科学等多个学科，必将促进和带动相关高技 术领域的交叉、渗透和发展，并由此衍生出新的高技术产 业。
• 组织工程的概念一提出，就受到各国学者的广泛关注，目 前，美国已有相当数量的研究机构（包括NASA、DOE、 NIH等），许多相关大学（包括MIT、HMS、GIT、UCSD、 UMASTFFU）都参与了组织工程的研究。我国也掀起了一 股组织工程热，目前已在软骨、骨、肌腱、血管、皮肤、 角膜等领域取得了可喜的进展。
2009.11.18
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xiongyanfei
• 基质细胞包括其他的疏松结缔组织细胞，在细 胞复合培养中充当“饲养”细胞的作用。基质 提供复合培养的支架，种植并生长于其中的基 质细胞分泌生长因子，以保证种子细胞增殖并 使细胞培养长期维持。
织类型广泛，理论上讲它能分化为所有的间充质组
织类型，如：软骨、脂肪、肌肉及肌腱等。
• 目前用于分离MSC的方法主要有：密度法三种。
2009.11.18
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3.1.3 内皮细胞：
• 内皮细胞应用于组织工程构建，在技术上经历了三 个发展阶段：静脉内皮细胞单期种植；微血管内皮 细胞单期种植；自体内皮细胞扩增培养种植。 Munerett等对动脉和毛细血管系统来源的内皮 细胞进行了研究，发现主动脉内皮细胞所形成的毛 细血管结构比其他两种细胞形成的结构更稳定持久， 更适合成为组织工程种子细胞来源，但是主动脉组 织在临床难以获取，最终应用存在一定问题。
c
图c. 人表皮干细胞培 养10d时基本融合 (×400)
12
xiongyanfei
图1 原代培养的人羊膜间充质 细胞形态特征(×100)
图2 原代人羊膜间充质细胞表达波形蛋 白（免疫细胞化学染色，×400）
2009.11.18
13
xiongyanfei
3.2 种子细胞的体外培养
种子细胞体外培养时存在多问题，需要考虑各 种影响因素。
3.2.1 培养细胞的生存期
• 培养细胞的生存期指细胞在连续传代情况下生存的 时间，一般用能传多少代表示。正常细胞都有有限 的生存期。如培养的肌腱细胞生存期为13代，软骨 细胞为6代，成纤维细胞能传50代。细胞到生存期 的末代，表现出细胞生长缓慢或不增殖甚至死亡。
• 因此，若要保存某细胞，则要在该细胞传代培养的 旺盛时期进行冻存。目前世界上常用细胞均在10代 内冻存。
2009.11.18
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1.2组织工程学的发展
• 组织工程学的建立和发展与很多因素有关： ①随着人类物质、文化生活水平的提高，对损伤、疾病的治疗
要求越来越高，不仅要求治好伤、病，还要求良好的功能及 完美的外形，需要寻找新的治疗途径。 ②科学技术总体水平的提高，如完善的细胞培养技术和可控降 解的高分子材料的问世，为体外构建“组织”、“器官”提 供了条件 ③高、新技术的开发与利用是组织工程学研究的基础，如基因 工程技术、免疫隔离技术等为改造细胞提供了新方法。 ④巨大的市场需求为组织工程学发展注入了动力。众多的投资 公司注入大量资本进行组织工程学研究。这些是组织工程学 研究发展的基础与动力。
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3.1 种子细胞来源
3.1.1 胚胎干细胞（ESC）:
• 存在于哺乳动物发育早期胚胎中的（着床前）多能 干细胞，具有持续增殖而不分化的能力以及经诱导 后可分化形成一个成熟个体中所有类型细胞的潜能。
• 细胞定向分化的尝试在动物中已取得了可喜结果， 神经元细胞、造血细胞以及心肌细胞已在体外获得。
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3.2.3 体外培养细胞与体内细胞存在差异
• 由于体外模仿的技术尚不十分完善，因此目前 培养细胞与体内细胞仍然存在着差异。
• 按照组织工程的需要，可将差异分为两类：功 能差异和生长、增殖差异。
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功能差异
• 细胞体外培养的功能差异指在体外培养条件下， 细胞降低甚至丧失了其在体内的合成、分泌等功 能，即细胞的分化特性减弱或不显著。
• 细胞的三维培养是指细胞在模拟体内细胞的化 学、物理和生物学条件下，在三维基质支架中 进行培养。
• 考虑到体内细胞生长的多因素影响及多细胞相 互作用，细胞的复合培养除种子细胞与支架材 料的复合外，还包括多种细胞的复合，如种子 细胞与基质细胞复合培养
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• 组织工程细胞技术可分为三类：①分别提取、分 别培养、分层种植。如对内皮细胞和间质细胞分 别提取，各自培养，种植时先种间质细胞再种内 皮细胞。②混合提取、分别培养、分层种植。一 起提取内皮细胞和间质细胞，体外将细胞分离， 分别培养扩增，分层种植。③混合提取、联合培 养、混合种植。两种细胞一并提取，不分离，联 合培养，并一齐无序地种植到支架表面。至于哪 种方法较好，目前尚无定论。
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xiongyanfei
3 种子细胞研究
• 种子细胞的培养是组织工程的基本要素，细胞主要 来源于自体、同种异体、异种组织细胞等。自体组 织细胞应为首选。
• 现在的研究多集中于以下的几个方面： • 载体等技术用于细胞的快速增殖 • 干细胞工程 • 采用各种生长因子和端粒酶调节与延缓细胞的 老化 • 采用各种方法（包括自身转化、化学、物理、 病毒等）诱导细胞发生转化，使其倍增时间减 少，永生化或生命期延长.
组织工程
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目录
• 组织工程学及其发展 • 组织工程研究内容 • 组织工程种子细胞研究 • 组织工程支架材料 • 组织器官的构建 • 组织工程面临的挑战
2009.11.18
2
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1.组织工程学及其发展
1.1 组织工程学概念
• “组织工程学”概念是1987年Robert Langer和Joseph P Vacanti在由美国科学基金会举办的生物工程小组会上首次提 出的，1988年正式定义。
• 要细胞保持其功能就必须尽可能地模仿体内环境，在 保持细胞功能的基础下，为了适应组织工程的需要， 还需不断摸索新的培养方法，使细胞增殖更快，并且 在应力等物理条件下三维生长，以达到构建活材料的 目的。
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3.3 细胞与材料复合的三维培养
• 细胞在体内所处的化学和物理环境非常复杂， 完全不同于体外普通的单层细胞培养。
• 细胞的增殖和分化是细胞生命进程中所获得的基本属 性。增殖使细胞数量增多，分化使机体结构和功能多 样化，表现在细胞与细胞之间呈现高度的相互依存性 和个体细胞相对失去独立性。
• 细胞由体内移至体外培养，在适宜的条件下，其增殖 能力得以提高，同时由于人为控制条件，细胞的分化 功能得以保留，这是组织工程构建活材料的基础。
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组织工程研究内容
• 组织工程的核心 • 建立细胞与生物材料的三维空间复合体，即具 有生命力的活体组织，用以对病损组织进行形 态、结构和功能的重建并达到永久性替代
• 基本原理和方法 • 将体外培养扩增的正常组织细胞，吸附于一种 生物相容性良好并可被机体吸收的生物材料上 形成复合物，将细胞-生物材料复合物植入机 体组织、器官的病损部位，随着生物材料逐渐 被机体降解吸收，细胞生长、繁殖、分化形成 在形态和功能上与相应器官、组织一致的新的 组织，达到修复创伤和重建功能的目的。
• 体内绝大多数功能细胞是高分化细胞，或称特化 细胞，某一功能高度发达而其他分化潜能相对丧 失的细胞，通常代谢相对缓慢，不增殖或增殖十 分缓慢，如肌腱细胞。在体外培养条件下，这些 不增殖或增殖缓慢的细胞都可以在培养基中成倍 的增长甚至传代，这无疑给组织工程大量繁殖细 胞带来了方便。
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• 众多细胞培养实践表明，细胞生物学及形态的改变 程度取决于细胞生存环境因素改变的大小，即体外 培养环境接近体内的程度。培养条件越接近，则细 胞的生物学行为越接近体内细胞。因此，目前在组 织工程研究过程中必须进一步弄清体内细胞间的相 互关系。
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体内外细胞增殖分化差异与组织工程的关系
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2.组织工程研究内容
• 组织工程研究包括以下四个方面 • 种子细胞研究 • 细胞外基质的研究 • 组织器官的构建 • 组织工程临床应用
• 此外，还须同时进行一下研究 • 检测方法及检验标准。 • 临床验证方法及策略研究。 • F产业化研究。
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3.1.4 成纤维细胞：来源广泛数量相对较多，便于
体外培养与扩增。
3.1.5 各种成体干细胞
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a
图a.贴壁筛选的人表皮干细胞 接种后呈圆形，细胞体积较小， 折光性较强（×400）；
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图b.人表皮干细胞培养
3d时呈明显克隆性生长
(×400)；
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塑料培养板表面的细胞，它具有向骨、软骨、脂肪、
肌肉及肌腱等组织分化的潜能。
• 在机体内MSC存在于许多组织中，尤以骨髓中最
多.
• 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 • 功能细胞的生长繁殖与应力等物理因素的关系
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• 组织工程是近年来正在兴起的一门多学科交叉的边缘学科， 属于生物高技术范畴，它融合了细胞生物学、工程科学、 材料科学和外科学等多个学科，必将促进和带动相关高技 术领域的交叉、渗透和发展，并由此衍生出新的高技术产 业。
• 组织工程的概念一提出，就受到各国学者的广泛关注，目 前，美国已有相当数量的研究机构（包括NASA、DOE、 NIH等），许多相关大学（包括MIT、HMS、GIT、UCSD、 UMASTFFU）都参与了组织工程的研究。我国也掀起了一 股组织工程热，目前已在软骨、骨、肌腱、血管、皮肤、 角膜等领域取得了可喜的进展。
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• 基质细胞包括其他的疏松结缔组织细胞，在细 胞复合培养中充当“饲养”细胞的作用。基质 提供复合培养的支架，种植并生长于其中的基 质细胞分泌生长因子，以保证种子细胞增殖并 使细胞培养长期维持。
织类型广泛，理论上讲它能分化为所有的间充质组
织类型，如：软骨、脂肪、肌肉及肌腱等。
• 目前用于分离MSC的方法主要有：密度法三种。
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3.1.3 内皮细胞：
• 内皮细胞应用于组织工程构建，在技术上经历了三 个发展阶段：静脉内皮细胞单期种植；微血管内皮 细胞单期种植；自体内皮细胞扩增培养种植。 Munerett等对动脉和毛细血管系统来源的内皮 细胞进行了研究，发现主动脉内皮细胞所形成的毛 细血管结构比其他两种细胞形成的结构更稳定持久， 更适合成为组织工程种子细胞来源，但是主动脉组 织在临床难以获取，最终应用存在一定问题。
c
图c. 人表皮干细胞培 养10d时基本融合 (×400)
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图1 原代培养的人羊膜间充质 细胞形态特征(×100)
图2 原代人羊膜间充质细胞表达波形蛋 白（免疫细胞化学染色，×400）
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3.2 种子细胞的体外培养
种子细胞体外培养时存在多问题，需要考虑各 种影响因素。
3.2.1 培养细胞的生存期
• 培养细胞的生存期指细胞在连续传代情况下生存的 时间，一般用能传多少代表示。正常细胞都有有限 的生存期。如培养的肌腱细胞生存期为13代，软骨 细胞为6代，成纤维细胞能传50代。细胞到生存期 的末代，表现出细胞生长缓慢或不增殖甚至死亡。
• 因此，若要保存某细胞，则要在该细胞传代培养的 旺盛时期进行冻存。目前世界上常用细胞均在10代 内冻存。
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1.2组织工程学的发展
• 组织工程学的建立和发展与很多因素有关： ①随着人类物质、文化生活水平的提高，对损伤、疾病的治疗
要求越来越高，不仅要求治好伤、病，还要求良好的功能及 完美的外形，需要寻找新的治疗途径。 ②科学技术总体水平的提高，如完善的细胞培养技术和可控降 解的高分子材料的问世，为体外构建“组织”、“器官”提 供了条件 ③高、新技术的开发与利用是组织工程学研究的基础，如基因 工程技术、免疫隔离技术等为改造细胞提供了新方法。 ④巨大的市场需求为组织工程学发展注入了动力。众多的投资 公司注入大量资本进行组织工程学研究。这些是组织工程学 研究发展的基础与动力。
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3.1 种子细胞来源
3.1.1 胚胎干细胞（ESC）:
• 存在于哺乳动物发育早期胚胎中的（着床前）多能 干细胞，具有持续增殖而不分化的能力以及经诱导 后可分化形成一个成熟个体中所有类型细胞的潜能。
• 细胞定向分化的尝试在动物中已取得了可喜结果， 神经元细胞、造血细胞以及心肌细胞已在体外获得。
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3.2.3 体外培养细胞与体内细胞存在差异
• 由于体外模仿的技术尚不十分完善，因此目前 培养细胞与体内细胞仍然存在着差异。
• 按照组织工程的需要，可将差异分为两类：功 能差异和生长、增殖差异。
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功能差异
• 细胞体外培养的功能差异指在体外培养条件下， 细胞降低甚至丧失了其在体内的合成、分泌等功 能，即细胞的分化特性减弱或不显著。
• 细胞的三维培养是指细胞在模拟体内细胞的化 学、物理和生物学条件下，在三维基质支架中 进行培养。
• 考虑到体内细胞生长的多因素影响及多细胞相 互作用，细胞的复合培养除种子细胞与支架材 料的复合外，还包括多种细胞的复合，如种子 细胞与基质细胞复合培养
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• 组织工程细胞技术可分为三类：①分别提取、分 别培养、分层种植。如对内皮细胞和间质细胞分 别提取，各自培养，种植时先种间质细胞再种内 皮细胞。②混合提取、分别培养、分层种植。一 起提取内皮细胞和间质细胞，体外将细胞分离， 分别培养扩增，分层种植。③混合提取、联合培 养、混合种植。两种细胞一并提取，不分离，联 合培养，并一齐无序地种植到支架表面。至于哪 种方法较好，目前尚无定论。
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3 种子细胞研究
• 种子细胞的培养是组织工程的基本要素，细胞主要 来源于自体、同种异体、异种组织细胞等。自体组 织细胞应为首选。
• 现在的研究多集中于以下的几个方面： • 载体等技术用于细胞的快速增殖 • 干细胞工程 • 采用各种生长因子和端粒酶调节与延缓细胞的 老化 • 采用各种方法（包括自身转化、化学、物理、 病毒等）诱导细胞发生转化，使其倍增时间减 少，永生化或生命期延长.
组织工程
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目录
• 组织工程学及其发展 • 组织工程研究内容 • 组织工程种子细胞研究 • 组织工程支架材料 • 组织器官的构建 • 组织工程面临的挑战
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1.组织工程学及其发展
1.1 组织工程学概念
• “组织工程学”概念是1987年Robert Langer和Joseph P Vacanti在由美国科学基金会举办的生物工程小组会上首次提 出的，1988年正式定义。
• 要细胞保持其功能就必须尽可能地模仿体内环境，在 保持细胞功能的基础下，为了适应组织工程的需要， 还需不断摸索新的培养方法，使细胞增殖更快，并且 在应力等物理条件下三维生长，以达到构建活材料的 目的。
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• 细胞在体内所处的化学和物理环境非常复杂， 完全不同于体外普通的单层细胞培养。
• 细胞的增殖和分化是细胞生命进程中所获得的基本属 性。增殖使细胞数量增多，分化使机体结构和功能多 样化，表现在细胞与细胞之间呈现高度的相互依存性 和个体细胞相对失去独立性。
• 细胞由体内移至体外培养，在适宜的条件下，其增殖 能力得以提高，同时由于人为控制条件，细胞的分化 功能得以保留，这是组织工程构建活材料的基础。
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• 组织工程的核心 • 建立细胞与生物材料的三维空间复合体，即具 有生命力的活体组织，用以对病损组织进行形 态、结构和功能的重建并达到永久性替代
• 基本原理和方法 • 将体外培养扩增的正常组织细胞，吸附于一种 生物相容性良好并可被机体吸收的生物材料上 形成复合物，将细胞-生物材料复合物植入机 体组织、器官的病损部位，随着生物材料逐渐 被机体降解吸收，细胞生长、繁殖、分化形成 在形态和功能上与相应器官、组织一致的新的 组织，达到修复创伤和重建功能的目的。
• 体内绝大多数功能细胞是高分化细胞，或称特化 细胞，某一功能高度发达而其他分化潜能相对丧 失的细胞，通常代谢相对缓慢，不增殖或增殖十 分缓慢，如肌腱细胞。在体外培养条件下，这些 不增殖或增殖缓慢的细胞都可以在培养基中成倍 的增长甚至传代，这无疑给组织工程大量繁殖细 胞带来了方便。
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体内外细胞增殖分化差异与组织工程的关系
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• 组织工程研究包括以下四个方面 • 种子细胞研究 • 细胞外基质的研究 • 组织器官的构建 • 组织工程临床应用
• 此外，还须同时进行一下研究 • 检测方法及检验标准。 • 临床验证方法及策略研究。 • F产业化研究。
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体外培养与扩增。
3.1.5 各种成体干细胞
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3d时呈明显克隆性生长
(×400)；
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塑料培养板表面的细胞，它具有向骨、软骨、脂肪、
肌肉及肌腱等组织分化的潜能。
• 在机体内MSC存在于许多组织中，尤以骨髓中最
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