组织工程学-第十章
组织工程学期末复习重点
组织工程学第一章★1.组织工程学的定义组织工程学是应用生命科学和工程学的原理与方法，在正确认识哺乳动物的正常和病理状态下组织结构与功能特点的基础上，研究、开发用于人体各种组织或器官损伤后的器官修复和重建的生物替代物，从而恢复人体器官正常的功能和形态结构的一门新兴科学2.组织工程学的研究策略和方法（1）研究策略：3•将患者或捐献人体上新分离或培养的细胞及细胞群体注入受伤组织或可降解支架中，形成组织复合物后再植入体内，进行器官重塑•首先将细胞与支架在体外联合培养产生活的器官，构建成人体需要的活器官，然后再植入动物或人体内，修复欠缺或代替缺损组织•组织的原位再生。
直接将支架植入到损伤部位，依靠体内自身细胞的迁移进行重建局部组织，实现活体内器官或组织的自身修复（2）常用的组织器官修复方法 3•同种异体器官移植•自体组织移植•人工合成组织代用品3.组织工程学研究的基本问题（1）种子细胞的研究种子细胞的类型自体细胞、同种异体细胞、胚胎干细胞、异体细胞补：种子细胞来源及调控补：生物因子（2）支架的研究支架的重要性细胞培养的过程就是种子细胞与支架的融合并获得生长的过程，其中支架是细胞停泊和生长的支撑和环境，获得好的支架材料是细胞培养能否成功的关键之一支架的要求：7①生物相容性好、无致毒性，无致炎症反应和无致畸致癌的作用②体内降解速度与组织构建同步、产物无害、能完全被吸收或排出体外、不在体内残留③有一定的力学强度④可塑性好⑤材料的孔径和孔隙率适度，微孔分布与走向符合器官力学特点、生长规律并配布均衡⑥材料具有适宜及诱导组织再生能力⑦细胞与支架无严重的相互作用6.常用术语：细胞类术语细胞周期、分化、染色体、成体干细胞,细胞周期依赖性蛋白激酶,脑源性神经生长因子,骨形态形成蛋白,细胞周期依赖性蛋白激酶,细胞因子,多能干细胞第二章种子细胞种子细胞的基本要求①采用非侵袭手段或微创手段即可获得；②分裂增殖能力强；③功能旺盛；④无或仅有极微弱的免疫排斥反应；⑤能连续传代，并且传代培养后不发生形态、功能及遗传物质的改变。
组织工程精品PPT课件
关于组织工程
工程师：研究人体组织的力学特性，然后利用这些特 殊性质设计一个有限元的数学模型，预测组织器官如 何随年龄及其它条件变化。 外科医生：寻找一类新的生物大分子或细胞表型，通 过外科手术植入到组织损伤部位，使不能自然愈合的 损伤再生或加速其愈合过程。 分子生物学家：通过对人类基因组计划的研究或其它 途径，了解人类的全部基因信息，并找出那些控制组 织形成和再生的基因序列，然后将其引入到原代细胞 ，进而形成可以制造组织的细胞系。
核心：建立由细胞和生物材料构成的三维复合体
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尝试人造耳
中国青年学者曹谊林教授于1996年在世界 上第一个成功地在裸鼠背上培养制成了人 形耳廓软骨支架，因而获得美国整形外科 最高荣誉巴莱脱勃朗奖 。
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组织工程的科学目标
在细胞水平和分子水平构建具有生命力 的生物体，也即组织和器官的形成和 再生。
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传说中的“组织工程学”
圣葛斯默和丹米安奇迹般地治愈了腿的移植。 ——Master of Los Balbases ，约在 1495 年。
“狗腿子”的故事
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➢ 组织工程主要是致力于组织和器官的再生与形成， 利用生命科学和材料科学的进步，在一个模仿组 织与器官形状的材料中种入细胞，使细胞依照模 型来长成新的组织与器官，以供修复人体的组织 或器官缺损。
26Leabharlann 27组织工程 ——人类组织和器官的制造业
像更换汽车零 件一样更换人 体坏旧的器官
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组织工程科学意义
不但可以从细胞水平和分子水平认识生命的 本质，而且能够从整体上优化生命的质量， 并把握生命的进程。同时组织工程研究理论 体系和研究方法不仅是针对哺乳类动物，而 且可拓展到植物上去，这对于促进农业、工 业和军事科学的发展都将有着不可估量的深 远意义。
组织工程学：第一章 组织工程学概述
一.组织工程学科定位
本教材目前定位培养5年制生物科学与生 物技术专业本科生和生物医学工程学本科生 这一特定对象，为以后组织工程学的本科或 长学制学生的培养探索经验，达到投石问路 的目的。
无论是生物科学与生物技术专业学生，还 是组织工程学本科与长学制学生，使用的教 材都将严格遵循“三基”即基本理论、基本 知识和基本技能以及“五性”即先进性、科 学性、思想性、启发性和适用性的基本要求， 体现本学科特色。
第二节、组织工程学的学科定位
远在19世纪就有人对易发生损伤的组织和器官 诸如损伤的牙齿、骨、软骨、角膜、皮肤等进行修 复，但都没有找到永恒的替代物。近年来，在细胞 生物学和细胞培养技术、生物化学技术、免疫学技 术、外科手术学技术、材料合成、分子生物学以及 基因工程技术的协同攻关下、在多学科的协同作战 中，已制备出具有生物活性、活的生物器官，并种 植、移植于人体内，产生有效的生物效应，成为组 织工程学发展的曙光，给未来组织工程的发展带来 了希望。
器官生长规律、配布均衡。 ▪ 材料具有引导及诱导组织再生能力。 ▪ 细胞与支架的互相作用 ,材料与生物体的相互作
用 ⑴动物实验 ⑵临床实验
六.组织工程材料
▪ 天然材料 ▪ 合成材料 ▪ 陶瓷材料
支架材料
支架材料
七、生物因子与组织工程学替代物
组织工程移植物在人体内的黏附、增殖、分化和 生长过程中需要多种生物因子的调控和诱导，外源性 生物因子半衰期较短、造价较昂贵，因而限制了大剂 量和反复应用的要求。
目前，这种“生物膜”及相关研究已经
完成了部分用途的标准制定和检测，已经公 开专利两项，是我国完全拥有自主知识产权 的高科技医用产品。在4月24日举行的成都中 医药国际博览会上，这种 “生物膜”以5.5亿 元的技术转让价被隆重推出。
组织工程讲座ppt课件
中南大学湘雅二医院胸心外科 湖南省心血管疾病研究所
吴忠仕
讲义提纲
• 组织工程学基本概况 • 组织工程血管研究 • 组织工程瓣膜研究 • 心肌细胞移植研究 • 生物反应器
组织工程
组织工程学研究涉及到材料学、工程学、生物化学、 分子生物学、细胞生物学、临床医学、伦理学等多 学科交叉与结合
受较高的体循环压力
• PGA 过于僵硬, 手术缝合性不佳
可吸收材料为支架的TEBV
• 1999 年, Shum -Tim 用羟化烷烃的聚合物(PHA ) 的双层管状支架构建了TEBV。内层以有孔的PGA 网作为 细胞载体, 外层以无孔的PHA 加强机械支撑作用, 该 TEBV 的血管壁中胶原蛋白到3 个月时占相应自体腹主动 脉的25%, 5 个月时达99% , 内层有平整的内皮细胞,中层 有大量的弹力纤维生成
Vacanti and Langer, Lancet 354, 1999
Tissue Engineering is also often referred to as "regenerative medicine" and/or "reparative medicine".
国外组织工程学研究
在美国，目前已经形成价值 60亿美元的组织工程产业， 并以每年25%的速度递增
Langer and Vacanti, Science 260, 1993
组织工程的定义
"The Age of 'Tissue Engineering' is upon us. As we are thrust toward a new millennium so too are our beliefs that the amalgamation of engineering and medicine will result in an explosion of knowledge that will enhance our understanding of developmental biology and culminate in a new era in medicine enabling us to restore lost tissue function."
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
组织工程施工课件
组织工程施工课件第一章组织工程施工概论1.1 组织工程施工的定义和基本原理组织工程施工是在规定的时间内，按要求的技术标准和安全规范，经过科学合理的组织、协调和管理，将设计图纸中的工程内容按计划和进度进行施工的过程。
组织工程施工的基本原理是合理安排施工流程、合理配置施工力量、科学制定施工方案、严格执行质量标准、保证安全施工和提高施工效率。
1.2 组织工程施工的重要性和作用组织工程施工是工程项目顺利进行的保障，是实现工程质量、速度和成本要求的重要环节。
好的组织工程施工能够确保工程项目按期完成，有效控制工程成本和质量，提高整体的竞争力。
1.3 组织工程施工的主要内容组织工程施工的主要内容包括：制定施工组织设计方案、编制施工计划和进度表、组织和管理施工人力、材料和机械、监督检查工程质量和安全，以及记录施工过程中的重要信息等。
1.4 组织工程施工的原则和要求组织工程施工的原则包括：科学性原则、合理性原则、安全性原则、经济性原则和效益性原则。
要求组织工程施工的各项措施都要符合这些原则，保证工程施工的顺利进行。
第二章组织工程施工的准备工作2.1 施工组织设计方案的编制施工组织设计方案是施工前必须编制的文件，它包括施工方案、分部工程施工方案、施工图预算单价、材料设备仪器配置表、人工设备机械台帐、施工专项方案等内容。
通过施工组织设计方案的编制，可以全面了解工程施工的各项情况，为施工的顺利开展提供重要依据。
2.2 施工计划和进度表的制定施工计划和进度表是约定工程施工各项任务的完成时间和进度的文件，要根据项目实际情况和合同要求，合理安排施工进度，确保工程项目按期完成。
2.3 施工队伍的组建和管理施工队伍是工程施工的主体，要根据具体工程的要求和工期，按照施工计划和进度表合理组建施工队伍，保证施工人员的技术水平和工作能力。
2.4 施工材料和机械的准备施工过程中需要大量的材料和机械设备，要提前做好采购准备工作，确保施工过程中不会因为缺乏材料和设备而影响施工进度和质量。
组织工程
统，由接种肝细胞后的多聚
材料形成包囊，管接循环介 质，培养液贮存器，捕捉气 泡的除泡器，以及可以氧化 培养液的增氧器组成。
生物人工肝
1986年Demetrion教授提出生物人工肝的概 念。 此后，匹兹堡大学与Mc Gowan研究所设 计了生物人工肝反应支持系统（BLSS）。 人工生物肝在临床 实验方面证明，目前 的生物人工肝只能临 时代替自然肝脏的部 分功能。
• 将天然生物材料和高分子可降解材料结合可弥补前者机械 强度差和后者细胞黏附力差的缺点
2001，用编织的PGA/已内酯（或乳酸）为支架接种同源 BM-MNCs细胞的人工血管进行临床实验。25位1-24岁病人 在术后5.8年的时间中没有产生因血管移植产生的死亡、动 脉瘤、移植血管破裂已经异常钙化等并发症。
肝脏是身体内以代谢功能为主的一个器官，并在 身体里面起着去氧化，储存肝糖，分泌性蛋白质 的合成等等的作用。
种子细胞
骨髓源干细胞 肝卵圆祖细胞 成熟干细胞 肝细胞株
人 骨 充 质 干 细 胞
肝 细 胞 株
支架材料
肝组织工程生物材料的修饰与改性 支架材料的作用在于为细胞的贴附提供空间支持，增加细 胞粘附表面积，支持较大的细胞团块生长发育。目前肝组 织工程支架材料的研究还处于筛选阶段。 可降解高分子材料 天然基质材料
但其构建是利用单层细胞的融
合生长，只能短期模拟肾小球 功能。
“无支架”组织工程技术
细胞层组织工程技术：
将聚N-异丙基丙烯酰胺材料涂在培养皿表面，制成温敏型 培养皿，然后通过降低温度，无创地收集完整的细胞层。 把不同种类细胞的细胞层按照生理结构层次“夹心样”层
叠起来，有可能形成肾脏、肝脏这样的组织。
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
组织工程
多能干细胞
多能干细胞具有产生多种类型细胞的能力，但却 失去了发育成完整个体的能力，发育潜能受到一 定的限制。 例如，造血干细胞可分化出至少12种血细胞，骨 髓间充质干细胞可以分化为多种中胚层组织的细 胞(如骨、软骨、肌肉、脂肪等)及其他胚层的细 胞(如神经元)。 科学家们目前趋向于将分化潜能更广的干细胞称 为多潜能干细胞(pluripotent stem cell)，如骨 髓间充质千细胞，而将向某一类型组织的不同细 胞分化的干细胞称为多能干细胞(multipotent stem cell)，如造血干细胞、神经细胞等。
成体干细胞
成体干细胞是指存在于一种已经分化组织
中的未分化细胞，这种细胞能够自我更新 并且能够特化形成组成该类型组织的细胞。 成体干细胞存在于机体的各种组织器官中。 成年个体组织中的成体干细胞在正常情况 下大多处于休眠状态，在病理状态或在外 因诱导下可以表现出不同程度的再生和更 新能力。
1.2组织工程学的发展
组织工程学的提出、发展不是偶然的，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，不仪要求治好伤、病， 还要求良好的功能及完美的外形，应用传统的治 疗方法难以达到如此完善的地步，需要寻找新的 治疗途径。 ②科学技术总体水平的提高，为患者、医生对治 疗提出的高要求有实现的可能，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。
体外培养细胞主要环境影响因素
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
组织工程的概念和原理
组织工程的概念和原理组织工程的概念和原理组织工程学(tissue engineering)是根据细胞生物学和工程学的原理，将具有特定生物学活性的组织细胞与生物材料相结合，在体外或体内构建组织和器官，以维持、修复、再生或改善损伤组织和器官功能的一门科学。
组织工程技术的基本原理，是将组织细胞(或者干细胞)贴附于生物相容性良好的生物材料上，形成细胞—生物材料复合物；将其植入到体内特定部位，或者置于体外特定环境下，在生物材料逐步降解的同时，细胞产生基质，形成新的具有特定形态结构及功能的相应组织。
组织工程的核心是建立由细胞和生物材料构成的三维空间复合体。
细胞通过大量分泌胞外基质完成组织结构的架构，细胞在新组织内的生物学活动维持了组织结构的长期稳定，并使再生组织具有特定的生理功能。
生物材料为细胞提供了适合其生长、基质合成及发挥其功能的生物学空间，克服了以往单一的细胞移植中细胞不易成活、基质合成能力低下等缺点。
生物材料支架降解前为三维组织形成提供了临时的机械支撑，同时也是未来所构建组织与器官的三维形态模板。
细胞与生物材料之间的相互作用是组织形成即组织工程化组织构建的关键，生物材料上细胞接种必须保持一定的高密度，生物材料降解速率必须与细胞的生长与细胞外基质合成速率相互匹配，才能保证组织构建的成功。
种子细胞与生物材料是组织工程的两大核心基础研究领域。
种子细胞是进行组织工程化组织构建的最为关键的要素，只有获得足够数量并保持特定生物学活性的种子细胞，才能保证组织构建的成功。
目前组织工程化组织的构建主要是应用自体组织的同源细胞作为种子细胞来源，存在着来源有限、细胞易老化不能大规模扩增以及细胞取材对机体造成新的创伤等不足，已经成为制约组织工程进一步临床应用的关键问题。
具有全分化潜能的胚胎干细胞作为种子细胞来源已日益受到重视，虽然目前只在细胞的建系方面取得重大进展，与实际应用尚有一定距离，但这将是最终解决组织工程种子细胞来源的重要途径之一。
组织工程学-第九章
5％明胶溶液
空气发泡-NaCl
10％明胶溶液
固液相分离法
空气发泡-相分离法
【化学气体发泡】
9 化学发泡剂主要为碳酸盐类。
9 将聚合物溶液与碳酸氢铵混合浇入模具，溶剂部分挥发后，浸入热水
发泡，然后冷冻干燥。
【特点】
该法实际是致孔剂 法和气体发泡的结合， 支架孔隙率>90 %，孔相 连性好。
【影响因素】
不易制备大孔支架 （< 100µm）
致孔剂/固液相分离 致孔剂/溶剂相分离
乳液冷冻干燥法
【方法】 【优缺点】 9 孔隙率高，可达90-95%； 9 孔径和孔隙率可调，如改变
水的体积分数、聚合物用 量、聚合物分子量等。 9 有利于生物活性物质的引入
× 平均孔径只有13-35um，难 以做得更大，无法满足细胞 培养的要求；
耳括
关节
管
圆柱体
致孔剂法/溶剂辅助室温模压成型的具有复杂形状的PLGA多孔支架
Macromol. Biosci. 2006, 6, 747–757
7、各种常规支架成型方法的比较
工艺
优点
缺点
操作简单，孔隙率高，比 纤维粘连法
表面积大
某些聚合物纺丝温度高，支架缺 乏机械强度，可用此法成型的聚 合物品种少
液液相分离法
温
度
液液相分离
旋节线 不稳定区
浊点线
溶剂结晶温度 亚稳区 固液相分离
聚合物浓度
【实例】 1、PLGA溶于87/13(v/v)二氧六环/去离子水混合溶剂，配成9%w/v溶液 2、将上述溶液在搅拌下加热至40oC(浊点20oC)， 直至溶液变透明 3、将此溶液在4oC保持0、 2 和10min，引发溶液分相 4、然后将上述溶液迅速转移至预先已用液氮冷却的模具中 5、冷冻干燥除去溶剂
组织工程学
组织工程学一、基本情况：课程名称：组织工程学英文名称：Principles and Practice of Tissue Engineering开课学期：授课语言：英语总学时：任课教师：崔福斋、冯庆玲二、课程内容简介：课程讲授组织工程学的原理和应用。
第一节课程首先综述组织工程学的概况。
随后课程分三大板块：1.框架与细胞：重点介绍材料的设计料与细胞相互作用，涉及三维组织工程材料构造，生物材料仿生设计、蛋白质自组装等。
2.细胞和控制因素：重点介绍如何在体外调控细胞。
涉及细胞培养环境、生长因子对细胞的影响，基因治疗等。
3.医学应用：重点介绍组织工程学在实际临床中的应用。
涉及骨组织再生，心脏瓣膜修复、皮肤和神经修复等。
特别是，专门设置一节介绍在美国和其他国家对组织工程医用材料的批准管理办法。
课程非常注重学生与教师之间的交流，专门设置两个答疑的课时。
每节课程后半段又有教授的提问和总结，锻炼学生独立思考的能力。
课程考核形式中，论文要占很大的比重，同时穿插有一些开放性的作业，提高学生的实际能力。
课程采用中美两国Tsinghua－MIT－Harvard三所大学双向同时远程教学的模式，邀请中美多位当前活跃在生物材料领域的科学家为授课。
课程注重与当前科学研究的前沿热点相结合，既要让学生对该领域有较广泛深入的了解，又要对日后的科研工作有所启发。
三、预备知识或先修课程要求：材料学，生物材料基本知识。
四、教学目的与要求：1．使学生了解组织工程学的基本原理、研究现状和面临的主要问题。
学习组织工程材料设计的基本思路，材料与细胞的相互作用，细胞的调控，以及如何与临床实践相结合。
2．提高学生独立发现科研问题、思考问题，进而解决问题的能力。
特别强调学生的主动性在教学过程中的作用，鼓励开放性的思维，鼓励多提问题，在教学互动中培养科研中需要的积极主动思考的习惯和能力。
3．提高学生的交流和自我表达能力。
全程英语教学，为学生提供了锻炼国际学术交流能力的机会。
组织工程学的定义与内涵
组织工程学的定义与内涵ste mc e l l s用心服务医博园版主发贴: 2 25积分: 2 31得票: 8 状态:离线2008-01-11 22:00一、组织工程学的发展历史组织工程学的研究历史始于２０世纪８０年代初，１９８７年被美国科学基金会正式命名。
中国组织工程学的研究始于２０世纪９０年代中后期。
１９９９年国家科技部正式成立了“九七三”组织工程基本科学问题研究项目，推动了国内组织工程研究的发展。
２００２年国家科技部成立了“八六三”组织工程项目，以替代、修复或改善人体各种组织器官损伤的再生医学为主线，以组织工程技术、干细胞技术、人血代用品和异种器官移植为重点，形成组织（器官）工程研究开发的技术体系，为组织工程的应用研究和未来的产业化发展奠定了基础。
二、组织工程学的定义及其应用意义组织工程是指应用生命科学与工程的原理和方法，构建一个生物装置，来维护和增进人体细胞和组织的生长，以恢复受损组织或器官的功能，主要任务是实现受损组织或器官的修复和再建，延长寿命和提高健康水平。
这种具有生命力的活体组织或器官能对病损组织或器宫进行结构、形态和功能的重建，并达到永久替代。
组织（器官）工程是研究和开发用于替代、修复或改善人体各种组织或器官损伤（包括功能和形态）的新兴技术领域，已成为生命科学研究领域的国际性前沿课题，并蕴含着巨大的科学价值。
三、组织工程中的生物材料研究１、促使生物材料发展的因素使生物材料迅猛发展的主要动力来自人口老龄化、中青年创伤的增多以及疑难疾病患者的增加和高新技术的发展。
生活节奏的加快、活动空间的扩展和饮食结构的变化等因素，使损伤成为一个严重的社会问题。
国内因损伤而住院的患者年增长率达７．２％，高居住院人数第２位。
美国１９９８年用于骨骼－肌肉系统损伤患者的治疗费高达１２８０亿美元，仅骨缺损患者就达１２３万，其中８０％需要用生物医学材料治疗。
在全球，心脑血管疾病、各种癌症、艾滋病、糖尿病、老年痴呆症等发病率逐年增加，急需用于诊断、治疗和修复的生物材料。
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阳离子脂质体-磁性纳米四氧化三铁（MCL）的细胞毒性
【结果】 在本文试验条件下，未发现MCL对成纤维细胞的毒性。（MCL对成
纤维细胞增殖的毒性计量为100pg/cell）
灌注法 玻璃管
【特点】 有利于细胞进入支架内部；细胞接种均匀；细胞接
种数量多；细胞接种率高。
高度感应器
灌 注
法
支架
静
态
U型管
法
样品室
【结果】接种培养20h，用扫描电镜观察三种接种方法对接种率的影响 Byung-Soo Kim,et al., Biotechnol Bioeng, 57: 46–54, 1998
【例】在摇床上，不同转速下，对PET纤维支架的接种
接种效率
人成骨细胞
接种效率
软骨细胞
100rpm 200rpm 300rpm 400rpm
剧烈扰动接种 剧烈扰动接种
搅拌接种
静态接种
100 rpm
300 rpm 不同转速下，人成骨细胞在支架内部的分布
Gordana Vunjak-Novakovic, et al., Dynamic Cell Seeding of Polymer Scaffolds for Cartilage Tissue Engineering, Biotechnol. Prog. 1998, 14, 193-202
2500rpm
细胞活力（总量）
单个细胞的活力
W.T. Godbey, et al., A novel use of centrifugal force for cell seeding into porous scaffolds, Biomaterials 25 (2004) 2799–2805
10.2 影响细胞与支架复合的因素 10.2.1 支架材料的影响
D. Wendt, et al., Biotech. Bioeng., 84(2), 2003, 205-214
接种效率
接种细胞分布均匀性
软骨细胞在聚对苯二甲酸乙二醇酯支架上的接种比较
负压吸附法
【优点】 有利于细胞进入支架内部；细胞接种均匀；细胞接
种数量多；细胞接种率高。 【缺点】 负压吸引的压力不易掌握；容易污染。
不同方法所引起的PLGA75/25多孔支架体积和分子量的比较
方法 环氧乙烷
分子量变化 （%）
－12
体积变化 （%）
－50
灭菌效率（%） (n=10)
100
γ-射线
氩等离子体 （100W，4min）
70%乙醇水溶液
－54 ＋36
0
0
100
0
消毒：disinfection；灭菌：sterilization
EO灭菌
射线灭菌
接种细胞后，支架的表面积随时间变化
MTT法细胞增殖活力
【结论】
γ射线消毒会引起胶原的断链，并引起支架的显著收缩，不利于后续的 细胞的培养。EO法对胶原支架的影响较小，但要注意的是：在支架消毒后 要在40oC的空气流中脱气至少5天后，才能使支架中的残留EO降到无毒水平 （7.69mg/g）。
【种子细胞】平滑肌细胞（smooth muscle cells，SMCs） 细胞悬液密度0.1～2×107 cells/ml
【接种方法】 静态接种——将50ml 细胞悬液（5 × 106 cells/ml）注射入PGA支架 搅拌接种——将PGA支架浸入40ml 细胞悬液（2 × 106 cells/ml）以 50rpm搅拌速度，于37oC下搅拌20h（在100ml烧瓶中进行） 剧烈扰动接种——将0.3ml 细胞悬液（2 × 107 cells/ml）注射入PGA 支架，装入试管，然后在100rpm水平摇床上晃动20h
分子量 支架体积
重量
不同消毒方法对PLGA支架后续降解的影响 (■) 乙醇; (▲) 等离子体; (●) γ-射线；(*) 环氧乙烷
原始电纺无纺毡
Effects of sterilisation method on surface topography and in-vitro cell behaviour of electrostatically spun scaffolds，Biomaterials 28 (2007) 1014–1026
1. 根据不同组织，选择不同材料； 2. 根据要修复的组织部位，选择具有
合适宏观和微观结构的支架； 3. 对支架进行严格消毒灭菌 4. 如果必要，对支架进行预湿处理
1. 浸渍法 2. 接种法（沉淀法） 3. 动态接种法
4. 灌注法 5. 负压吸附法 6. 水凝胶法
PGCL
PLGA：聚（乳酸－羟基乙酸）共聚物 PGCL：聚（羟基乙酸－己内酯－乳酸）共聚物
原始
环氧乙烷
电子束
γ 60Co
消毒方法对胶原纤维形貌的影响（AFM）
European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 63 (2006) 176–187
等离子体灭菌处理对PLGA75/25多孔支架的体积和灭菌效率的影响
等离子体处理 功率（W） 时间（min）
Intrusion volume (ml/g)
4
3
2
1
0
0
0.5 1 2 4 24 48
Time (h)
Anthonios G Mikos, et al., Biomaterials, 1994, 55-58
10.1.2 细胞与支架的接种技术
【优点】
浸渍法
操作简单，不易导致污染，对设备、仪器的要求不高。 【缺点】
组织工程学
蔡晴
10
材料科学与工程学院
第 10 章 细胞与支架的联合培养技术
概述 —— 联合培养的用途和意义
1）评价支架材料对细胞的毒副作用； 2）考察细胞对支架材料的选择性； 3）研究细胞与支架材料的相互作用关系及其机制； 4）研究细胞接种在支架材料上的方法、数量、密度； 5）研究适合细胞生长，进行新陈代谢最佳材料结构，包括材料的组
接种细胞的数量有限，接种率低，很多细胞被浪费。
接种法
【优点】 操作简便，可通过多次沉淀方法提高细胞的接种数量。
【缺点】 接种的细胞不均匀；易从筛网状支架的网孔中漏出，影
响细胞接种数量。
动态培养
【特点】 将支架浸没在高密度细胞悬液中，采用搅拌、震荡或旋
转培养系统，可使细胞更均匀、更多地附着在支架上。
【支架】用聚乳酸溶液将聚羟基乙酸纤维（直径12µm）排成的2mm厚无纺 支架粘连成型，孔隙率97％，支架密度50mg/cm3。
样品发生体积 变化率（%）
灭菌效率（%） (n=10)
2
0
60
4
0
60
33
5
0
60
10
20a
70
2
0
60
3
0
80
100
4
0
100
5
20b
100
10
100c
100
注：a、10个样品中有2个体积收缩～48%；b、10个样品中有2个体积收缩～30%； c、所有的样品体积均收缩～50%。
Holy CE, Cheng C, Davies JE, et al. Biomaterials, 2001, 22: 25-31
【例】 将细胞分散在阳离
子胶原溶液中，用此溶 液充满支架孔隙，然后 在支架表面覆盖上阴离 子型的聚合物（如
PolyHEMA-MMAMAA）使之凝聚。
离心法
【方法】 将细胞悬液和支架装在试管中，放入离心机在设定
的转速下离心。
归一化的支架上的蛋白质含量
Yi-Chin Toh, et al., Application of a polyelectrolyte complex coacervation method to improve seeding ef.ciency of bone marrow stromal cells in a 3D culture system, Biomaterials 26 (2005) 4149–4160
Athanasiou KA, et al., Sterilization, toxicity, biocompatibility and clinical applications of PLGA. Biomaterials, 1996, 17: 93~102
【消毒方法】 (Ernst Magnus Noaha, et al., Biomaterials 23 (2002) 2855–2861) 材料 —— 胶原支架，固液相分离法制备，孔径20um 环氧乙烷法（EO）—— 100％EO蒸汽、70％湿度、55oC、7h； 40oC空气流中120h 60Co γ射线 —— 25 kGy（2.5Mrad）
¾ 细胞密度的影响
研究表明：低密度细胞不能形成关节软骨。
¾ 细胞代数的影响
组织工程化组织的构建以原代细胞为最好。
成、孔隙率、孔径、孔间交通情况、表面形貌特征等； 6）在上述问题基本阐明后，进行体内/外组织构建，形成工程化组
织。
10.1 种子细胞与支架材料的接种
10.1.1 细胞接种前的准备
1. 适当的细胞密度 2. 良好的种子细胞分化程度
¾ 细胞悬液的制备
3. 控制种子细胞扩增培养条件
¾ 支架的准备 ¾ 细胞与支架的接种技术
单个细胞荧光强度
0rpm 100rpm 200rpm 300rpm 400rpm
单个细胞荧光强度
100rpm 200rpm 300rpm 400rpm
0rpm 100rpm 200rpm 300rpm 400rpm
J Biomed Mater Res 66A: 425–431, 2003